高温陶瓷窑炉内NOx生成机理的基础研究

摘要

我国是陶瓷生产大国，日用陶瓷和建筑卫生陶瓷均居世界第一，然而陶瓷窑炉烧成中有害废气严重污染了环境。目前，对于陶瓷窑炉烧成中生成的NOx仍然没有找到一条经济可行的治理办法，因此，本文借助计算流体力学(CFD)-FLUENT软件研究陶瓷烧成过程中NOx的生成机理，以找到陶瓷烧成中影响NOx生成的主要因素，为减少及治理NOx排放进行基础性研究。 本文以FLUENT软件的前处理器Gambit对陶瓷梭式窑的几何模型进行建模，以结构化网格和非结构化网格相结合对窑体进行网格划分。选用FLUENT软件的非预混燃烧模型进行燃烧模拟；选用RNGk-e湍流模型，能量方程及P-1辐射模型，作为FLUENT模拟陶瓷烧成过程的数学模型。以液化石油气和重油作为燃烧模拟的燃料，对热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx进行模拟。根据陶瓷烧成的升温曲线，窑体、坯体材料的物性参数和热平衡计算，确定燃料、助燃空气入口速度，窑内流体的对流换热系数，窑墙的热流密度等边界条件。在数值计算方法上，选用FLUENT提供的分离求解器，在初始计算中先计算流场，达到收敛以后引入能量方程和动量方程，并且能量方程和动量方程先取一阶迎风格式，也是达到收敛以后选用二阶迎风格式，再迭代至最终收敛。在算法上，选用SIMPLEC算法以提高收敛性。经模拟得出以下结论： 1、陶瓷烧成中，快速升温将增加NOx的生成。 2、还原气氛具有阻碍NOx随着温度升高而增加的作用，且阻碍能力并不随着还原气氛的减弱而降低。然而，还原气氛仅仅是阻碍NOx在高温阶段的继续增加，而不能从真正意义上的减少NOx生成。 3、在一般的陶瓷烧成温度范围内，燃料型NOx是控制NOx生成的主要原因，根据不同的中间产物，占90％-98％；热力型NOx影响较小，占5％-21％；快速型NOx可忽略为零。对于燃料型NOx，不同的反应中间产物对NOx生成有不同的影响。 4、陶瓷烧成中NOx的生成主要受到窑内烟气流速及温度的影响。烟气流速较大的区域NOx浓度较小，反之，NOx浓度较大。燃料型NOx的生成随着温度的升高而增大。 5、釉料和坯料对NOx的生成具有一定的影响。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2燃烧过程中NOx生成机理研究的现状

1.2.1燃烧过程中NOx的生成机理

1.2.2燃烧过程中影响NOx生成的因素

1.3燃烧过程中NOx的治理技术进展

1.3.1燃烧技术

1.3.2还原法

1.3.3等离子技术

1.3.4微波技术

1.3.5微生物法

1.3.6电化学法

1.3.7其他方法

1.4课题研究的目的、意义和内容

第二章陶瓷窑炉模拟的发展及FLUENT软件

2.1陶瓷窑炉模拟的发展

2.2 FLUENT软件简介

2.3 FLUENT软件在我国工业炉窑中的应用

2.3.1陶瓷窑炉模拟

2.3.2煤粉炉内燃烧模拟

2.3.3蓄热式燃烧模拟

2.3.4裂解炉燃烧模拟

第三章数学模型的建立

3.1几何模型的建立

3.1.1几何模型的简化与假设

3.1.2几何体的尺寸与结构

3.1.3计算区域的网格划分

3.1.4边界类型的选取

3.2非预混燃烧模型的建立

3.2.1 prePDF数学模型的选取

3.2.2 FLUENT湍流模型与传热模型的选取

3.3 NOx生成模型的选取

3.3.1 NOx输运控制方程

3.3.2热力型N0x的数学模型

3.3.3快速型NOx的形成

3.3.4燃料型NOx的形成

3.3.5紊流中NOx的形成

3.4边界条件的确定和物性参数的选取

3.4.1燃烧过程的热工计算

3.4.2速度边界条件

3.4.3热力学边界条件

3.4.4物性参数的选取

3.5数值计算方法

3.5.1数值求解方法

3.5.2离散差分格式

3.5.3算法

3.6本章小结

第四章数值模拟及结果分析

4.1升温速度对NOx生成的影响

4.1.1边界条件

4.1.2模拟结果与分析

4.2烧成气氛对NOx生成的影响

4.2.1边界条件

4.2.2模拟结果与分析

4.3温度、烟气停留时间(速度)对NOx生成的影响

4.3.1边界条件

4.3.2模拟结果与分析

4.4燃料对NOx生成的影响

4.4.1边界条件

4.4.2模拟结果与分析

4.5釉料和坯料对NOx生成的影响

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢