工业炉燃烧与换热装置的设计与数值模拟研究

摘要

本文设计了一套烟气自循环燃烧装置和间壁式陶瓷换热器，依靠燃烧器组织炉膛尾部的高温烟气回流，在燃烧器尾部与助燃空气掺混，并把空气中氧的浓度稀释到10[％]以下，同时二次加热助燃空气，与另一通道射入的燃料在炉内形成一种超焓弥散燃烧，燃烧后的废气进入间壁式陶瓷换热器，把热量通过陶瓷体传递给邻近通道的助燃空气。
　　 文中采用引射器通用计算公式，设计出了以空气为介质引射烟气的多喷嘴环形引射器，在冷态时采用fluent软件分别在：不同的引射比、不同的初始流速、不同的初始温度条件下对该燃烧器进行了数值模拟计算，模拟结果与设计结果基本一致，认为选择的设计方法是正确的。
　　 按照上述设计思路，设计了空气/烟气的引射比为1:2时，燃料流量为0.8Nm3/h时的燃烧器，采用fluent软件对燃烧器燃烧时的工况进行了数值模拟计算，分析了燃料、氧化剂与生成物在炉内不同位置的浓度变化情况，把这种超焓弥散燃烧在炉内分成三个区域：燃料裂解区，反应区，燃尽区。
　　 文中还把这种烟气自循环燃烧技术与目前使用的高温空气燃烧技术和炉外烟气循环技术进行了数值模拟对比研究，发现炉外烟气循环技术由于低温烟气的介入，会降低炉内的烟气的温度，虽然使得NO的产量降低，同时也牺牲了炉子的效率。高温空气燃烧技术虽然反应区的温度比较低，但射流轴心线方向初始段的氧浓度还比较高，不利于燃料裂解吸热。
　　 烟气自循环技术可以达到与HTAC相近的效果，同时还省去了一套自动换向装置，避免了额外的电力消耗。
　　 本文还设计了一种间壁式陶瓷换热器，通过数值模拟研究，得出了单位格子体尺寸、气体流速与温度效率和热回收效率的相关结论。