旋流式天然气纯氧燃烧器燃烧特性的数值研究

摘要

目前，由于人类工业活动所产生温室气体的排放对全球气候造成了巨大的影响，引起了人们对环境的担忧，迫使国内外针对CO2的排放与治理进行大量的研究。纯氧燃烧由于能在燃烧过程中对CO2进行富集然后压缩存储因而被认为是一种新型高效的碳捕集技术。由于具有很好应用前景而成为世界各国研究机构的研究重点，然而目前对纯氧燃烧技术的研究主要集中于纯氧燃烧的基本理论，且多侧重于煤粉的纯氧燃烧技术，天然气纯氧燃烧的研究较少。因此，关于天然气纯氧技术及燃烧器的开发迫在眉睫。 本文首先进行了旋流式天然气纯氧燃烧器的设计，通过SOLIDWORKS建模、GAMBIT划分网格、FLUENT模拟计算研究了三种叶片角度(15°、30°、45°)下即不同旋流强度时燃烧室内的速度场、温度场及流场分布。通过对比分析确定最佳的叶片角度。并在此基础上，设计了最佳叶片角度下的燃烧器，针对助燃风成分为23％O2/77％CO2、30％O2/70％CO2及40％O2/60％CO2不同配比进行模拟。 研究结果表明: (1)叶片角度大小直接影响了燃烧室内的流动以及传热。①相同进口参数条件下，当叶片角度为15°时在距燃烧器出口1.8m处速度衰减到20m/s以下，45°时在距燃烧器出口0.5m处速度已经小于20m/s。②对比温度分布，在15°时高温区主要集中于燃烧室内中心区域，并且局部高温。在30°时，高温区出现在天然气和旋流氧气混合交界面且温度均匀分布，温度梯度小。在45°隋况下，由于旋流强度较大导致燃烧器出口壁面温度分布集中，容易烧坏燃烧器。 (2)叶片角度大小决定了燃烧室内各成分浓度分布。①旋流强度的大小通过影响化学反应间接改变了CH4、CO、H2的浓度分布，在15°时，沿轴向方向三者的峰值均出现于燃烧室中间部位，而45°时均在距燃烧器出口0.8m以内，这也表征了化学反应剧烈发生的位置。旋流强度越大，天然气与氧气的燃烧混合越迅速，导致反应迅速发生。②旋流强度的大小直接影响了O2、CO2、H2O的分布。 (3)O2/CO2不同浓度配比燃烧室内流场结构相同，速度大小略有区别。O2/CO2浓度配比对燃烧室内温度分布影响较大，在40％O2/60％CO2工况下，燃烧室内温度分布均匀性好，即氧气含量越高燃烧温度分布均匀性越好。O2/CO2浓度改变对燃烧中间产物CO、H2影响不大，直接决定了CO2和H2O的含量。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题背景及研究意义

1．2国内外研究现状

1．2．1纯氧燃烧(oxy-fuel)机理研究

1．2．2纯氧燃烧(oxy-fuel)技术研究

1．3本文的主要研究内容及方法

1．3．1主要研究内容

1．3．2研究方法

第2章数值模拟基本理论及方法

2．1 CFD概述

2．2数值模拟软件简介

2．2．1模拟网格划分软件GAMBIT

2．2．2数值模拟计算软件FLUENT

2．2．3图形处理软件TECPLOT

2．3湍流流动模型

2．3．1湍流的数值模拟方法

2．3．2湍流模型的选取

2．4燃烧反应模型

2．4．1燃烧模型介绍

2．4．2湍流燃烧模型

2．5辐射换热模型

2．5．1离散坐标法(简称DO模型)

2．5．2 P1辐射换热模型

2．6控制方程

第3章不同旋流强度下燃烧器燃烧特性的数值模拟

3．1燃烧器的设计计算

3．1．1燃烧器功率确定

3．1．2燃烧器及燃烧室尺寸确定

3．1．3旋流强度

3．2物理模型及网格划分

3．2．1物理模型

3．2．2网格划分

3．3流动、传热与燃烧数值模型建立

3．3．1流动、传热和燃烧模型

3．3．2辐射模型

3．3．3边界条件及求解方法

3．4计算结果及分析

3．4．1模型校验

3．4．2不同旋流强度对流场的影响

3．4．3不同旋流强度对温度影响

3．4．4不同旋流强度对组分浓度影响

3．5本章小结

第4章不同O2／CO2浓度下燃烧特性数值模拟

4．1燃烧器设计

4．2物理模型和网格划分

4．2．1物理模型

4．2．2网格划分

4．3数学模型、边界条件及求解方法

4．3．1数学模型

4．3．2边界条件

4．2．3求解方法

4．4模拟结果分析

4．4．2不同O2／CO2浓度对温度场的影响

4．4．3不同O2／CO2浓度对浓度场的影响

4．4本章小结

5．1结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著及获奖情况