全氧燃烧加热炉炉内涡流运动的研究

摘要

全氧燃烧由于燃烧效率高，CO2回收方便等特点，已成为实现燃烧综合节能及协同降碳减排技术的热点之一，然而全氧燃烧的高温特性严重影响其应用和推广。近年来MILD燃烧技术研发和应用推广为全氧燃烧技术提供了技术支持，而实现全氧燃烧的MILD燃烧方式会推动全氧燃烧在工业加热炉上的应用。
　　本文根据加热炉结构，设计并搭建了全氧燃烧实验台，采用实验和数值模拟的方法对炉内的涡流运动规律、冷态气体分布情况以及对燃烧的影响进行了研究。
　　采用烟气示踪法对全氧燃烧加热炉的冷态流场进行了烟气示踪实验以及PIV实验，定性的分析了喷嘴呈一定开口角度时，炉内气体的运动情况。应用大涡（LES）模型，定量的研究了不同喷嘴开口角度，不同气体射流速度以及不同的喷嘴间距对炉内流场及涡流分布的影响。通过模拟不同喷嘴开口角度、同一开口角度不同气速的情况以及同一开口角度不同的喷嘴间距情况下加热炉内的流场运动情况，并选出了最优的工况进行燃烧过程的大涡模拟，研究结果如下：
　　（1）喷嘴开口角度不同，在相同气体喷入速度时，加热炉内气体涡量分布情况不同。当15°开口角度时，加热炉内气体涡量较大，且气体分布较为均匀，比较有利于气体混合以及燃烧时的烟气回流。
　　（2）在喷嘴角度为15°时，随着气体速度的增大，加热炉内的涡量有逐渐增大的趋势，但是涡量增幅不大；不同速度时炉内气体的分布规律大致相同，但是气速的增大使炉内的气体混合加剧，造成气体分布在炉内的小幅波动增多。
　　（3）喷嘴开口角度为15°情况下，喷嘴间距过大或过小都会造成炉内气体的涡量波动增大，影响炉内的气体分布。喷嘴间距为15 mm时炉内的涡量分布较为均匀且气体在炉内的分布相对均匀合理。
　　（4）喷嘴开口角度为15°喷嘴间距为15 mm时，温度分布比较合理，加热炉内氧气体积浓度小于10%，MILD燃烧情况稳定。