地面火炬燃烧器结构对碳烟排放的影响

摘要

火炬系统是石油化工企业重要的安全环保设施之一。地面火炬由于安全性能高、维护方便、成本低等优点，应用日益广泛。但是，工业废气在燃烧时没有充分燃烧，有黑烟析出，污染环境。为此，本文主要通过CFD方法对燃烧过程进行仿真模拟，研究分析燃烧器结构对废气燃烧以及析出黑烟的影响。通过优化燃烧器结构来保证安全生产，对减缓日益严重的世界环境污染具有重要意义。
　　本文基于Fluent软件，运用SSTk-?湍流模型，Eddy dissipation燃烧模型和双步碳烟模型(Tesner model)，以C3H8为燃料，O2为氧化剂，对圆形和非圆形出口的燃烧器进行燃烧数值模拟，得到各自的温度场以及组分的分布情况；根据组分分布绘制沿火焰中心轴线的碳烟排放曲线，比较不同出口形状燃烧器的碳烟排放曲线，直径为6mm的圆形出口燃烧器的碳烟排放量最大，而边长为8mm的正三角形出口燃烧器的碳烟排放量最小，后者是前者碳烟排放量的0.45倍，说明正三角形出口利于燃气与空气混合，促进燃烧，降低碳烟排放。
　　针对实际应用的地面火炬燃烧器，为优化其结构模型，对喷孔直径、喷孔间距、幅板倾角等三因素变量进行正交试验，运用极差法分析试验结果，发现喷孔直径对地面火炬燃烧器的燃烧和碳烟排放的影响最大，喷孔直径越小，越有利于燃气燃烧，降低碳烟排放。因此，喷孔直径为5mm，喷孔均匀排列，间距为17mm，幅板倾角为15°的燃烧器为最优模型，其碳烟排放量为6.53×10-4。总之，在燃烧器允许的压力范围内，缩小喷孔直径，增加燃烧器内腔的压力，提高燃气出口速度；并均匀分布喷孔，能有效降低碳烟排放量。
　　为研究燃烧器间距及排列方式对燃烧和碳烟排放的影响，对不同排列方式及不同间距的一排燃烧器进行数值模拟。对比分析试验结果，对于均匀排列的燃烧器，随着间距逐渐增加，燃气与更多空气混合燃烧，使得火焰高度和碳烟排放量逐渐降低，但是，随着间距继续扩大，燃烧器间相互作用减弱，高温区域减少，碳烟排放量反而增加。对于不均匀排列的燃烧器，较小的燃烧器间距是影响燃气完全燃烧的主要因素；因此，在燃烧器间距总长不变的条件下，燃烧器均匀排列是最优排列方式。综合比较试验结果，发现1.5m间距不仅能够促进空气与燃气的混合，而且可以扩大高温区域，降低碳烟排放。所以燃烧器以1.5m间距均匀排列是燃烧器最优的排列结构，其火焰高度为12.9m，碳烟排放量为4.38×10-4。以上结论为优化地面火炬燃烧器结构、降低碳烟排放提供指导。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 数值模拟方法简介

1.3 地面火炬研究现状和发展动态

1.4 论文的创新点

1.5 论文的主要研究内容

第二章 数值模拟方法的理论基础

2.1 FLUENT软件简介

2.2 湍流模型

2.3 组分输运和反应模型

2.4 烟灰形成模型

2.5 小结

第三章 地面火炬喷孔形状对碳烟排放的影响

3.1 研究问题描述

3.2 几何模型描述

3.3 网格划分

3.4 边界条件

3.5 求解设置

3.6 模拟结果对比与分析

3.7 小结

第四章 优化应用燃烧器模型

4.1 正交试验原理

4.2 正交表的设计

4.3 试验结果分析

4.4 小结

第五章 燃烧器间距及排列方式对碳烟排放的影响

5.1 单排燃烧器的模型介绍

5.2 模拟结果分析

5.3 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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