天然气旋流燃烧器富氧燃烧的数值模拟研究

摘要

可持续发展是当今全球关注的焦点问题，能源结构改革是迫在眉睫的难题。富氧燃烧作为能够显著增效减排的新型燃烧技术，具备优良的应用前景。本课题结合富氧燃烧技术与绿色环保的天然气能源，运用旋流燃烧研究了旋流特征参数与富氧浓度对天然气旋流富氧燃烧的影响。 为了适配富氧条件下高强度火焰燃烧，本文针对1.5MW天然气加热炉，基于燃烧器设计标准与计算公式，设计了双旋流燃烧器。双旋流入风设计能够有效控制燃烧混合过程和火焰形态。通过Ansys Fluent数值模拟计算软件，运用PDF模型对富氧燃烧过程进行计算，结合ISAT算法和GRI3.0数据库对NOx污染物排放量进行计算。通过改变直流风速（7m/s、8m/s、9m/s、10m/s）、一次风旋流强度（0.60、0.87、1.04）、二次风旋流强度（0.63、0.93、1.11）和氧气浓度（21%、23%、25%、27%），研究相应因素对燃烧流场及组分浓度场的影响。 研究发现，直流风与一次旋流风直接混合，若直流风速过大，会影响涡旋能量传递和剪切层形成，若直流风速过小，会抑制喷嘴气流射出和扩散；一次风主导中心回流区的产生和一次混合燃烧，其旋流强度决定了中心回流区的初始形态和扩展角度；二次风主导二次混合燃烧，并带入补充助燃气和流体动能。双级旋流风对火焰形态有较好的控制作用。氧气浓度的改变影响了一、二次燃烧的强度和贫、富燃烧区域，对NOx排放的影响较大。 上述研究结果表明，所设计的双旋流燃烧器对燃烧、混合过程起到了控制作用，对富氧环境下燃烧具备优良适应性。同时分析获得了直流风速、一次旋流强度、二次旋流强度、氧气浓度等操作参数对燃烧流场、温度场和污染物排放的影响规律。本文研究结果对全面了解富氧旋流燃烧特性及工业实践提供了理论参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 富氧燃烧技术的发展与挑战

1.3 富氧燃烧器的功能性优化

1.4 课题的提出及本文研究内容

第二章 双旋流燃烧器结构参数设计

2.1 旋流燃烧器分析

2.2 旋流燃烧研究现状

2.3 双旋流燃烧器结构参数设计

2.4 本章小结

第三章 天然气富氧旋流燃烧数值模拟

3.1 基本控制方程组

3.2 湍流数值计算方法

3.3 燃烧数值计算方法

3.4 燃烧器建模及网格划分

3.5 模拟工况参数设置

3.6 本章小结

第四章 天然气富氧旋流燃烧流体动力场分析

4.1 直流风速的影响

4.2 一次风旋流强度的影响

4.3 二次风旋流强度的影响

4.4 本章小结

第五章 天然气富氧旋流燃烧NOx排放分析

5.1 NOx生成机理及方式

5.2 旋流强度对NOx生成的影响

5.3 富氧浓度对NOx生成的影响

5.5 本章小结

第六章 全文总结

致谢

参考文献

攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果