新型旋流高温空气燃烧器的数值模拟研究

摘要

高温空气燃烧(High temperature air combustion，HTAC)是一种采用高预热空气在超低氧浓度条件下的先进燃烧技术，它具有很低的NOx(热力型)排放特性，并且通过采用高效的蓄热陶瓷材料极限回收燃烧后的烟气中的余热来加热进入炉膛内的空气，从而大幅度地节约了能量。高温空气燃烧技术在过去20年里得到了迅速发展，在钢铁冶金、玻璃、陶瓷、水泥等行业的工业炉中具有广阔的应用前景，被誉为21世纪最有发展前景的燃烧技术之一。高温空气燃烧技术在气体燃料的应用上可节能30％～70％，氮氧化物排放可控制在40～70mg/m3之间，已取得了良好的经济效益和环境效益。
　　 研究表明燃料和空气喷嘴的特殊布置方式及其射流在炉内引起的流场回流、燃料和气体成分间的混合、扩散等影响燃烧的稳定性、温度分布以及局部NOx的生成。在高温空气燃烧技术中，设计合理的燃烧器可以降低氮氧化物的排放。如何调整燃烧器结构参数和操作参数，使得燃料在低氧氛围中进行燃烧，以降低氮氧化物排放，减少对环境的污染是实现高温空气燃烧的关键。
　　 本论文以工业炉的高温空气燃烧技术应用为背景，对一个新型轴向旋流式单烧嘴(HCAS burner)燃烧室内的高温空气燃烧特性以及氮氧化物排放进行了数值研究。采用数值模拟的方法研究了燃烧器结构参数和操作参数对燃烧特性和氮氧化物排放的影响。其中湍流采用Reynolds应力模型，气相燃烧模拟采用β函数形式的PDF燃烧模型，采用离散坐标法模拟辐射换热过程，NOx模型为热力型与快速型。通过数值模拟，得到一下结论：
　　 首先，对预热空气采用旋转射流相比于直射流对降低NOx生成量有着明显效果。对于HCAS型燃烧器，燃气的内直流使其具有一定的射流刚性，预热空气外旋流部分对内、外侧气流的卷吸作用则使得流场拥有较好的回流、整体混合特性。在一定程度上，预热空气采用旋转射流可获得较好的流场、温度场、氧气浓度场和较低的氮氧化物排放。出口烟气中NOx的摩尔分数由35.2×10-4％降低到12.3×10-4％，降低幅度达到200％左右。
　　 其次，研究和探索了喷嘴结构对高温空气燃烧特性的影响。随着肋片旋转角度的增加，燃烧室中的高温区移向入口，火焰长度缩短，宽度增大；NOx排放量先减小，后增大。在此基础上，进一步分析了肋片伸展长度和空气燃气射流速度比对燃烧性能和NOx排放的影响。通过几组数据的模拟结果比较，得出当肋片旋转角度为180°，肋片长度伸展因子为2时的较好的燃烧特性以及较低NOx排放量。
　　 最后，在燃烧器结构参数不变的情况下，改变燃烧的操作参数，分别对预热空气温度、过量空气系数和空气含氧量等因素对对高温空气燃烧特性的影响进行了详细的数值模拟，分析和总结了在不同操作参数下高温空气燃烧的具体特点。
　　 研究结果为高温空气燃烧器设计提供了一定的理论参考。

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 高温空气燃烧的研究现状

1.2.1 系统所涉及的一些热工设备的研究

1.2.2 高温空气燃烧特性的研究

1.2.3 NOx排放特性的研究

1.2.4 数值模拟方面的研究

1.3 高温空气燃烧技术的应用

1.4 课题研究目的和研究内容

1.5 本章小结

第二章 高温空气燃烧及旋流扩散燃烧

2.1 高温空气燃烧技术

2.1.1 工作机理

2.1.2 系统工作原理

2.1.3 系统主要设备

2.1.4 HTAC技术特征

2.2 旋流扩散燃烧

2.1.1 旋转射流

2.1.2 气体扩散燃烧

2.3 本章小结

第三章 数值研究方法及模型建立

3.1 数值模拟技术

3.1.1 数值模拟技术方法

3.1.2 数值模拟在燃烧研究过程中的作用

3.2 燃烧过程的数值分析理论基础

3.2.1 湍流流动的基本方程及雷诺应力湍流模型

3.2.2 近壁区流动计算的处理

3.2.3 湍流燃烧模型

3.2.4 辐射传热模型

3.2.5 NOx生成模型

3.3 数学模型的选定

3.4 模型建立及参数设定

3.4.1 模拟对象概况

3.4.2 解析区域

3.4.3 流体物性

3.4.4 网格划分

3.4.5 边界条件

3.4.6 求解方法

3.5 本章小结

第四章 燃烧器结构参数影响高温空气燃烧的数值模拟

4.1 空气直射流与旋射流对燃烧特性影响的比较

4.1.1 计算条件

4.1.2 结果与分析

4.2 肋片螺旋角度对燃烧特性的影响

4.2.1 计算条件

4.2.2 结果与分析

4.3 肋片伸展长度对燃烧特性的影响

4.3.1 计算条件

4.3.2 结果与分析

4.4 燃空速度比对燃烧特性的影响

4.4.1 计算条件

4.4.2 结果与分析

4.5 本章小结

第五章 燃烧参数影响高温空气燃烧的数值分析

5.1 空气预热温度的影响

5.1.1 计算条件

5.1.2 结果与分析

5.2 过量空气系数的影响

5.2.1 计算条件

5.2.2 结果与分析

5.3 空气含氧量的影响

5.3.1 计算条件

5.3.2 结果与分析

5.4 本章小结

第六章 全文结论与展望

6.1 论文结论

6.2 论文后续工作与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢