旋流燃烧器中气固两相流实验及数值模拟的研究

摘要

随着我国经济的迅猛发展，工业化进程不断推进，能源与环境问题日益凸现出来。在今后相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源。而电厂燃煤将产生大量的污染物。其中，SOx的治理已经发展到比较成熟的阶段，大多数电厂都已配备了脱硫装置。而燃煤的另一大污染物NOx的控制方法目前在电厂中还未普及使用。因此，研究低NOx的高效控制方式意义重大。
　　 本文以低NOx排放为目的，探索最佳的旋流燃烧器结构参数及运行工况。主要通过气固两相流实验及FLUENT数值模拟来研究中心管扩口、一次风速及一次风率、直流二次风速、旋流二次风旋流强度各个因素对NOx生成的影响，从而选出最佳的实验工况，并确定燃烧器的结构及运行参数。
　　 在气固两相流的研究中，本文采用温度示踪法来研究一、二次风的混合情况，采用NaCl食盐法来研究固体颗粒的分布规律。通过分析“冷态煤粉浓度”及颗粒的分布规律，得到如下结论：(1)中心管扩角越小，二次风混入越晚，冷态高煤粉浓度区域面积越大，颗粒落在冷态高煤粉浓度区的量越多；(2)一次风率为0.2、一次风速为15 m/s、直流二次风速为25 m/s时，冷态高煤粉浓度区域面积较大，而且颗粒落在冷态高煤粉浓度区的量也较多，这将有利于降低NOx的生成；(3)内二次风旋流开度减小较外二次风旋流开度减小对冷态高煤粉浓度区域面积的影响大。内旋流强度为1.35、外旋流强度为1.56为最佳的实验工况。
　　 此外，本文利用FLUENT软件对旋流燃烧器建立了3D物理模型，采用Realizable k-ε湍流模型模拟了该燃烧器出口的空气动力场。根据数值模拟的结果，分析了燃烧器各个参数对速度场分布及回流速度大小的影响。并将模拟结果与实验结果进行对照，无论是数据的分布形状，还是数据分布的特殊截面，模拟结果与实验结果均保持高度一致，既验证了模型计算的正确性，也再次验证了实验方法的准确性与可靠性，为后续利用数值计算模拟该燃烧器的热态流场奠定了基础。