火焰辐射对垃圾焚烧炉燃烧特性影响的数值模拟研究

摘要

本文综述了垃圾焚烧技术的研究现状,阐明了我国垃圾焚烧技术存在的问题,在此基础上介绍了所开发研究的高温空气垃圾焚烧炉的结构特点,建立了高温空气垃圾焚烧炉全系统的包括流动、传热、混合、燃烧化学反应以及火焰辐射的三维数学模型,对燃烧室结构、高温空气喷入方式以及各种动力参数条件对燃烧室温度场、流场、燃烧产物浓度场以及NOx生成的影响进行了数值模拟分析。针对高温空气垃圾焚烧过程的特点,特别是垃圾热分解混合气体中存在大量辐射气体组分的特点,重点研究了火焰辐射及其再吸收对焚烧室内火焰结构、稳定性以及NOx污染物生成的影响规律,为高温空气垃圾焚烧装置的仿真模拟与优化设计提供了依据。 本文的研究内容主要包括以下两部分： (1)建立了考虑详细辐射频谱特性的统计窄带火焰辐射模型。模型中根据辐射气体的物理性质,分别计算随边界温度、火焰厚度、垃圾热分解混合气体各组分的浓度等参数变化时对应各个波长段的辐射强度和透射率。用FORTRAN语言编制了应用DOM(discrete ordinate method)方法、窄带辐射统计模型求解火焰辐射热损失的计算程序。通过对统计窄带辐射模型和光学薄模型的分析计算,解明了辐射成分浓度、壁面温度、火焰厚度等参数变化时辐射再吸收对火焰辐射热损失的影响规律。在详细计算火焰辐射频谱特性的基础上,得到了应用于实际高温空气垃圾焚烧系统仿真模拟所需要的垃圾焚烧热分解混合气体对应各个波长段的辐射特性。 (2)建立了包括流动、传热、混合、燃烧化学反应以及火焰非灰辐射的高温空气垃圾焚烧炉全系统三维数学模型,并对其燃烧过程及NOx生成过程进行了数值解析。解析模型为：湍流模型采用标准k-ε模型、辐射模型采用DO(DiscreteOrdinates)模型、燃烧模型采用平衡混合分数PDF模型；针对高温空气垃圾焚烧过程热分解混合气体中存在大量辐射气体组分的特点,重点研究了火焰辐射的影响。分别采用绝热模型(无辐射)、灰气体辐射模型、非灰气体辐射模型对焚烧室温度场、流场、燃烧产物浓度场以及NOx生成进行了解析计算。 通过研究得到了边界温度,火焰厚度,热分解混合气体浓度对火焰辐射热损失的影响规律。研究发现：火焰厚度和边界温度对辐射热损失影响很大,CO2体积分数的增加导致辐射再吸收作用的增强,光学薄模型过高估计了辐射热损失。因此,对城市垃圾及固体废弃物焚烧过程进行数值解析及仿真计算时,需要考虑辐射介质的频谱特性和辐射再吸收。 通过对高温空气垃圾焚烧炉内各种动力参数条件下的燃烧室温度场、流场和燃烧产物浓度场进行数值模拟分析,总结了火焰辐射对炉膛内温度以及热分解混合气体组分的浓度的影响规律。为今后设计出适用于中国垃圾组成,并具有高效率垃圾发电和热能利用功能的新型高温空气垃圾焚烧设备提供了依据,具有重要的实际意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量名称及符号表

声明

第1章绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1城市生活垃圾的定义与危害

1.1.2城市生活垃圾的来源与构成

1.1.3城市生活垃圾的处理现状

1.1.4垃圾焚烧技术的应用现状及研究进展

1.2研究目标及研究内容

1.2.1研究目标

1.2.2研究内容

第2章辐射特性及辐射热损失计算模型

2.1几何模型

2.2辐射模型

2.2.1光学薄辐射模型(OTM)

2.2.2统计窄带模型(SNB)

2.3验证模型和计算程序

2.4本章小节

第3章热分解混合气体辐射特性分析计算

3.1计算方法

3.2计算结果及其分析

3.2.1火焰温度和混合气体浓度对透射率的影响

3.2.2边界温度改变对辐射特性的影响

3.2.3火焰厚度改变对辐射特性的影响

3.2.4混合气体浓度变化对辐射特性的影响

3.3本章小结

第4章焚烧炉系统数学模型建立

4.1物理模型

4.2数学模型

4.2.1控制方程

4.2.2湍流模型

4.2.3气相燃烧模型

4.2.4辐射传热模型

4.3系统的划分和网格处理

4.4边界条件

4.4.1进出口边界条件

4.4.2流入燃料及空气成分

4.4.3壁面边界条件

4.5本章小结

第5章燃烧室内数值计算结果

5.1计算结果及分析

5.1.1火焰辐射对炉膛内温度的影响

5.1.2火焰辐射对炉膛内流场的影响

5.1.3火焰辐射对炉膛内组分的影响

5.1.4火焰辐射对NOx的影响

5.2本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢