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燃气工业炉内旋流燃烧和NO_x生成的数值模拟与研究

作　者: 连成
导　师: 谭顺民
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 燃气工业炉旋流燃烧数值模拟氮氧化物排放
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着燃气工业的发展，特别是天然气工业的发展，通过燃气的燃烧获取热能的方式已广泛应用于冶金、机械、化工、建材、轻工及食品等工业生产部门。当前节约能源和环境保护是政府和全社会关注的焦点问题，人们对于节约能源和环境保护的意识也逐渐增强。提高燃料燃烧效率和降低燃烧污染物生成问题越来越受到关注，在此领域推出了一系列的重要的研究课题。利用旋流燃烧技术可以增加燃气和空气的混合均匀性，强化燃烧反应过程，防止火焰局部高温，同时在旋流作用下产生的烟气回流区，将起到降低燃烧区温度和氧气浓度的效果，从而可以有效的减少NO_x的产生。本文在分析和参考国内外相关文献资料的基础上，针对燃气工业炉内的旋流燃烧过程进行相关的计算机数值模拟研究和分析。通过使用商业流体数值模拟软件FLUENT对燃气加热炉建立了几何物理模型，并根据大量研究文献选择标准k-ε双方程湍流流动模型、PDF燃烧模型、P-1辐射模型以及NO_x形成模型（该模型是在燃烧问题模拟完成后再对NO控制方程进行求解，称为后处理方法），对不同旋流数和过剩空气系数情况下炉内旋流燃烧和NO_x的生成进行数值模拟研究，并获得相应的研究结果。通过对燃气加热炉内旋流燃烧数值模拟结果的分析得出以下结论：随着旋流数和过剩空气系数的提高，炉内温度场的影响均是先升高后降低，而且两者温度场对影响是相互独立的。在实际应用中可通过调节旋流数的大小和适当调整空气供给量来调节炉内温度的过高低。随着旋流数的提高，NO_x的浓度逐渐下降，而随着过剩空气系数的增加NO_x的生成量呈先上升后下降的趋势，并且两者相互影响。在实际的应用过程中在满足炉内温度需要的同时，可以通过增加空气量和提高旋流数的情况下来减少NO_x的生成。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
1 绪论  7-11
  1.1 课题的提出与背景  7-8
    1.1.1 课题研究的背景  7
    1.1.2 课题的意义  7-8
  1.2 国内外研究现状  8-10
    1.2.1 国外研究现状  8-9
    1.2.2 国内研究现状  9-10
  1.3 本文主要内容  10-11
2 旋转射流和旋流燃烧  11-17
  2.1 旋转射流及其特性  11-14
    2.1.1 旋转射流与自由射流的差异  11-12
    2.1.2 旋转射流的无因次特性—旋流数  12-13
    2.1.3. 旋转射流的流场  13-14
  2.2 旋流燃烧  14-17
    2.2.1 旋流对燃烧的强化作用  14-15
    2.2.2 燃烧对旋流的影响  15-17
3 燃气工业炉  17-22
  3.1 燃气工业炉窑的特点  17
  3.2 燃气工业炉的热工特性  17-22
    3.2.1 火焰炉炉膛内的热工过程  17-21
    3.2.2 射流对炉膛内压力分布的影响  21
    3.2.3 加热炉内的合理气流组织  21-22
4 NOX的危害、生成机理及控制技术  22-28
  4.1 燃烧中 NOX 的危害  22
    4.1.1 NO_x对人类健康的影响  22
    4.1.2 NO_x对作物和森林的影响  22
    4.1.3 NO_x对气候环境的影响  22
  4.2 NOX 的生成  22-25
    4.2.1 热力型 NO_x  23-24
    4.2.2 快速型 NO_x  24-25
    4.2.3 燃料型 N0_x  25
  4.3 NO_X 的控制技术  25-28
    4.3.1 烟气净化技术  25-26
    4.3.2 低 NO_x燃烧技术  26-28
5 燃气工业炉旋流燃烧过程数值模拟  28-36
  5.1 数值模拟  28-29
    5.1.1 数值模拟之计算流体力学概述  28
    5.1.2 数值模拟专业软件—Fluent  28-29
  5.2 燃气工业炉内旋流燃烧特性的数值模拟  29-36
    5.2.1 燃气工业炉模型描述  29
    5.2.2 网格的划分  29-30
    5.2.3 数学模型的选取  30-32
    5.2.4 边界条件的确定  32-33
    5.2.5 求解  33-36
6 模拟结果分析  36-47
  6.1 炉内燃烧及温度场结果分析  36-41
    6.1.1 旋流数 S 的影响  36-38
    6.1.2 过剩空气系数 a 的影响  38-40
    6.1.3 旋流数 S 与过剩空气系数 a 共同作用的影响  40-41
  6.2 NO_X 生成结果分析  41-47
    6.2.1 旋流数 S 的影响  41-43
    6.2.2 过剩空气系数 a 的影响  43-45
    6.2.3 旋流数 S 与过剩空气系数 a 共同作用的影响  45-47
7 结论和展望  47-50
  7.1 结论  47-48
  7.2 展望  48-50
致谢  50-51
参考文献  51-54
附录  54-56
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  54-55
  B. 锻造加热炉结构尺寸附图（单位 MM）  55-56

燃气工业炉内旋流燃烧和NO_x生成的数值模拟与研究

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