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高温空气燃烧模型研究和结构优化

作　者: 陈翠梧
导　师: 苏亚欣
学　校: 东华大学
专　业: 热能工程
关键词: 工业炉高温空气燃烧数值模拟旋流式燃烧氮氧化物模型修正结构优化
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高温空气燃烧技术是一种高效的蓄热式燃烧技术,具有极限余热回收和超低污染物排放的双重优点,被誉为21世纪最有发展前途的燃烧技术之一,在钢铁冶金、玻璃、陶瓷、水泥等行业具有广阔的发展前景。与常规燃烧相比,高温空气燃烧具有高温预热空气和贫氧燃烧的特点,因此其燃烧特性与常规燃烧有很大的区别,本文首先应用目前三个主要的气相燃烧模型：EBU模型、EBU-Arrhenius模型以及PDF模型,对一个尺寸为2m×2m×6.25m的高温空气燃烧室进行了数值模拟,并将模拟结果和国际火焰研究会的实验数据进行了比较,确定了合理的燃烧模型。其次对高温空气燃烧的氮氧化物(NO)生成和转化机理模型进行了研究,比较了热力性、快速型NO生成模型、N2O中间转化模型以及再燃还原模型等不同机理对NO的最终排放特性的作用。最后采用RSM湍流模型和EBU燃烧模型,DO辐射传热模型,烟气的吸收系数的WSGGM模型,热力型、快速型NO生成模型及NO的再燃还原机制等对旋流式燃烧器的高温空气燃烧特性进行了深入的模拟计算,讨论了若干燃烧条件对高温空气燃烧特性的影响规律。从本,文的研究结果可得出以下主要结论：(1)EBU模型预测的高温空气燃烧温度场、浓度场以及NOx生成与实验结果符合得最好,是预测高温空气燃烧最有效的燃烧模型。但EBU模型预测的峰值温度位置与实验量不一致。因此有必要对EBU模型内部参数进行修正,使其符合高温空气燃烧的特点,得到更准确的预测结果。有研究结果表明,非预混高温空气燃烧的反应速度比常规燃烧要慢,根据EBU模型内部原理,减小经验常数A,能使预测的反应减慢。模拟结果表明,当A=1时,修正的EBU模型预测的高温空气燃烧的温度场、浓度场以及NOx生成都得到较好的改善。(2)热力型NO是高温空气燃烧最主要的生成机制,约为总NO生成量的90%；快速型NO次之,约为10%；N2O中间转化机制的NO生成量很小,可以忽略不计；NO再燃还原机制是高温空气燃烧中必须考虑的模型,否则会导致预测结果的严重偏高。(3)与直流式燃烧相比,旋流式燃烧能增大燃烧室回流区域,促进低氧燃烧气氛,燃烧室内的温度分布更均匀；高温富氧区域的大小和位置是高温空气燃烧NO生成的决定因素,旋流式燃烧能更好地抑制燃烧室内的高温富氧区域,从而使得NO排放大幅度下降。(4)采用旋流式燃烧、降低入口氧浓度以及提高空气流速三种方法都能达到NOx减排效果。随着螺旋角度的增大,高温富氧区域不断减小,NO排放先减小后增大；提高空气射流速度,NO排放不断减小,但减小的幅度不断减小,当空气射流速度超过45m/s后,继续增大空气射流速度,NO减排效果将不明显；降低空气入口氧浓度,NO排放不断减小,但CO排放却不断增加,燃料燃烬效果变差。旋流式燃烧不仅有很好的NOx控制效果,经济安全,稳定可靠的特性,还能与其他两种方法联合使用,达到超低NOx排放的目的。(5)不同操作参数和结构参数对旋流式高温空气燃烧具有重要影响。研究结果表明：随着空气预热温度的提高,燃烧室内的峰值温度和平均温度线性上升,温度分布更均匀,但NO排放却大幅增大；随着过量空气的增大,NO排放先减小后增大,当采用旋流式燃烧时,即使在过量空气系数为1.0时也能达到超低的NO排放和很好的燃烧效果；当过量空气较大时,增加空气流道数对高温空气燃烧的影响不大,但当过量空气系数较小时增大空气流道数能增大空气的湍流强度,使燃烧更加充分；旋流烧嘴的伸展长度对高温空气燃烧的流场特性、燃烧特性和污染物排放特性具有重要影响,随着伸展长度的增大,燃烧室内的高温富氧区域不断增大,NO排放先减小后增大。

高温空气燃烧模型研究和结构优化

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