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旋流燃烧器中气固两相流实验及数值模拟的研究

作　者: 周丛丛
导　师: 周志军；周俊虎
学　校: 浙江大学
专　业: 热能工程
关键词: 旋流燃烧器混合冷态煤粉浓度数值模拟低NO_x
分类号: TK223.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目次  9-14
1 绪论  14-19
  1.1 引言  14
  1.2 我国的能源结构  14-15
  1.3 我国的电源结构  15
  1.4 NO_x的危害与来源  15-16
  1.5 NO_x排放标准  16-17
  1.6 电站锅炉主要低NO_x控制技术  17
  1.7 本文的研究内容  17-19
2 国内外旋流燃烧器的发展现状  19-33
  2.1 旋流燃烧器的分类  19-20
    2.1.1 蜗壳式旋流燃烧器  19
    2.1.2 轴向叶片式旋流燃烧器  19-20
    2.1.3 切向叶片式旋流燃烧器  20
    2.1.4 总结  20
  2.2 美国B&W公司的DRB燃烧器  20-22
    2.2.1 DRB燃烧器  20-21
    2.2.2 EI-DRB燃烧器  21-22
    2.2.3 DRB-4Z燃烧器  22
  2.3 德国Babcock公司的DS型旋流燃烧器  22-23
  2.4 Steinmuler公司低NO_x燃烧器  23-24
  2.5 ABT双调风燃烧器  24
  2.6 日本的低NO_x旋流燃烧器  24-25
    2.6.1 PM燃烧器  24-25
    2.6.2 日本三井-Babcock公司LNASB燃烧器  25
  2.7 可控浓淡分离旋流煤粉燃烧器  25-26
  2.8 径向浓淡旋流煤粉燃烧器  26-27
  2.9 中心给粉旋流煤粉燃烧器  27
  2.10 总结  27-31
    2.10.1 中心管  27-28
    2.10.2 一次风管  28-30
      2.10.2.1 一次风速及一次风率  28
      2.10.2.2 煤粉浓淡分离装置  28-29
      2.10.2.3 稳燃环  29-30
    2.10.3 直流二次风  30
    2.10.4 二次风速及二次风旋流强度  30-31
  2.11 本章小结  31-33
3 新型低NO_x旋流燃烧器及其模化实验设备设计  33-43
  3.1 新型设计的低NO_x旋流燃烧器  33-36
    3.1.1 旋流燃烧器的主要设计特点  33
    3.1.2 旋流燃烧器的模型图  33-34
    3.1.3 旋流燃烧器的结构参数  34-36
  3.2 冷态模化原理  36-38
  3.3 模型设计计算  38-39
  3.4 冷态模化实验参数计算结果  39-40
  3.5 实验工况  40-42
  3.6 本章小结  42-43
4 旋流燃烧器中气相分布规律的研究  43-67
  4.1 引言  43-44
  4.2 热平衡法的原理  44-45
  4.3 实验装置及实验设计  45-46
  4.4 实验误差分析  46-47
  4.5 实验结果及分析  47-65
    4.5.1 温度的分布情况  47-52
      4.5.1.1 中心管扩角变化对温度分布的影响  47-48
      4.5.1.2 一次风率变化对温度分布的影响  48-49
      4.5.1.3 一次风速变化对温度分布的影响  49-50
      4.5.1.4 直流二次风速变化对温度分布的影响  50-51
      4.5.1.5 内二次风旋流强度变化对温度分布的影响  51-52
      4.5.1.6 外二次风旋流强度变化对温度分布的影响  52
    4.5.2 一次风浓度的分布情况  52-57
      4.5.2.1 中心管扩口变化对一次风浓度分布的影响  52-54
      4.5.2.2 一次风率变化对一次风浓度分布的影响  54-55
      4.5.2.3 一次风速变化对一次风浓度分布的影响  55-56
      4.5.2.4 直流风速变化对一次风浓度分布的影响  56-57
      4.5.2.5 二次风旋流强度变化对一次风浓度分布的影响  57
    4.5.3 混合强度的分布  57-59
    4.5.4 冷态煤粉浓度的分布情况  59-65
      4.5.4.1 冷态煤粉浓度的定义  59
      4.5.4.2 中心管扩角对冷态煤粉浓度的影响  59-61
      4.5.4.3 一次风率对冷态煤粉浓度的影响  61-62
      4.5.4.4 一次风速对冷态煤粉浓度的影响  62-63
      4.5.4.5 二次直流风对冷态煤粉浓度的影响  63-64
      4.5.4.6 二次旋流风旋流强度对冷态煤粉浓度的影响  64-65
  4.6 本章小结  65-67
5 旋流燃烧器中固相颗粒分布规律的研究  67-83
  5.1 引言  67
  5.2 燃烧器出口颗粒浓度分布测量方法简述  67-70
    5.2.1 直接取样法  67-68
    5.2.2 物质示踪法  68
    5.2.3 激光测量法  68-69
    5.2.4 粒子成像测速(PIV)  69
    5.2.5 NaCl食盐法  69-70
  5.3 实验装置及方法  70-81
    5.3.1 NaCl喷射及采集的方法与装置  70-71
    5.3.2 测点布置  71
    5.3.3 实验结果分析  71-76
      5.3.3.1 不同中心管扩角下气固两相流的分布情况  72-73
      5.3.3.2 不同一次风速下气固两相流的分布情况  73-75
      5.3.3.3 不同直流二次风速下气固两相流的分布情况  75-76
      5.3.3.4 不同旋流强度下气固两相流的分布情况  76
    5.3.4 颗粒最大浓度衰减特性  76-79
      5.3.4.1 不同中心管扩口下颗粒最大浓度衰减特性  77
      5.3.4.2 不同一次风速下颗粒最大浓度衰减特性  77-78
      5.3.4.3 不同直流二次风速下颗粒最大浓度衰减特性  78
      5.3.4.4 不同旋流强度下颗粒最大浓度衰减特性  78-79
    5.3.5 气固旋转射流颗粒横向扩散规律的研究  79-81
      5.3.5.1 不同中心管扩口对颗粒浓度横向扩散的影响  79
      5.3.5.2 不同一次风速对颗粒浓度横向扩散的影响  79-80
      5.3.5.3 不同直流二次风速对颗粒浓度横向扩散的影响  80
      5.3.5.4 不同旋流强度对颗粒浓度横向扩散的影响  80-81
  5.4 本章小结  81-83
6 旋流燃烧器冷态实验数值模拟  83-97
  6.1 引言  83
  6.2 FLUENT简介  83-84
  6.3 物理模型和数学模型  84-86
    6.3.1 物理模型  84
    6.3.2 数学模型  84-86
  6.4 计算的数值方法  86-87
    6.4.1 网格划分  86-87
    6.4.2 边界条件和收敛标准  87
  6.5 数值模拟的计算结果  87-95
    6.5.1 速度的分布  87-88
    6.5.2 不同中心管扩角下的速度分布  88-89
    6.5.3 不同一次风速下的速度分布  89-90
    6.5.4 不同直流二次风速下的速度分布  90-91
    6.5.5 不同旋流强度下的速度分布  91-92
    6.5.6 模型计算结果和实验结果的温度分布对比  92-95
      6.5.6.1 不同中心管扩角下的温度分布  92-93
      6.5.6.2 不同一次风速下的温度分布  93-94
      6.5.6.3 不同直流二次风速下的温度分布  94-95
      6.5.6.4 不同旋流强度下的温度分布  95
  6.6 本章小结  95-97
7 全文总结及展望  97-101
  7.1 全文总结  97
  7.2 本文得出的主要结论  97-99
    7.2.1 中心管扩口  97-98
    7.2.2 一次风速  98
    7.2.3 一次风率  98-99
    7.2.4 直流二次风速  99
    7.2.5 旋流二次风的旋流强度  99
  7.3 本文主要创新点  99-100
  7.4 本文不足之处及未来工作展望  100-101
参考文献  101-106
作者简历  106

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