（工程力学专业论文）蓄热式高温空气燃烧系统动力学特性的数值研究.pdf

摘璺 摘要 本论文通过对高温空气燃烧技术不同的研究模型和工作条件的数值模拟，研 究了针对不同燃烧模型情况下燃烧方式、氧气浓度、预热温度、燃气速度等对燃 烧温度场和氮氧化物、二氧化碳等污染物排放的影响。 在对带有二级燃料的燃烧炉的数值模拟中，通过对不同氧气浓度、不同预热 空气温度和不同的二级燃气速度对炉膛温度场分布和污染物排放的影响分析和 比较发现，随着氧气浓度的下降，炉膛内的温度场更加均匀，同时氮氧化物和二 氧化碳的浓度也会降低。空气预热温度升高，炉膛内平均温度升高，并且最高温 度与最低温度的差值减小，炉内温度场更加的均匀，氮氧化物生成量增加，但是 增加的幅度随着氧气浓度的降低而减小，二氧化碳浓度相应增加但增加不大。二 次燃料速度对温度场的影响取决于燃料与空气的混合速度和扩散反应的双重影 响。燃料速度增加，氮氧化物和二氧化碳的排放减少。 在逆向式高温蓄热燃烧动态的换向过程中，对换向时间、预热空气温度、燃 料速度对换向阶段各氧气浓度燃烧特性的影响进行分析。研究结果表明，随着时 间的推移，炉膛内火焰的最高温度降低，平均温度升高，炉膛温度变得更加均匀。 随着氧气浓度的降低，氮氧化物浓度和二氧化碳浓度随时闾变化产生的变化幅度 减小，燃烧达到稳定所需要时间更短，燃烧变化更加平稳。预热空气温度上升， 炉膛内的最高温度和平均温度都有不同程度的上升；氮氧化物生成量也相应地增 加，但随着氧气浓度降低，影响逐步减小；炉膛内的二氧化碳最高浓度和平均浓 度也有不同程度的上升。在燃料速度为o 2 5 m s 和o 5 m s 对比分析中，综合考虑 温度场、氮氧化物浓度和二氧化碳浓度，在低氧条件下应优先采用燃料速度为 0 2 5 m s 的燃烧方式。 在对带有二次空气入口且有偏置距离的双燃烧器试验炉模拟过程中，在同 向、逆向和双向三种工况下分别考虑了氧气浓度的变化对炉膛内稳定燃烧特性和 动态燃烧特性的影响。通过对比，汪明了低氧条件下双囱工况由于髓个燃烧器的 相互干扰作用在静态和动态燃烧过程中更加具有优势。 本论文针对三个模型对高温空气燃烧的燃烧特性进行了分析比较，并首次对 高温空气燃烧中双燃烧器的相互1 ：扰进行分析，取得了大量的有益的分析结果。 北京j 二业大学工学硕士学位论文 研究成果丰富了高温空气燃烧的研究，并对工程实际问题具有一定的指导意义。 关键词高温低氧燃烧；氮氧化物排放：逆向；双向 a b s 7 r r a ( r a b s t r a c t c o m b u s t i o np r o p e r t i e so fh i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ( h t a c ) s y s t e m sw i t h d i f f e r e n tm o d e la n dw o r k i n gc o n d i t i o n sa r e n u m e r i c a l l ys i m u l a t e di nt h i sp a p e r m o r e o v e r , t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，n o xc o n c e n t r a t i o nf i e l d ，a n dc 0 2c o n c e n t r a t i o nf i e l d o fd i f f e r e n tm o d e lw i t ht h ec h a n g eo f o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，a i rp r e h e a t e dt e m p e r a t u r e ， f u e lf l o wr a t ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n d u s t r i a lf u r n a c em o d e lw i t hs e c o n d a r yf u e l f l o w s ，c o m b u s t i o np r o p e r t i e si n c l u d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，c 0 2c o n c e n t r a t i o nf i e l d ， a n dn o xc o n c e n t r a t i o nf i e l dw i t hc h a n g eo fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，a i rp r e h e a t e d t e m p e r a t u r e ，s e c o n d a r yf u e lv e l o c i t ya r ea n a l y z e d i tc a nb es e e nf r o mt h er e s u l t st h a t t h ew h o l et e m p e r a t u r ef i e l db e c o m e su n i f o r m ，t h ep o l l u t a n ti n c l u d i n gn o xa n dc 0 2 r e d u c e sw i t ht h ed e c r e a s i n go fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e p r e h e a t e da i rt e m p e r a t u r e ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，a n dm o r e o v e r , t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r ed e c r e a s e sw h i c h m a k et h ew h o l et e m p e r a t u r ef i e l db e c o m eu n i f o r m w h i l en o xc o n c e n t r a t i o nw o u l d i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ep r e h e a t e da i rt e m p e r a t u r e ，i tc o u l db ec o n t r o l l e db y d e c r e a s eo x y g e nc o n c e n t r a t i o n i na d d i t i o n ，c 0 2c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sal i t t l ew i t h t h ei n c r e a s i n go fp r e h e a t e da i rt e m p e r a t u r ea n da l s oc a nb er e d u c e dw i t ht h e d e c r e a s i n go fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n t h ei n f l u e n c eo fs e c o n d a r yf u e lv e l o c i t yt o w a r d t e m p e r a t u r ef i e l da r ed e c i d e db yt h ec o o r d i n a t i o no fm i x i n gv e l o c i t yb e t w e e na i ra n d f u e l ，a sw e l la sd i f f u s i o nr e a c t i o no fc o m b u s t i o n t h ep o l l u t a n te m i s s i o n ，n a m e l yc 0 2 a n dn o x ，d e c r e a s e sw h i l et h es e c o n d a r yf u e lv e l o c i t yi n c r e a s e s i nt h er e t r o r s ec o m b u s t i o ns y s t e mt h a t a i ra n df u e li n p u ti no p p o s i t ed i r e c t i o n ， t r a n s i e n tc o m b u s t i o np r o p e r t i e sw i t ht h e c h a n g e o fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，a i r p r e h e a t e dt e m p e r a t u r ea n df u e lv e l o c i t ya r en u m e r i c a l l ys t u d i e d i tc a nb eo b t a i n e d f r o mt h er e s u l t st h a tt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n da v e r a g et e m p e r a t u r ei nt h ef u m a c e d e c r e a s ea n dt h ew h o l et e m p e r a t u r ef i e l db e c o m e su n i f o r mg r a d u a l l ya f t e rc h a n g i n g t h ed i r e c t i o no fi n l e ta n do u t l e t w i t ht h ed e c r e a s i n go fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h e r a n g e a b i l i t yo fn o xc o n c e n t r a t i o na n dc 0 2 c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e s ，a n dt h et i m et o 1 1 i 北京上业人学丁学顺士学位沦文 t h es t e a d ys t a t es h o r t e na n dt h ec o m b u s t i o np r o p e r t i e sc h a n g es m o o t h l y w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ep r e h e a t e da i rt e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e ，t h ea v e r a g e t e m p e r a t u r ei n t h ef u r n a c ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fn o xi n c r e a s e ，m o r e o v e rc 0 2 c o n c e n t r a t i o na l s oc h a n g ei ns m a l lv a l u e t h ei n c r e a s eo fn o xc o n c e n t r a t i o nb r o u g h t b yp r e h e a t e da i rt e m p e r a t u r ec a nb ec o n t r o l l e db yd e c r e a s eo x y g e nc o n c e n t r a t i o n c o m p a r i n gt h en u m e r i c a lr e s u l t so ft e m p e r a t u r ef i e l d ，n o xc o n c e n t r a t i o na n dc 0 2 c o n c e n t r a t i o nf o rf u e lv e l o c i t y0 2 5 m sa n do 5 m s i tc a nb ef o u n dt h a tt h ew o r k i n g c o n d i t i o no fo 2 5 m su n d e rl o wo x y g e nc o n c e n t r a t i o ns h o u l db ea d o p t e di nt h e p r a c t i c ef i r s t i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n d u s t r i a lf u r n a c et h a th a st h es e c o n da i ri n l e t a n d t w oc o m b u s t i o nc h a m b e r st h a tt h e r ei sac e r t a i no f f s e tb e t w e e nt h e mi np a r a l l e l ， c o m b u s t i o np r o p e r t i e si n c l u d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，c 0 2c o n c e n t r a t i o nf i e l d ，a n dn o x c o n c e n t r a t i o nf i e l da r ea n a l y z e di n s t e a d ya n dt r a n s i e n ts t a t eu n d e rt h r e ew o r k i n g c o n d i t i o n s ，n a m e l yt h es a m ed i r e c t i o nw o r kc o n d i t i o n ，t h ei n v e r s ed i r e c t i o nw o r k c o n d i t i o na n dt h et w od i r e c t i o n sw o r kc o n d i t i o n i tc a nb es e e nf r o mt h er e s u l t st h a t s t e a d ya n dt r a n s i e n tc o m b u s t i o np r o p e r t i e su n d e rl o wo x y g e nc o n c e n t r a t i o nf o rt h e t w od i r e c t i o n sw o r kc o n d i t i o na r ei nt h es t a t eo f b e i n gp r e d o m i n a n ta m o n g t h r e ew o r k c o n d i t i o n sb e c a u s eo f t h ei n t e r a c t i o ni nt w ob u r n e r s c o m b u s t i o np r o p e r t i e so ft h r e ei n d u s t r i a lf u r n a c em o d e l sa r e n u m e r i c a l l y a n a l y z e di nt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yt h ei n t e r a c t i o ni nb u r n e r su n d e rt h et w od i r e c t i o n s w o r kc o n d i t i o na r en u m e r i c a l l ys t u d i e df i r s tt i m e v a l u a b l er e s u l t sa r eo b t a i n e dw h i c h e n r i c ht h es t u d yo fh i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ( h i t a c ) a n db e n e f i tt ot h e p r a c t i c e k e yw o r dh i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ；n o xe m i s s i o n ；t r a n s i e n tc o m b u s t i o n p r o p e r t i e s ；s a v ee n e r g y v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特月, j j d h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名寻淳；向 日期：翌! = 垒塑。曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名j 每源导师签名 刻叁整日期：兰堕二! ：2 f 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 人类的生活处处离不开能源，它是国民经济和社会发展的重要的物质基础。 新中国成立以后，尤其是改革开放以来，由于经济、文化等高速发展和人民生活 水平的快速提高，各种能源消费急剧增长，成几十倍、上百倍的速度增长着。如 1 9 5 3 1 9 9 5 年的4 0 多年时间内，我国人口、经济总量和能源消费量的增长倍数是： 国民经济总量增长2 4 倍；煤炭增长1 8 倍；石油增j 民1 4 4 倍。同时表现出能源消费 增长大于经济增长，经济增长又大于人口增长【”。因此节能工作是企业节约成本、 国家保护资源和改善环境的重要条件。改革开放咀来，我国的节能工作虽取得可 喜的成绩，但与发达国家相比，能源利用率仍然很低，差距很大。到2 0 0 1 年，日 本、美国、德国的能源利用率分别高达5 7 、5 0 、和4 0 ，全球的平均值也高 达3 3 ，而我国只有3 2 ，比以上三国分别低2 5 、1 8 、8 。我国的能源总的 利用率还不到发达国家的一半【2 j 。我国与发达国家的差别是很明显的。如果说8 0 年代是我国工业炉以节能为标志的年代，那么9 0 年代就是节能上水平和环保被重 视的年代。而2 1 世纪的头十年，将是创造新一代高效节能和绿色工业炉的年代。 节能和环保是工业火焰炉追求的永恒目标，也是衡量其水平高低的唯一标准。 目前，我国的能源的利用率低，产品单耗高，主要产品的单耗比起发达国家 平均高出4 0 左右。表1 1 是有关国家单位标准煤所产生的国内生产总值( g d p ) 的比较表口j 。可见，我国的宏观的节能潜力巨大，要取得节能的明显成效，需要 重点抓全国节能大户的节能工作。 表i i 每公斤标准煤产生的g d p ( 美元1 t a b l e1 ig i v e ng d p p e rk go fs t a n d a r dc o a l ( d o l l a r ) 中国日本 法国 韩国 印度世界平均值 0 3 65 5 83 2 41 5 6o7 21 8 6 在我国，机械和冶金领域中有大量的热处理装置，存在着大量的工业生产的 燃烧炉。工业炉反映了一个国家的工业综合水平，它涉及了冶金、机械、建材、 化工、电子等部门。客观的评价工业炉的水平，应该从以下几个方面进行分析， 包括炉型、加热元件与燃烧系统、余热回收与利用、筑炉利料与结构、热工测量 北京工业大学丁学坝士学位论文 与控制和环境保护等。 首先，在机械行、i p 中，先进的炉型所占比重不大，绝大多数为5 0 6 0 年代的 结构形式。按照锻件重量计算，5 5 以上为燃煤炉，且室式炉居多数，炉温波动 大，加工的质量差，热效率低，一般低于5 。 其次，余热的回收利用差。众所周知，对于燃烧炉而言，烟气带走的热量所 占比重很大，对机械行业的周期式加热炉、室式锻造炉、，炉温均在1 15 0 1 2 5 0 ，排烟温度约为1 0 0 0 1 1 5 0 ，烟气带走的热量为总收入的6 0 7 0 。机械部 曾调查了7 7 9 8 台炉窑，其中安装余热利用装置的只有4 1 7 台，只总数的占5 3 ， 而且余热效率低，空气的预热温度一般只有2 0 0 左右。 还有，污染物的排放比较严重。环境保护是全人类都关心的一个问题。我国 工业炉窑耗能约占全围总能耗2 5 ，在进行节能改造的同时，进行污染治理，降 低有害气体( c o ，n o x ，s 0 2 ) 及烟尘的排放吼世界1 0 个污染最严重的城市，我 国就占了7 个i 。 因此，随着我国能源和环保的要求，研究适应我国国情的低成本的低污染物 排放技术有着良好的前景，大力发展高温空气燃烧技术，符合我国可持续发展的 战略目标，也是本论文的研究意义所在。 1 2 本课题国内外的发展 高温低氧燃烧技术( h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ，简写h t a c ) ，是田中 良一等人与八十年代末提出来的一种新概念燃烧技术，九十年代初开始工业性试 验和生产规模化应用，节能和环保效果十分明显f 5 j 。高温低氧燃烧的节能和环保 的作用，吸引了人们的从理论和工程实际去研究。近年来，日本、英国、美国等 发达国家已投入了大量的人力和资金加紧研究开发高温空气燃烧技术1 6 “2 1 。1 9 9 8 年开始的三年时间，日本政府新能源开发机构( n e d o ) 投z , 3 5 亿日元，企业投入 8 6 亿元，推广燃烧新技术。范围涉及到加热炉2 3 座，热处理炉2 9 座，熔化炉6 座 t 3 1 。瑞典政府在欧共体的支持下，1 9 9 6 年6 月投入1 0 0 0 万瑞士克朗资助瑞典国家 钢铁公司在钢坯加热炉作高温空气燃烧技术的工业应用试验，同时资助瑞典皇家 工业院热工和炉窑实验室建立_ 2 0 0 k w 实验装置，进行基础和技术支持性研究。 日本n k k 公司对空气和燃料的流速、燃料喷射角度、预热空气温度、最佳的炉 体高度以及燃烧的炉膛温度和废气中n o x 的浓度进行了详尽的分析和研究1 5 “”。 第】章绪沦 美国、荷兰、德国等国家也对高温空气燃烧的节能和污染物的排放进行了大量的 研究1 8 瑙1 。发达国家在研究和开发高温空气燃烧技术已经取得了7 0 多项专- , f q t 2 ”， 相应制约了我国该技术的发展。 我国从8 0 年代开始研究蓄热燃烧技术，而从9 0 年代初开始引进高温空气燃烧 技术。起初只是从应用角度进行蓄热燃烧、节能降耗、和提高燃料的适用方面的 工作，近年来才开始对高温低氧燃烧的火焰特性和燃烧机理以及理论方面进行比 较深入的研究 5 , 2 8 3 0 。 国内的高校、科研单位和企业如机械部第五设h - i 皖 3 “、清华大学【珏3 5 、中 南工业大学排3 外、北京科技大学4 0 4 2 1 、武汉钢铁研究总院n 河海大学、国 家电力热工研究院、武汉大学4 5 叫6 1 、鞍山热能研究院、上海理工大学4 9 1 、 东北大学5 5 引、北京工业大学f 5 “、株洲工业炉制造公司【3 7 i 、济南钢铁集团总 公司5 ”、鞍山集团公司1 4 7 、北京神雾科技有限公司、大连北岛能源技术发展有 限公司、唐钢集团f ”1 、华南理工大学m i 、韶钢三轧厂【6 1 】等，他们所做的研究 方向和侧重点各不相同，有侧重于实际应用，如炉型、蓄热体、换向阀等关键部 件的选择和特性的比较，有侧重于火焰特性的研究，如换向时间、燃料空气流 速、氧气浓度对火焰特性和污染物的排放的影响。但是更多的是前者，侧重于实 际应用的多。 总的来说，国内的研究总的来说有以下几个特点：第一，由于我国长期对能 源的浪费比较严重，所以对该技术的节能方面相对来说比较关注，而对污染物的 排放关注相应的不够。第二，由于对经济效益的要求，现在对高温低氧燃烧技术 普遍停留在实际应用的方面，如具体关键部件的选取，而对理论和燃烧特性的研 究和了解都不多。第三，高温低氧燃烧的实验研究普遍都停留在具体试验阶段， 数值研究的不多，而对污染物的排放的数值模拟方面的就更不多了，这就是我们 急需解决的问题。 1 2 1 炉体燃烧关键部件的研究 燃烧关键部件主要包括蓄热体的选择、换向阀的选择、炉型的选择等几个方 面。 ( 1 ) 蓄热体的研究蓄热体是高温空气燃烧的关键部件，从蓄热燃烧研究开始 就一直被关注。蓄热体应该具有蓄热量大、换热速度快、结构强度好、耐高压耐 北京工业大学= | 二学缺上学位论文 高温、抗氧化抗腐蚀、压降阻力系数小和经济耐用等特点。 ( 2 ) 换向阀的研究高温空气燃烧由于蓄热的特点要求燃烧必须在一定的时 间内实现换向、切断、接通的功能。换向的时间主要取决于蓄热体的蓄热和换热 能力。由于通过换向阀主要是待预热的空气和己经降温的烟气，所以温度不是很 高，故温度应力不大，但是因为换向阀需要频繁启动和关闭，应考虑阀门的工作 寿命和可靠性问题。 ( 3 ) 炉型的选择炉型的选择其实包括很多方面，有炉内材料的选取、炉膛形 状设计、烧嘴配置等。炉体内衬材料一般选取耐火度高和导热系数低的耐火纤维。 炉膛内烧嘴配置决定了轴向燃烧、侧燃烧和顶燃烧等各种形式。 1 2 2 燃烧机理的研究 ( 1 ) 实验研究国内高校如中南工业大学对火焰的特性进行了较多的实验研 究，侧重于燃烧和空气的预热温度对火焰特性的影响【6 2 】。n 夕i - 女h 瑞典皇家工业院 对于高温燃烧的实验研究较多，并且取得了一定的成果【6 3 1 。 ( 2 ) 数值模拟对于燃烧机理的研究除了实验研究，还有数值模拟。实验研究 是不可替代的，很有必要。但是数值模拟相对于试验研究来说，也有很多优点和 不可替代的方面。实验往往耗资巨大，时间周期一般相对来说长。数值模拟随着 相关硬件和软件的升级，已经具备了模拟某些工程实际的要求了，还有数值模拟 在提取数据方面相对来说方便很多，实验研究某些数据的提取相对来说要困难很 多。现在国内外的很多学者在燃烧的数值模拟方面都做了大量的工作。萧泽强和 日y g n f k 高风温无焰燃烧实验炉进行数值模拟并对燃烧机理进行了研究，为国内 的研究提供了部分的理论依据。清华大学热能工程研究所对蜂窝陶瓷体的传热特 性和换向时间进行了数值模拟研究，确定换向最佳时间。中南工业大学能源与动 力学院也对蜂窝蓄热体热工特性进行了数值模拟的工作。北京工业大学刘赵淼和 王亲猛对高温空气燃烧过程中氧气浓度和燃气的流速对火焰特性的影响和互补 型高温蓄热空气燃烧系统的动力学特性和n o x 排放进行了数值模拟，对高温空气 燃烧的机理进行了一定的研究。 1 3 本文的研究内容和技术路线 目前一般的蓄热式燃烧器的工作原理如图1 一l 所示，炉子的燃烧器都是成 对安装的，可以在同一侧，也可以对称分布。这样，当燃烧器a s 作的时候，通 第1 簟绪论 向燃烧器a 的燃气和空气阀门扣开，室温的空气经过蓄热体的时候被加热，与燃 气混合后燃烧，经炉内换热后，通过燃烧器b 排山炉体，同时把燃烧器b 的蓄热 介质加热。这样经过适当的时间，通过换向阀切换，b 燃烧器工作，燃烧器a 排 出烟气，如此周而复始，完成蓄热燃烧过程。 蓄热式燃烧不仅要解决节能的问题，还要解决污染物排放的问题。污染物的 排放包括氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳等的排放。其中氮氧化物包括主要包括 n o n n o x 。氮氧化物的生成机理主要有三个方面：热力型机理、燃料机理和瞬 时机理。热力型机理生成氮氧化物主要是在高温状况下产生的，燃料机理是燃料 图卜1 蓄热式燃烧器工作原理图 中的含氮化合物在燃烧过程中被氧化而生成的，瞬时机理与燃料机理相似，是 c h 与n 2 先结合生成h c n ，最后被氧化生成氮氧化物，通常是在富烃燃料燃烧时 产生的。当温度超过1 8 0 0 k 的时候，反应是向着氮氧化物的生成方向进行的而且 其生成速率远远小于碳氢化合物燃烧时的速率，大约小两个数量级，而炉内燃烧 的主要目的是加热产品，炉温通常维持在远低于火焰绝热燃烧的温度以下，还有 燃起的燃烧反应通常在瞬间完成的，生成高温的燃料产物进入温度较低的炉膛环 境中，热力型的氮氧化物的生成反应就被抑制了。利用以上的原理，我们可以降 低燃烧反应的高温区的温度，降低高温区的0 2 和n 2 浓度，减少燃气在高温区的停 留时间都可以降低氮氧化物的排放。另外，合理的调节空燃气比、燃气和空气 的混合速率也可以有效的降低氮氧化物的排放。 北京工业大学工学硕士学位论文 解决氮氧化物的排放的低n 0 x 燃烧技术到目前为i e ，国内外有关措施主要有 两种：一种方法是燃气空气分级燃烧。分级燃烧包括空气分级和燃料分级两种。 空气分级是将燃烧用的空气分阶段进入炉内，在燃料与一次空气结合燃烧时，使 燃料在缺氧的条件下燃烧，首先生成c o ，可以将n o x 分解，抑制燃料n o x 和热 力n o x 的生成。然后将剩余空气输入炉内。这样，火焰的高温区域温度低，不会 生成大量的n o x ，可以实现低n 0 x 排放的目的。燃料分级是将燃料分多次输入炉 内，这样可以形成多个燃烧区域。一次燃料燃烧区域是贫燃料区域，二次燃料燃 烧区域一般处于一次燃烧区的下游，形成了部分的富燃料燃烧区域可以还原n o 。 的再燃烧区域，将一次燃烧区域生成的n o x 还原为n 2 ，这样可以大大的降低n o 的排放，幅度可以达到5 0 。另一种方法是燃气与空气成一定角度喷入炉内，使 燃气与空气逐步混合，达到延缓燃烧，降低n o x 排放的目的。在这两种方法中， 一般都需要采取烟气回流的技术，在实际应用中，就需要增加烟气循环装置，加 大运营成本。而且这样氧气浓度很难稳定的降到足够小的程度，实现稳定的低氧 燃烧【6 5 】。 本文对高温低氧燃烧的同向式燃烧、逆向式燃烧和双向式燃烧作了具体的比 较，希望能对具体的工程应用提供有益的指导。逆向式燃烧如图i 2 所示与同向 图l 一2 逆向互补型蓄热高温空气燃烧装置( 单体) 示意图 f i g1 2h i g ht e m p e r a t u r ea irc o m b u s t i o no fr e t ) o r s er e g e n e r a t i v eb u r n e r s k e t c hm a p 第1 童绪论 式燃烧不同，不但考虑了节能，更加侧重于低n o x 的排放的研究。逆向式燃烧对 于燃烧器之间的配合工作要求更高，需要把多个燃烧器综合成一体考虑，其中的 每个燃烧器都与其它的燃烧器协调工作，按照一定的次序和要求完成燃气、空气 的供给，燃烧和排出烟气，火焰在燃烧的过程中燃气与空气都远离化学当量，这 样可以降低火焰温度，抑g n o x 的大量生成。互补型蓄热的逆向式燃烧将燃烧空 间扩展到了整个炉膛，使得整个炉膛的温度更加均匀，降低了火焰的最高温度。 双向式燃烧是在图l 2 基础上，两个燃烧器同时供给燃料，空气供给方式与逆向 式燃烧相同。由于两个燃烧器同时工作，可以提高炉膛内温度，同时两个燃烧器 可以实现相互干扰，使每个燃烧器的燃气燃烧火焰处于另一个燃烧器燃气燃烧火 焰的下方，可以实现低氧燃烧，减少氮氧化物的排放。 常规型的高温低氧燃烧是同向式燃烧，无论在反应的上游区还是下游区燃料 和空气都足同向改变的，空气的过剩系数都比较大，而且同向式燃烧的火焰通常 很长，火焰温度偏高，造成生成n o x 生成量过多。逆向式燃烧空气和燃气是逆向 供给的，燃气入口出燃气浓度较大，但助燃空气已经混入了燃烧产物，氧气浓度 变小了；而在火焰的下游地区，空气浓度虽然大，但是燃气已经被消耗一部分而 且被燃烧产物稀释，这样整个炉膛的燃气和空气都远离化学当量比，从而避免了 大量的热力型n o x 的生成。双向式燃烧由于两个燃烧器相互干扰，也可以实现燃 气和空气都远离化学当量比，减少氮氧化物生成。因此本文考虑到同向式、逆向 式和双向式燃烧的这些特点，模拟了三者的燃烧，并且对三者进行对比。 为了使模型更加的切合实际，部分模型采用了多级燃料和多级空气的入口条 件。 本文的主要工作是数值模拟氧气浓度、空气和燃气的预温度、空气和燃气的 流量的变化以及空气燃料供给方式对高温空气燃烧的稳态和换向瞬态燃烧特性 和n o x 等污染物排放的影响。本文的计算流体分析软件采用c f x 。具体的研究内 容包括： ( 1 ) 带有二级燃料的燃烧炉的温度场和污染物模拟，分别考虑不同氧气浓度、 不同预热空气温度和不同的二级燃气速度对炉膛温度场分布以及污染物排放的 影响。 f 2 1 逆向式高温空气燃烧换向的动态数值分析研究，考虑换向时间、预热空 北京 ：业大学工学硕士学位论文 气温度和燃气速度对于换向阶段不同氧气浓度燃烧特性的影响。 ( 3 ) 带有偏置距离的双燃烧器小型实验炉的多工况的数值模拟，分别考虑了 同向工况、逆向工况和双向工况三种工况在不同氧气浓度下对炉膛内稳定燃烧特 性和动态燃烧特性的影响。 本文基于以上模型的数值模拟结果，将有助于具体工程实际问题的应用，并 提供一定的具有建设意义的技术指导。 第2 章数值模拟巾采用的研究方法 第2 章数值模拟中采用的研究方法 燃烧过程是一个复杂的过程，包括流动( 包括湍流) 、传热传质和化学反应控 制的极其复杂的物理化学过程f 6 5 i 。燃烧是带有剧烈的化学反应的流动现象，实际 燃烧过程中包含流动、传热、传质和化学反应以及他们之间相互作用的物理化学 反应过程，以解析方法为手段的经典燃烧理论，只有在大量理想化之后，才能得 到某些定性关系。计算机的出现，促进了燃烧学与数值方法的结合。近年来，随 着计算机硬件的升级、燃烧理论的发展和商用软件的日益成熟，燃烧的计算模型 如传统的扩散燃烧、预混燃烧、层流燃烧和湍流燃烧等都有了相对成熟的模型， 可以进行大规模的实际工程的数值模拟。但是高温空气燃烧与传统的燃烧在热力 学、反应动力学等很多方面都与常规燃烧不同，现有的部分理论难以进行解释， 所以必须选择一些采用一些较为合理的模型加以解释。本章主要介绍本文在数值 研究中所采用的物理模型、数学模型和研究方法。 2 1 流动的数值模拟 在燃烧过程中，质量输运、动量输运、能量输运都是同时存在的，它们之间 有一定的内在联系，这些关系可以组合成三个无量纲数。 动量和热量输运之间关系，可用运动系数v 和热扩散系数a 的比值来描述， 称为普兰特数( p r a n d t ln u m b e r ) ： 胁言。而, u p 2 孵肛( 2 - i ) a 丸 c p j p t、 式中兄混合气的导热系数( j ( s m k ) ) 。 普朗特数丹表示了动量和热量输运相对难易程度，不同气体n 都为o ，7 左右， 而且温度和压力的变化都对其影响不大，因此计算中，为了简化，可通过动力粘 性系数和丹来确定导热系数。 动量和质量运输之间关系可用施密特数( s c h m i d tn u m b e r ) 来表示： s c = 亡= ，, p d ( 2 - 2 ) 通常，可用来表示动量和质量运输相对难易程度，对于一般馄合气体， s c = o8 ，因此扩散系数d 可通过粘性系数和来确定。 北京上业大学_ f = 学碗上学位论文 蹯易勋数( l e w i sn u m b e r ) 是热扩散糸数丰日扩散糸数比值： 址罢：吴：加c ，p ( 2 - 3 ) p rd “ 对于大部分混合气体中，l e 接近于1 。 在实际燃烧过程中，p r 、s c 和l e 都随混气的组成、温度和压力的变化，但 这三个无量纲数都很接近于1 。通常在燃烧理论分析中，假设它们都等于t 。 实际燃烧过程中，气流的流动大都是紊流流动，所有的物理量都是空间和时 间的随机变量，但是紊流流动仍遵循连续介质一般运动规律，并具有一定规律的 统计学特征，其瞬时量仍然满足粘性流体运动的方程( n s 方程) 。 ( 1 ) 连续性方程： 百o p + ( 沪。 ( 2 4 ) 式中 ( 以) 直角坐标系下分量形式 砉( ，) = 昙( 肛) + 去( ) + 昙( 川 ( 2 _ 5 ) 公式( 2 4 ) 表示进入单位体积的静流率等于密度的增加率。 ( 2 ) 其次是动量t ) - 程： 知) + 毒( 州一百6 q o - # 峨 ( 2 - 6 ) 式中仃。粘性应力 2 p 艿o - a ( 毒+ 鲁，+ 詈善毛 c z 忉 式中既克鲁内克尔函数 毛= 篡； 陋s ， 公式( 2 6 ) 表示单位体积的i 方向动量的增加率等于i 方向动量进入此单位体积的 静流率加上作用于该单位体积的静体积力。 f 3 1 化学组分方程： 第2 鲞数值模拟中采用的研究方法 c 刚+ 毒c 户毒c 厂鲁m 。 陋。， 式中月。包括化学反应引起的产生( 或消耗) 率以及颗粒反应产生的质量源 m 。化学组分a 的质量分数 肌a 2 告2 参 厂。化学组分a 的交换系数 ( 2 1 0 ) l = 加。( 2 - 1 1 ) 式中d 。化学组分a 的扩散系数。 公式( 2 9 ) 表示化学组分口的质量增加率等于组分n 进入单位体积的静流率加上 单位体积中由于化学反应引起的产生( 或消耗) 率。 ( 4 ) 能量方程： 鲁c 旃一p ，+ 毒c = 毒卜筹+ 莓q 等 + 见 c z m ， 式中见组分a 的反应热； 幺剪切功流入的静速率和反应所产生和吸收的热能、辐射能、电能等： 厂。热交换系数 l = 三( 2 1 3 ) 式中c 。定压比热。 h 滞止焓 h = h + p p( 2 - 1 4 ) h = h + vp 2 。 ( 2 1 5 ) 公式( 2 1 2 ) 表示内自7 , d r i 动能的增加率等于滞止焓以对流与扩散两种方式流入单位 体积内的静流率，再加上源项巴。 北京上业人掌工学硕士学位论文 而普朗特数n 则可以写成 n = 等2 考 陋，e ， l， 2 2 燃烧过程的数值模拟 实际的燃烧过程是十分复杂的物理和化学变化，如果全部反应都加以考虑则 计算量十分庞大。为了减小计算量，必须对反应过程进行合理的简化。 碳氢燃料与氧的化合所引起的燃烧过程十分复杂，其燃烧反应包含几种或几 十种组分、几个或几百个基元反应的复杂反应。在实际计算中，为了实际工程的 需要复杂反应过程可以简化为简单的化学反应过程或系统，近似计算燃烧速率和 热力学参数，而不去研究其中反应机理f 6 6 1 。 在燃烧反应中，如果在同一点燃料和氧化剂并存，假设一个瞬间反应会发生 并生成燃烧产物。燃料和氧化剂可假设以一定的化学计量比i 相结合，即： l k g 燃料+ i 起氧化剂_ ( 1 + i ) k g 产物 例如： c h 4 + 2 0 2 - - - * c 0 2 + h 2 0 + 5 0 0 1x1 0 4 k j 它忽略了化学反应各中间过程以及中间产物，把化学反应简化为单步不可逆反 应。式中i 为理论氧气量，即完全燃烧l k g 燃料在理论上所需要的氧化剂量，也 可称为化学当量比，仅与燃料和氧化剂种类有关，而与状态无关。系统中各组份 的交换系数厶，f o x 和厂，彼此相等，假设路易斯数上e = 1 ，而且各组份的比热 相等，与温度无关。 各组份燃料与氧的质量守恒方程可分别写为： 毒c p u j m f 。，一考n 等川 p 毒c p u y mo x ，告n ，等“ 亿哟 式中m 质量分数； 向代表燃料； o x 代表氧化剂。 第2 章数值模拟中采用韵研究方让 假设，m = 厂。，r a = r o x i 式( 2 1 7 ) 1 3 ( 2 - 1 8 ) 两式合并 设混合分数， 等胁加矿m ) 卜善 厶丢( 一j ) 】- 0 ( 2 - 1 9 ) 则公式( 2 1 9 ) 简化为 f = m m m 。i( 2 - 2 0 ) 毒c 厂，秘。 陋z ， 公式( 2 2 1 ) 为混合分数厂的守恒方程，公式的特点是右边等于零，是一个无源方 程，求解传输方程更为方便。 混合分数是一个守恒量，令 z = 州m 将公式( 2 2 2 ) 代入公式( 2 2 0 ) 口7 得 ( 2 2 2 ) 厂：羔1 立( 2 2 3 ) x 缸一z 。t 在炉膛燃烧过程中，通常是由两股气流组成的，一股是燃气，另一股为空气。假 设燃气的流量为f k g ，空气流量为f 1 一f ) k g ，混合后混气的流量为l k g 。又设燃 气中全部为燃料，即m 巾，= l ，空气中氧的质量分数为。燃气与氧混合后发 生反应，燃料从f k g 减少到m f u , m k g ，氧由( 卜f ) m 。k g 减少到m