（工程热物理专业论文）常温空气无焰燃气锅炉的强化换热和污染物减排研究.pdf

摘要 摘要 常温空气无焰燃烧不仅与传统的有焰燃烧不同，而且其实现方式与以往的无 焰燃烧也有所不同。它利用常温高速燃料射流、空气旋流和燃烧搅拌反应器实现 无明显火焰前沿的燃烧，能够明显改善工业炉内的热工状态并大幅度节能，能够 降低温室气体排放( 单位能耗的c 0 2 排放) 和氮氧化物( n o x ) 等污染物排放，并 且减小燃烧设备尺寸。对常温空气无焰燃烧技术的研究将有助于无焰燃烧理论的 发展和该技术在冶金炉、锅炉和窑炉等行业的应用。本文结合数值模拟和实验测 量研究了常温空气无焰燃烧的反应特征、常温空气无焰燃气锅炉炉膛的强化换热 和污染物( 氮氧化物) 生成控制。 搭建了一台立式燃气试验锅炉，以天然气为燃料，通过非预混的方式进行了 常温空气无焰燃烧实验，进行了温度场采样、热效率测试和烟气排放测试。分别 采用基于混合物分数的概率密度函数燃烧模型和耦合骨架化学反应机理的涡耗 散概念( e d c ) 燃烧模型，对常温空气无焰锅炉炉膛的燃烧进行了三维准稳态数 值模拟。通过对流场、氧浓度分布和温度场的分析，研究了常温空气无焰燃烧特 征。结果表明，基于混合物分数的概率密度函数燃烧模型由于采用了即混即燃的 假设，忽略了化学反应速率的影响，因而模拟的温度场与实测结果有较大的失真， 特别是在锥形射流混合区域。这也说明，常温空气无焰燃烧在这个区域并非即混 即燃，必须考虑湍流与化学反应过程之间的相互作用。而实测结果与e d c 模型 模拟结果基本一致，验证了该模型进行常温空气无焰燃烧模拟的正确性。对模拟 结果的分析表明，常温空气无焰燃烧首先通过高速射流和旋流的方式提高入射反 应物动量，配合入射反应流的常温条件，使得反应物在燃烧之前能卷吸更多的烟 气，形成了一个相对低温的射流混合区；第二，借助燃烧搅拌器结构，提高了烟 气循环量和热再循环量，保证了反应物浓度的降低和温度的提升；最终在射流下 游的一个宽厚的空间里发生了化学反应，形成了无焰燃烧。 通过简化分析的方式，对比了普通燃气锅炉和常温空气无焰燃气锅炉的换热 情况，对常温空气无焰燃气锅炉辐射壁和水冷壁的热流密度分布进行了数值模拟 分析，进行了锅炉热效率测试。结果表明，相比于普通燃气锅炉，常温空气无焰 摘要 燃烧炉通过在其内部安置燃烧搅拌反应器，延长了烟气在炉膛中的流动回程，增 加了燃烧搅拌反应器辐射壁与水冷壁之间的辐射传热，使锅炉水冷壁受到的辐射 传热占其全部传热的8 0 以上，而且水冷壁受热均匀，锅炉的热效率高于现有同 吨位的燃气锅炉，表明常温空气无焰燃烧方式确实强化了炉内换热过程。 应用甲烷氧化过程的骨架化学反应机理，对常温空气无焰燃气锅炉的污染物 浓度分布和生成速率进行了数值模拟分析，进行了污染物排放测试，研究了n o x 的生成区域和浓度分布，分析了n o x 的各种生成途径以及减排机理。结果表明， 采用常温空气无焰燃烧可以实现超低n o x 排放，n o x 排放的质量浓度低于 2 0 1 0 。6k g m 。3 ，n o x 主要在射流下游周围一个较宽广的空间生成，亦即高温低 氧的无焰反应区，由于消除了传统有焰燃烧的火焰锋面，热力型n o 锐减，快速 型n o 极低，n 2 0 转化型n o 成为主要的n o x 生成途径，n o x 排放的实测结果 与数值计算结果符合良好。 关键词：常温空气无焰燃烧，锅炉，燃烧搅拌反应器，辐射壁，涡耗散概念( e d c ) 模型，强化换热，氮氧化物( n o x ) a b s t r a c i a b s t r a c t n o r m a lt e m p e r a t u r ea i rf l a m e l e s sc o m b u s t i o n ( 珊c ) i sn o to n l yd i f f e r e n tf r o m f l a m ec o m b u s t i o n ，b u ta l s od i f f e r e n tf r o mf l a m e l e s sc o m b u s t i o ni ni t sr e a l i z a t i o n a p p r o a c h 。n t a f ce m p l o y sh i g hs p e e dj e tf l o wo fn o r m a lt e m p e r a t u r er e a c t a n t sa n d s t i r r e dr e a c t o rt oa c h i e v ec o m b u s t i o nw i t h o u tan o t i c e a b l ef l a m ef r o n t n t a f ci sa b l e t oi m p r o v et h eh e a tt r a n s f e rc o n d i t i o ni ni n d u s t r yb o i l e r s ，s a v ee n e r g ys i g n i f i c a n t l y , r e d u c eg r e e nh o u s eg a sa n dn o xe m i s s i o n ，a n dr e d u c es i z eo fc o m b u s t i o nf a c i l i t i e s u s i n gn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn t a f ca n dh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ti nn t a f cf u r n a c ea n dc o n t r o lo fp o l l u t a n tp r o d u c t i o nw e r e s t u d i e d a g a s b u r n e de x p e r i m e n t a lb o i l e rw a sb u i l tf o rn t a f cu s i n gn o n p r e m i x e dn a t u r a l g a sa n da i ri nn o r m a lt e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r ew a ss a m p l e da n dt h e r m a le f f i c i e n c y a sw e l la sp o l l u t a n te m i s s i o nw a st e s t e d u s i n gp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) m o d e lb a s e do nm i x t u r ef r a c t i o na n de d d yc o n c e p t ( e d c ) m o d e ls i m u l a t e dt h e q u a s i - s t e a d y3 dc o m b u s t i o ni nt h ef u r n a c e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tm i x t u r ef r a c t i o n m o d e lm a d ead i s t o r t i o ni nt h es i m u l a t i o no fc o n i c a lj e tf l o wa r e ad u et ot h e a s s u m p t i o no f “m i x e di s b u r n t ”a n dn e g l e c to fc h e m i c a lr e a c t i o nr a t e t h i sa l s o i n d i c a t e dt h a tt h ei n t e r a c t i o no ft h et u r b u l e n ta n dc h e m i c a lp r o c e s s e sm u s tb e c o n s i d e r e di nn t a f c w h i l et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t he d cm o d e l r e s u l t sb a s i c a l l y t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tn t a f cb o i l e rf i r s t l ye m p l o y e dh i 曲s p e e d j e tf l o wo fr e a c t a n t st oi n c r e a s et h em o m e n t u m ，a n do nt h ec o n d i t i o nt h a tt h er e a c t a n t s w e r ei nn o r m a lt e m p e r a t u r e ，t h ej e te n g u l f e da n de n t r a i n e dm o r ef l u eg a s ，a n dm a d ea r e l a t i v e l yl o wt e m p e r a t u r em i x i n ga r e a ；s e c o n d l y , i tt o o ka d v a n t a g eo ft h es t i r r e d r e a c t o rt oi n c r e a s ef l u e g a sc i r c u l a t i o na n dt h e r m a lc i r c u l a t i o n ，e n s u r e d t h e c o n c e n t r a t i o nr e d u c t i o na n dt e m p e r a t u r ei n c r e a s eo ft h er e a c t a n t s f i n a l l y , aw i l da n d t h j c kr e a c t i o na r e aa r o u n dt h ed o w n s t r e a mo ft h ej e tf l o ww a sf o r m e d ，w h i c hi st h e i i i a b s t r a c t f l a m e l e s sc o m b u s t i o nr e g i o n t h eh e a t t r a n s f e ri nt r a d i t i o n a lg a s b u r n e db o i l e rf u r n a c ea n dn t a f cf u r n a c ew a s c o m p a r e di n as i m p l i f i e da n a l y s i s t h eh e a tf l u xo ft h er a d i a n tp l a t eo ft h es t i r r e d r e a c t o ra sw e l la st h ew a t e rw a l lo ft h eb o i l e rw a ss i m u l a t e da n di n v e s t i g a t e d t h e r m a l e f f i c i e n c y w a st e s t e d e x p e r i m e n t a l l y t h e r e s u l ti l l u s t r a t e d t h a t ，c o m p a r e d t o t r a d i t i o n a lg a s b u r n e db o i l e r , t h es t i r r e dr e a c t o ri nt h en t a f cb o i l e rp r o l o n g e dt h e j o u r n e yo ff l u eg a si nt h eb o i l e rf u r n a c e ，i n c r e a s e dt h er a d i a t i o nb yt h er a d i a n tp l a t e s o ft h es t i r r e dr e a c t o r ，a n dt h ep r o p o r t i o no fr a d i a t i o nt ot h et o t a lh e a tt r a n s f e ro ft h e w a t e rw a l lw a su pt o8 0 ，a n dt h ew a t e rw a l lw a sh e a t e du n i f o r m l y t h et h e r m a l e f f i c i e n c yo fn t a f c b o i l e rw a sh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a lg a s b u r n e db o i l e rf o rt h es a m e e v a p o r a t i o nc a p a c i t y , w h i c hc o r r o b o r a t e dt h ee n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e ri nn t a f c f u r n a c e c o u p l i n gw i t hr e d u c e dc h e m i c a lk i n e t i cr e a c t i o nm e c h a n i s m so fm e t h a n eo x i d a t i o n ， t h es i m u l a t i o no fp o l l u t a n t sf o r m a t i o ni nn t a f cf u r n a c ew a sc o n d u c t e da n dt h e e x h a u s tg a sa tt h eo u t l e tw a st e s t e da n da n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t n o xf o r m e di naw i d ea n db r o a dr e g i o na r o u n dt h ej e td o w n s t r e a m ，n a m e l yt h e f l a m e l e s sc o m b u s t i o nr e g i o n ，a n dn o xe m i s s i o na tt h eo u t l e tw a sb e l o w2 0 x l o - 6 k g m - 3 d u et ot h eb r o a d e n e dr e a c t i o na r e a ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ew a sl o w e r t h a n1 7 0 0 ka n dt h e r m a ln of o r m a t i o nw a ss i g n i f i c a n t l ys u p p r e s s e dc o m p a r e dw i t h f l a m ec o m b u s t i o n p r o m p tn of o r m a t i o nw a sm i n u t e ，a n dn 2 0 一 n om e c h a n i s m b e c a m et h em a j o rr o u t eo fn o x a n dt h er e s u l t sw e r ea g r e e dw e l lw i t he x p e r i m e n t k e yw o r d s ：n o r m a lt e m p e r a t u r ea i rf l a m e l e s sc o m b u s t i o n ( n t a f c ) ，b o i l e r , s t i r r e dr e a c t o r , r a d i a n tp l a t e ，e n e r g yc o n v e r s i o n ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ， r e d u c t i o no fn o x ，p o l l u t i o nc o n t r o l i v 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 塑 捌年钿，o e 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 能源是人类社会生存的物质基础，能源的开发和利用是社会发展的动力，其 水平是人类文明的重要标志之一。我国经济的持续增长对能源的开发和利用提出 了更高的要求。作为能源生产和消费大国，2 0 0 8 年我国一次能源生产总量2 6 亿 吨标准煤，能源消费总量2 8 5 亿吨标准煤，均居世界第二位。然而，我国能源 利用效率低，环境污染严重；单位g d p 所需要的能源消耗为世界平均水平的3 倍左右，是日本、德国等发达国家的5 倍左右，二氧化硫和二氧化碳排放量分别 居世界第一位和第二位。 作为一个人口众多、人均能源储备低的发展中国家，中国正面临着巨大的能 源压力。一方面，经济要保持较快速度的增长，能源需求正处于持续增长阶段； 另一方面，又必须保护生态环境和保证社会可持续发展。2 0 0 6 年2 月，在国务 院颁布的国家科学技术发展中长期规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 的总体部署中，能源与环境 被作为首要的战略重点，并明确指出：“坚持节能优先，降低能耗，攻克主要耗 能领域的节能关键技术，大力提高一次能源利用效率和终端用能效率”。 尽管近年来科学技术的发展推动着新能源、新材料等学科的兴起，使得传统 燃烧学面临着重大的挑战，然而，化石燃料的燃烧仍是当今人类社会最主要的能 源与动力来源，占据着总能耗8 0 以上的份额；并且在可以预见的相当长时间内， 与燃烧相关的技术依然会是最为关键的能源动力与环境技术之一。 目前的锅炉、窑炉等燃烧设备中采用了一系列基于有焰方式的燃烧技术，虽 然这些技术已经日趋成熟，而这些技术所采用的有焰燃烧方式有其自身的弊端。 在有焰燃烧状态下，化学反应集中发生在狭窄的火焰前锋区域，使得这个火焰面 的温度相对较高。而温度太高，不但大量生成氮氧化物( n o x ) ，而且二氧化碳 ( c 0 2 ) 和水蒸汽( h 2 0 ) 会大量热解吸热，排烟中不完全燃烧产物增加。 无焰燃烧系列技术自上世纪9 0 年代开始逐渐兴起。燃烧是燃料和氧化剂发 生化学反应的过程。影响化学反应速率的因素有很多，包括反应物浓度、温度等 等。一般来说，提高反应物浓度或者提高温度都可以提高反应速率。粗略地讲， 第1 章绪论 无焰燃烧与传统燃烧的区别就是，传统燃烧是进入反应区之前反应物浓度高反应 物温度低，而无焰燃烧则是反应物浓度低反应物温度高。而且由于在无焰燃烧中 反应物浓度降低，使得反应区得以扩大，同时消除了传统燃烧中火焰面，即无传 统火焰前锋，因此被称为“无焰燃烧 。燃料在这种高温低氧气氛下燃烧，反应 发生在一个宽广的区域，有时甚至充满整个燃烧室，整个燃烧室温度分布均匀， 提高了燃烧室的容积热负荷，而且不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧 区，可将排烟中n o x 浓度控制在很低的水平，烟气中c o 和碳氢浓度也比较低。 由于无焰燃烧可利用燃烧产物的余热，使整个燃烧系统始终处于合适的温度以及 高的容积热负荷，因此，最高可节约能量达6 0 以上，降低设备尺寸以及污染物 排放3 0 左右。 1 2 研究现状 1 2 1 无焰燃烧的分类研究 国际上各个国家对于无焰燃烧提出了不同的概念并发展了各自的技术，获得 了一系列研究成果。 高温空气燃烧( h i t a c ) 高温空气燃烧技术( 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 ，简称h t a c ) 是日本的 田中良一等人在二十世纪八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本政府资助 下，由日本一些企业和研究所共同开发完成。田中良一领导的研究小组以陶瓷蜂 窝体作蓄热体，预热空气的温度仅比炉温低5 0 - - 一1 0 0 。c ；同时，在燃烧区将助燃 空气的氧含量由2 1 降到2 4 ，解决了高温空气燃烧下高n o x 排放问题。使 用高温空气燃烧技术，排烟温度低于1 5 0 。c ，低温烟气带走的能量只占燃料化学 能的1 0 左右，炉子的热效率接近9 0 。之后日本学者k a t s u k i ( 1 9 9 8 ) 等人进行 了进一步实验研究。实验技术包含两项基本措施：一是采用热回收率达8 0 以上 的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的热量，用于预热助燃空气，获得 温度为8 0 0 1 0 0 06 c 甚至更高温的助燃空气；另一项是采取燃料分级燃烧和通过 气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的氧气浓度，获得1 5 o 体积分数的低氧 气氛。具体实现方式是通过周期性改变四路换向阀，使燃烧产物和反应物往复交 替流过高效蜂窝状蓄热室，实现燃烧产物的热回收和反应物的预热，然后在燃烧 2 第1 章绪论 室内形成无焰燃烧。如图1 1 所示。 图1 1 周期换向热再循环炉结构简图( k a t s u k i1 9 9 8 ) 美国g u p t a ，b o l z 和日本h a s e g a w a ( 1 9 9 9 ) 利用高温空气燃烧炉，以丙烷为 燃料，获得了不同空气预热温度和不同氧浓度下的火焰特征，测试了包括o h 、 c h 和c 2 族特征发射光谱的分布以及火焰的污染物排放。观察到试验中火焰颜 色经历了从黄到蓝到蓝绿到绿的变化。在很高的空气预热温度并且低氧浓度条件 下观察到的火焰颜色是蓝绿色或绿色，在某些情况下观察到了无色的燃料氧化， 在高氧浓度条件下，火焰为黄色。火焰体积随空气预热温度的增加和氧气浓度的 减小而增加。火焰长度显示了相同的趋势。 3 圈12 不通氧浓度和进n 温度下的火焰 ! 片 丌本的c h o i ( 2 0 0 1 ) 研究了在预热空气或者用二氧化碳和氮气稀释的空气 的情况下，天然气的自燃界限和吹熄界限。提出了高温空气燃烧技术在预热反应 物到自燃温度以上以上并利用烟气再循环的情况下属于一种高级低n o x 燃烧技 术，效果如图13 。 心一勘一 礴心酉 疆。护灌。囊艇心蜩| 第1 章绪论 非预热空气 n o x 排 亩皇 p p 3 0 0 预热空气温度 旧技术 低n o x 枝术 福级低x 技术 空气质 量标准 图1 3 高温空气燃烧技术的低n o x 排放( c h o i2 0 0 1 ) 日本的t s u j ih ，g u p t aak , h a s e g a w at 等( 2 0 0 3 ) 在著作 0 2 5 ) 下，才可以将无焰燃烧过程作为良好搅拌反应器处理， 因为这种情况允许甲烷的不完全转化。研究得出，无焰燃烧包含两段氧化过程， 其中第一阶段是富燃情况下的稀释燃烧。 土耳其o z d e m i ri b 和德国p e t e r sn ( 2 0 0 1 ) 通过一个以甲烷为燃料的5 4 0 0 w 5 第1 章绪论 的燃烧炉实验研究了形成m i l d 燃烧的空气动力学、化学、热力学因素，着重研 究了混合速率、烟气循环率、和分散的燃料进口产生的强剪切力的影响。 黎 电 簟 矗挈 娶 蕲 鼍 鬈 高温空气燃烧 l c h 4 o j n 2 肛，a a t t | i l d 燃烧 t = i s 一 讲口温摩k 图1 4m i l d 燃烧的定义区域( c a v a l i e r e2 0 0 4 ) 图1 5 不同出口温度所对应的碳转化率和转化产物构成( d ej o a n n o n ，2 0 0 0 ) ( 均匀搅拌反应器模型，进口氧气体积分数0 0 5 ，c o 比率1 ：1 ，驻留时间l s ) 意大利c a v i g i o l oe ta l ( 2 0 0 3 ) 以甲烷和乙烷为燃料进行了实验室尺度的 m i l d 燃烧。结果表明，无焰燃烧可以降低n o x 排放至百分之一，而且一旦达 到焰燃烧状态，至少在研究的范围内，n o x 的降低就不随炉膛温度、燃料种类 6 第1 章绪论 或燃料热值而变化。研究还发现，要实现无焰燃烧，对于甲烷来说烟气再循环率 要大于4 ，炉膛温度大于8 0 0 到8 5 0 。c ，对于乙烷来说烟气再循环率要大于3 5 ， 炉膛温度大于6 0 0 到6 5 0 。 澳大利亚d a l l ye ta l ( 2 0 0 4 ) 通过实验和模拟研究了燃料混合对m i l d 燃烧 的影响。结果表明，喷口附近高的标量耗散率对形成m i l d 燃烧很关键，这等价 于喷口附近低的驻留时间。用惰性气体稀释燃料有助于实现m i l d 燃烧和降低 n o x 排放，这归因于混合物当量比的偏移造成了更高的标量耗散；惰性气体稀 释燃料的方法消除了高的射流动量的需要，并且有助于降低n o x 。 意大利d ej o a n n o n ( 2 0 0 5 ) 从混合物当量比和空气预热温度的角度研究了 m i l d 燃烧的稳定问题，指出了这种稀释燃烧的设计不能没有一个初步的、准确 的自燃过程分析。在所有的空燃比范围里空气预热温度达到1 4 0 0 k 以上可以保 持稳定的燃烧，而仅当达到两倍的当量空燃比的情况下1 0 0 0 k 的空气预热温度 才足够高。 无焰氧化f l o x 德国w i i n n i n gja 和w i i n n i n gjg ( 1 9 9 7 ) 研究了无焰氧化f l o x ( f l a m e l e s s o x i d a t i o n ) ，定义了烟气再循环率k v ： 勋； 堕 历f + 历4 其中，；l 为质量流速，下表e 、f 、a 分别代表再循环烟气、燃料和空气。 研究表明在炉温高于8 0 0 和高的烟气循环率的条件下可能实现无焰氧化，大大 降低热力n o x 。除了燃烧器附近区域，无焰氧化模式下的炉膛温度场和流动情 况与高速射流火焰相似。探讨了随着燃料喷口与空气喷口距离的增大，燃烧室从 有焰模式向无焰模式转变的过程。如 图1 6 所示。瑞士t a b a c c oe ta l ( 2 0 0 2 ) 基于f l o x 燃烧器对无焰燃烧进行 了理论分析和数值模拟。 7 第1 章绪论 苎：稳定火焰 帆 m m , b ：不稳定火焰 m r m e , e 无焰氧化f l o x 崦 0 图1 6 燃料喷1 ：3 与空气喷口分离实现无焰氧化( w c j n n i n g ，1 9 9 7 ) 这些学者和研究机构分别从燃烧原理、火焰形态、减排效果和采用的技术等 不同角度研究了无焰燃烧的特征，其差异均体现在燃烧装置的结构上。国际上各 种科研机构对无焰燃烧的基础研究仍在不断深入对机理进行更深入的探索， 扩展出一些新的燃烧方式，改进了描述该燃烧过程的数学模型和数值模拟方法。 我国在无焰燃烧方面的研究起步较早，特别是1 9 9 9 年北京召开高温空气燃 烧技术国际学术研讨会以后，无焰燃烧的研究得到了迅速发展。东北大学蔡九菊 教授等对高温空气燃烧炉内湍流混合特性进行了数值研究，对燃烧器和系统作了 若干的设计研究，提出了基于高温空气气化技术的多室蓄热式垃圾热解工艺。清 华大学祁海鹰教授团队对蜂巢蓄热体传热特性、高温空气燃烧的控制条件及排放 特性等做了系统深入的分析。中南大学蒋绍坚教授、萧泽强教授等对高温空气气 化技术进行了系统研究，并对高温空气燃烧技术作了大量的实例分析。北京工业 大学武立云教授提出了预热高温空气和燃料相对喷射燃烧的逆向式高温蓄热空 气燃烧技术，并对其作了数值研究。同济大学朱彤副教授与宝钢技术中心的饶文 涛高工等运用商用软件对高温空气燃烧作了大量的数值模拟。北京神雾、北京北 岛等单位都研制出具有各自特色的蓄热燃烧的关键部件，推动了高温空气燃烧技 8 第1 章绪论 术在我剧的商业化应用，已取得了显著的经济效益和社会效盏。 本实验室通过与高温空气燃烧不同的方式，即采用常温进气的方式，通过高 速燃料射流、空气旋流，并借助燃烧搅拌反应器，实现了无明显火焰前沿的燃烧。 如图1 7 所示。实验表明，常漏空气无焰燃烧技术能够明显改善普通工业炉内的 热工状态并大幅度节能能够降低单位能耗的温室气体摊放和氮氧化物f n o x ) 等 污染物捧放相比于高温空气燃烧技术，免去了燃烧设备外部的空气预热等设各， 能够进一步减小燃烧设备尺寸。 圈17 奉实验室所实现的常温空气无焰燃烧 1 2 2 无焰燃烧的形成机制 由于无焰燃烧受物理因素、热力学因素和化学因素等因素共同影响，目前对 无焰燃烧的详细形成机制仍存在争议。 对于无焰的形成机制，w i i n n i n g 等人( 1 9 9 7 ) 的研究显示，无焰燃烧的实现 需满足两个条件： i 、燃料和氧化剂反应之前必须预热到定的温度或炉膛温度充分高( 大于 燃料的自燃温度，对于甲烷米i 龅是8 0 0 1 0 0 0 k ) ： 2 、燃料和氧化剂反应之前必须混合足够多的烟气( 划气循环率k v 3 ) 。 如图1 , 8 所示，只有当1 、2 蠡件同时满足时，燃烧区域才发生在稳定的无 9 第1 章绪论 焰燃烧区域，此时，由于减少高温区域的驻留时间和降低燃烧区域的氧含量，抑 制反应发生时的火焰温度( 1 8 0 0 k ) 以及局部热点的生成，使在1 8 0 0 k 以上大 量生成的热力型n o x 得到控制。 1 2 0 0 p 簧8 0 0 遵 蠡 0 冀 ： ( 无焰燃烧区域 鬟某基三，、 不燃烧区域 、 o246 8 烟气循环率 图1 8 无焰燃烧实现模式图( w a n n i n g ，1 9 9 7 ) 无焰燃烧的湍流火焰相互作用特性主要表现为：由于反应物射流动量的增加 产生的强烈的烟气再循环导致反应区的湍流度要高于传统火焰，与此同时对反应 物的高度稀释使得化学反应速率降低，即化学反应时间尺度要大于湍流时间尺 度。 不同的燃料氧化剂混合方式也将影响无焰模式的形成。w i i n n i n g 等人( 1 9 9 7 ) 使用1 2 个高速空气入口围绕中心燃料入口，指出高速的高温空气射流形成的卷 吸作用是使火焰消失的重要影响因素。k u m a r 等( 2 0 0 2 ) 设计了在环形区域内布 置的六组6 空气喷嘴围绕1 燃料喷嘴的结构，在加引射环的燃烧室内也可工作在 无焰模式。 高的射流动量也是影响无焰燃烧的重要因素。通常无焰燃烧条件下都表现出 高速的燃料射流和空气射流及较小的流动时问尺度。d e r u d i 等人( 2 0 0 7 ) 研究含 氢燃料的无焰燃烧时也发现，随着射流速率增加，n o x 和c o 排放处于清洁范围 ( n o x 3 0 p p m ，c o 5 0 p p m ) 。 l o 第1 章绪论 1 2 3 无焰燃烧的数值模型 为模化无焰燃烧的数值模型，学者们采用了不同的湍流燃烧模型，针对不同 的计算条件，对无焰燃烧室进行了速度场、温度场、组分分布及n o x 生成物的 模拟。如表1 1 所示，计算模型基本基于简单化学反应假设和k 一湍流模型。 选取不同的计算参数和燃烧模型，对比了数值模拟和实验数据的异同。 表1 1 无焰燃烧的数值模型 1 3 本文的主要工作 现今对于无焰燃烧绝大部分的研究都集中在利用尾气预热空气到8 0 0 以 上来实现无焰燃烧。但是否只有预热空气才能实现无焰燃烧? 本实验室采用常温高速射流并利用燃烧搅拌反应器，在锅炉炉膛内成功实现 无焰燃烧反应，同样具有高效、低n o x 排放等优点，并且进一步缩小了设备体 第1 章绪论 积，强化了炉内换热。这种常温空气无焰燃烧不仅与传统的有焰燃烧不同，而且 其实现方式和反应区结构与以往的高温空气燃烧也有所不同。因此常温空气无焰 燃烧反应特征、炉内强化换热能力、n o x 的生成分析都是值得研究的问题。 1 3 1 研究内容 常温空气无焰燃烧反应特征、反应区结构分析 在已有无焰燃烧的研究基础上，根据通过常温空气无焰燃烧的实现方式，分 析入射反应物动量的提高程度、强湍流条件下燃烧器喷口附近点火过程的抑制、 新鲜反应物及反应产物的混合过程、烟气循环量、化学反应时间尺度和湍流混合 尺度的对比、炉膛内速度场、氧浓度分布、温度场，探讨常温空气无焰燃烧的形 成机理和实现条件，研究常温空气无焰燃烧的反应特征。 炉膛内热分析 通过有无燃烧搅拌反应器的烟气温度场对比，研究燃烧搅拌器结构的热堤坝 效果，分析燃烧搅拌器对维持炉内烟气热循环的作用。同时，应用简化的传热模 型，分析燃烧搅拌器对于炉内强化换热的效果。 氮氧化物分析 分析炉膛内部的n o x 的生成区域，n o x 的各种生成途径以及减排机理。 1 3 2 研究方法 分别采用基于混合物数的概率密度函数燃烧模型和耦合骨架化学反应机理 的涡耗散概念( e d c ) 燃烧模型，对常温空气无焰燃烧炉膛进行三维数值模 拟。 设计并搭建常温空气无焰燃烧炉，在炉膛内搭建燃烧搅拌反应器，以天然气 为燃料进行常温空气无焰燃烧实验，进行温度测量、热效率测试和尾气测试， 对数值模拟结果进行验证。 第1 章绪论 参考文献 【1 】1 艾元方，蒋绍坚，周孑民，等2 0 0 1 高风温无焰燃烧及其火焰特性的实验研究【j 1 热 能动力工程，1 6 ：6 1 5 6 1 7 【2 】2杜军，饶文涛，朱彤2 0 0 2 c f d 在蓄热式烧嘴设计上的应用【j 】工业加热，3 ：2 9 3 1 【3 】傅庆云，刘伟，张迎新，等2 0 0 4 各国能源概况【m 】北京：中国大地出版社 【4 】 黄素逸，高伟2 0 0 4 能源概论f m 】北京：高等教育出版社 【5 】蒋勇，邱榕，董刚，等2 0 0 6 基于一维全尺度湍流模型的氢气射流扩散火焰结构数 值模拟f j 】燃烧科学与技术，1 2 ( 5 ) ：4 0 1 - 4 0 7 1 6 1康心- - t ：忠，张伟，郭永红，等2 0 0 6 高温空气煤粉直燃技术的数值模拟【j 】工程热物理 学报，2 7 ( s 2 ) ：1 6 3 1 6 6 【7 】李灿，唐文武，梁卫民，等2 0 0 3 高温空气燃烧技术在我国的应用现状与发展前景 【j 】冶金能源，2 2 ( 2 ) ：4 1 4 6 【8 】李宇红，祁海鹰，苑皎，等2 0 0 1 预热温度影响甲烷高温空气燃烧特性的数值分析 【j 】工程热物理学报，2 2 ( 2 ) ：2 5 7 2 6 0 【9 】 刘赵淼，马重芳，武立云，等2 0 0 2 逆向式高温蓄热空气燃烧过程的数值研究【j 】工 业炉，2 4 ( 2 ) ：1 - 4 【1 0 】马晓茜，张凌1 9 9 9 h t a c 的关键技术及其高效低污染特性分析 j 】钢铁，3 4 ( 1 0 ) ： 6 0 6 3 【1 1 】欧俭平，萧泽强，蒋绍坚，等2 0 0 3 高温空气燃烧技术在钢包烘烤中的应用效果分 析【j 】工业加热，6 ：2 3 2 5 【1 2 】欧俭平2 0 0 4 高温空气燃烧技术在冶金热工设备上的应用及数值仿真和优化研究 【d 】：【博士】长沙：中南大学，1 - 1 4 6 【1 3 】欧阳德刚，肖坤伟，周明石，等1 9 9 5 蜂窝陶瓷辐射体非稳态传热特性研究【j 】钢铁 研究，( 2 ) ：5 5 5 9 【1 4 】祁海鹰，李宇红，由长福，等2 0 0 2 高温低氧燃烧条件下氮氧化物的生成特性【j 】燃 烧科学与技术，8 ( 1 ) ：1 7 - 2 2 【1 5 1 祁海鹰，李字红，由长福，等2 0 0 3 高温空气燃烧技术的国际发展动态【j 】工业加热， l ：1 - 7 1 6 1 石秀勇，李国祥2 0 0 7 基于拟序火焰模型的柴油机燃烧过程数值模拟【j 】车用发动 1 3 第1 苹绪论 _ - _ - _ - _ 一_ _ 一一 机，( 4 ) ：3 1 - 3 6 1 7 1 史俊瑞，解茂昭2 0 0 6 考虑弥散效应的多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟【j j - r n 热物理学报，2 7 0 ) ：5 1 5 5 1 8 【1 8 】苏正川，朱彤2 0 0 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