（动力机械及工程专业论文）低热值煤气燃烧过程的数值模拟与实验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 州i l i i i l i i i i l l i i i i l | i l l i i i i l l l i l y 17 8110 1 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。一 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：弘卜年 导师签名：扣 、- 一1j ，_ l 导师签名：们州岬 、i 、 签字日期：f d 年6 月 1】1-一 一11】 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 低热值煤气燃烧过程的数值模拟与实验研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o n b u r n i n gp r o c e s so fl o wc a l o r i f i cv a l u eg a s 作者姓名：张健 导师姓名：李国岫 学号：0 8 1 2 1 9 1 6 职称：教授 学位类别：工学学位级别：硕士 学科专业：动力机械及工程研究方向：节能与环保 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 j l r i j 1 致谢 本论文是在导师李国岫教授和清华张衍国副教授的精心指导下完成的。在学 习、科研工作中，导师谆谆教导使我受益匪浅。导师渊博的学识，严谨的治学风 范，诲人不倦的育人态度，求实上进的精神以及处处为他人着想的高尚品质令我 终生难忘，并且激励着我在今后的人生中要不断进取，自我完善。谨此向导师表 达衷心的感谢! 在课题研究过程中，得到了清华课题组李清海老师、蒙爱红老师、姚忠建老 师的悉心指导和热心帮助，在此向三位老师表示深深的谢意! 感谢清华课题组王有才工程师、王亮工程师、谢毅老师在我攻读硕士学位期 间给予我学习、生活上的帮助! 感谢清华课题组刘伟师傅、于爱军师傅在实验台搭建过程中给予我的帮助! 感谢虞育松师兄、姚宝峰师兄、赵鹏师兄、李永平同学、杨晨波同学、李苗 倩同学、关秀玲同学对我的科研工作和论文提出的宝贵意见! 感谢z 9 0 3 实验室的全体成员，在两年的学习和研究中，大家互相帮助，共同 进步，在此期间，我受益颇丰。祝实验室越来越好! 感谢那些曾给予我帮助但一时难以念及的老师、同学和朋友! 最后，感谢我的家人，他们多年来对我无微不至的关怀与无私的奉献都是我 顺利完成学业的最终保障! 1 0lrrrl i-r-z ，1， 中文摘要 中文摘要 摘要：在工业生产某些过程中有大量的低热值煤气产生，由于含有大量惰性 气体，因而发热量很低、着火困难、燃烧性能差。为了有效利用这些低品质的煤 气，节能减排，本文设计开发了一种新型的低热值煤气燃烧系统，基于数值模拟 与实验研究的方法对该燃烧系统的燃烧特性进行了研究。 首先，建立了低热值煤气燃烧过程实验台，设计开发了燃料系统、送风系统、 燃烧系统、数据采集系统、后处理系统。重点设计开发了低热值煤气燃烧系统， 燃烧系统由低热值煤气燃烧器、燃烧室以及独特的蓄热体结构组成。 其次，在应用g a m b i t 软件建立了低热值煤气燃烧系统的三维模型的基础上， 应用f l u e n t 软件进行了流动与燃烧过程的数值计算，获得了低热值煤气燃烧过程 的压力场、流场、速度场、温度场和浓度场，并进行了详细的分析。 第三，研究燃烧系统参数对低热值煤气燃烧过程的影响，分析了空气预热温 度、煤气预热温度、富氧浓度以及空气过量系数对低热值煤气燃烧过程的影响规 律；对低热值煤气燃烧系统的结构进行了优化，得到了最佳喷口角度以及最佳蓄 热体结构。利用正交设计法分析了各参数对燃烧过程影响的显著程度，为低热值 煤气燃烧过程的实验研究提供了一组最佳参数组合。 最后，在搭建的低热值煤气燃烧过程的实验台上，对低热值煤气燃烧过程进 行了实验研究。研究了不同空气预热温度对低热值煤气燃烧过程的影响。同时， 对低热值煤气燃烧过程的数值模拟结果与实验研究结果进行对比研究，验证了数 值模拟结果的准确性。 关键词：低热值煤气；燃烧过程；数值模拟；实验 - 一 粕 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h e r ei sal o to fl o wc a l o r i f i cv a l u eg a si ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， a n dt h e yh a v ev e r yl o wc a l o r i f i cv a l u e b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fl a z yg a s e s ，t h e r e a r ed i f f i c u l t i e si nl i g h t i n gf i r ea n db a dc h a r a c t e r i s t i c so f b t t r n i n g t om a k ee f f i c i e n tu s e o ft h e s eu n q u a l i f i e dg a s e s ，s a v et h ec o s ta n de n e r g y , t h i se s s a yh a sd e s i g n e dan e wk i n d o fb u r n i n gs y s t e m ，a n dm a k e sr e s e a r c h e so nt h ef e a t u r e so fb u r n i n go nt h eb a s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l f i r s t l y , at e s t - b e df o rr e s e a r c h e si sd e s i g n e do nt h eb u r n i n gp r o c e s s e so fl o w c a l o r i f i cv a l u eg a s t h et e s t - b e di sm a d eu pb yf u e ls y s t e m ，a i rs u p p l ys y s t e m ，b u m i n g s y s t e m ，t h es y s t e mf o rd a t ac o l l e c t i n ga n dt h es y s t e mf o rt h ea f t e r - p r o c e s s i n g e s p e c i a l l yd e s i g n e dt h eb u r n i n gs y s t e m ，t h eb u m i n gs y s t e mi sm a d eu pb yb u r n e r , c o m b u s t i o nc h a m b e r , h e a tr e t a i n i n gm a s s s e c o n d l y , d e s i g n e dat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lf o rt h i sb u m i n gm a c h i n e 、析t l l g a m b i ts o f t w a r e ，a n dm a d en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nf o rb u r n i n gp r o c e s so ft h el o w c a l o r i f i cv a l u eg a s 谢t l lf l u e n ts o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h i s ，i t sa b l et om a k ed e t a i l e d d e s c r i p t i o no fp r e s s u r e ，v e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nf o rt h eb u r n i n gp r o c e s s o fl o wc a l o r i f i cv a l u eg a s t h i r d l y ，m a d er e s e a r c h e so nt h eb u m i n gp r o c e s so fl o wc a l o r i f i cv a l u eg a s ； r e s e a r c h e da i rp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，f u e lp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，o x y g e ne n r i c h m e n t a n de x c e s sa i rc o e f f i c i e n to ne f f e c t so nt h eb u r n i n gf e a t u r e so fl o wc a l o r i f i cv a l u eg a s ； g o tt h eb e s ts p o u ta n g l ea n dt h eb e s ts t r u c t u r ef o rh e a tr e t a i n i n gm a s s a n da l s o ， a n a l y z e dt h e e f f e c t so fa l l k i n d so fp a r a m e t e ro nt h eb u m i n gp r o c e s s ，u s i n gt h e o r t h o g o n a lm e t h o d ，a n dh a v ep r o v i d e dag r o u po fb e s tc o n n e c t i o n so fp a r a m e t e rf o r t h eb u m i n gp r o c e s so f l o wc a l o r i f i cv a l u eg a s l a s t l y , t h er e s e a r c ht e s t - b e df o rt h eb u r n i n gp r o c e s so fl o wc a l o r i f i cv a l u eg a sw a s b u i l t e d t h ee f f e c t so fa i rp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo i lt h eb u m i n gc h a r a c t e f i s t c so fl o w c a l o r i f i cv a l u eg a sw a ss t u d i e d a tt h es a m et i m e ，t h ee x a c t n e s so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e r e s e a r c hr e s u l t si nt h eb u m i n gp r o c e s so f l o wc a l o r i f i cv a l u eg a sw a st e s t e d k e y w o r d s ：l o wc a l o r i f i cv a l u eg a s ；c o m b u s t i o ns y s t e m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； e x p e r i m e n t a l v ，lp jji 中文 a b s 1 绪 1 3 论文的主要工作。l o 1 3 1 论文的研究对象1 0 1 3 2 论文的研究内容1 0 2 低热值煤气燃烧过程实验台的设计1 1 2 1 燃料系统的设计。1 1 2 1 1 燃料量的计算1 2 2 1 2 阻力特性分析计算1 2 2 2 送风系统的设计1 3 2 2 1 空气耗量的计算1 3 2 2 2 阻力特性分析计算1 4 2 2 3 空气电加热器的设计1 5 2 3 燃烧系统的设计1 7 2 3 1 低热值煤气燃烧器的设计1 8 2 3 2 燃烧室的设计2 0 2 3 3 蓄热体结构的设计2 3 2 3 4 催化燃烧结构的设计2 5 2 4 数据测量与采集系统的设计2 6 2 5 后处理系统的设计2 9 2 5 1 换热器的设计2 9 2 5 2 引风机2 9 2 6 本章小结3 0 3 低热值煤气燃烧过程数值模拟研究3 1 3 1 物理和数学模型3 1 3 1 1 物理模型31 北京交通大学硕士论文 3 1 2 数学模型3 2 3 2 网格划分、边界条件及求解方法3 5 3 2 1 网格划分3 5 3 2 2 边界条件3 6 3 2 3 点火源的定义3 6 3 2 4 求解方法3 6 3 3 燃烧系统流动与燃烧过程的数值模拟研究3 6 3 3 1 中心平面压力场分布3 7 3 3 2 流场分布3 8 3 3 3 速度场分布4 0 3 3 4 温度场分布4 1 3 3 5c o 浓度场分布4 3 3 3 6 中心平面c 0 2 浓度场分布4 4 3 4 本章小结4 5 4 燃烧系统参数对燃烧过程影响的数值模拟研究4 7 4 1 预热温度对燃烧过程的影响4 7 4 1 1 空气预热温度对燃烧过程的影响4 7 4 1 2 煤气预热温度对燃烧过程的影响5 0 4 2 富氧浓度对燃烧过程的影响5 3 4 2 1 富氧浓度对燃烧温度的影响5 4 4 2 2 富氧浓度对一氧化碳含量的影响5 6 4 2 3 富氧浓度对燃烧生成物的影响。5 7 4 2 4 富氧浓度对烟气质量流量的影响。5 8 4 。3 过量空气系数对燃烧过程的影响5 9 4 3 1 过量空气系数对一氧化碳浓度的影响5 9 4 3 2 过量空气系数对燃烧温度的影响6 0 4 3 3 过量空气系数对二氧化碳浓度的影响一6 2 4 4 蓄热体对燃烧过程的影响6 2 4 4 1 无蓄热体结构下煤气燃烧过程的数值模拟研究6 2 4 4 2 两种蓄热体结构下煤气燃烧过程的数值模拟研究6 4 4 5 喷口角度对低热值煤气燃烧过程的影响6 5 4 5 1 喷口角度对燃烧温度场的影响6 6 4 5 2 喷口角度对x 方向速度场的影响6 8 4 6 燃烧系统参数的优化6 8 l j 目录 4 6 1 燃烧系统参数优化研究方案6 9 4 6 2 计算结果分析7 2 4 7 本章小结7 5 5 低热值煤气燃烧过程的实验研究7 7 5 1 实验台的搭建以及装置的布置7 7 5 1 1 实验台的搭建7 7 5 1 2 热电偶以及烟气采集装置的布置7 9 5 2 实验步骤。8 0 5 3 实验装置的标定与调试8l 5 3 1 实验仪器的标定81 5 3 2 装置的调试一81 5 4 低热值煤气燃烧过程实验研究8 4 5 4 1 实验现象8 5 5 4 2 实验结果分析8 5 5 5 数值模拟结果与实验研究结果的对比分析。8 6 5 5 1 初始条件的设定：8 7 5 5 2 对比分析8 7 5 6 本章总结8 8 6 结论与展望8 9 6 1 结论8 9 6 2 展望9 1 参考文献9 3 附萄毛一9 5 作者简历9 9 独创性声明10 1 学位论文数据集厶一10 3 lr-ir j一j 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 随着经济的持续发展，我国的能源需求不断增加，即使煤炭产量以及石油进口 量都在不断刷新记录也难以保障能源的安全供给。因此，节约能源，扩大可利用的 能源资源范围，对我国的经济建设极为重要。目前，世界上有很大一部分低热值煤 气都未进行回收处理就直接排入大气，低热值煤气的利用率低。合理回收利用低热 值煤气具有节能和环保双重意义，因而，低热值煤气得到了越来越多的关注。 低热值煤气主要是煤或焦炭等固体燃料气化所得到的热值极低的气体燃料， 组成中可燃成分有氢、一氧化碳，并含有氮气、二氧化碳等不可燃组分。 根据发热量的大小燃料可以分为三类。一般认为，发热量大于1 5 0 7 0z j n m 3 为高热值燃料，发热量在6 2 8 0 - 1 5 0 7 0k j n m 3 为中热值燃料，发热量小于6 2 8 0 k j n m 3 时为低热值燃料【1 1 。 低热值煤气的一个特点是产量大。我国2 0 0 0 - - - , 2 0 0 8 年的钢产量如图卜1 所示 1 2 ，而每生产1 吨生铁可得1 6 0 0 - - - - 2 0 0 0m 3 热值极低的高炉煤气，在这些煤气中 有很大一部分是热值极低的煤气，发热量远远小于6 2 8 0k j n m 3 。 图1 12 0 0 0 2 0 0 8 年我国钢铁产量 低热值煤气另一特点就是热值极低， 这些气体在燃烧过程中基本不参加反应， 含有大量的惰性气体，如n 2 、c 0 2 等， 而且大量的惰性气体使火焰的传播速度 减小。低热值煤气的主要可燃成分是c o 和h 2 ，两者容积百分比含量极低，而且 - r - 国外在低热值燃料的研究方面开始的比较早，从2 0 世纪9 0 年代开始，作为能源 大国的美国和澳大利亚，就开始了对低热值燃料燃烧过程的研究工作，日本等国家 在研究低热值燃料火焰稳定性等方面也取得了很大的成果。 1 9 9 5 年，u sp a t e n t 【4 】中介绍了一种低热值煤气燃烧器。该燃烧器有以下几个 特点：煤气从小孔中高速射出，与空气高速混合，增加了煤气和空气的混合性； 加装了空气预热器，能将空气预热到4 0 0 。c ；进行富氧燃烧。通过掺烧高热值气 体，能燃烧2 5 2 0k j n m 3 的低热值煤气。 1 9 9 8 年，p d j h 【5 】设计了一种旋风式燃烧器，可以使热值为2 5 7 0k j n m 3 的低热值气体稳定燃烧。它的稳燃原理是利用螺旋式结构延长燃气和空气混合时 间，从而使c o 在燃烧器内完全氧化。这种燃烧器进气口布置在切向，由底部轴心 2 1 绪论 处的丙烷本生灯点燃。 2 0 0 1 年，z h a od 6 1 采用沿涡轴附加和火焰传播方向相反的轴向速度使火焰 驻定的方法，对高速传播火焰的物理量分布进行了详细的数值模拟研究，探讨了现 象发生的机理。研究表明，在火焰的前端未燃区域，出现了沿轴向的逆压梯度，旋 转强度越大，逆压梯度越大，火焰传播速度越大。 f l o x 公司【7 j 设计了一种新型低热值气体燃烧器，该燃烧器包含空气、煤气 预热器，能够将空气预热到5 0 0 6 0 0 ，将煤气预热到2 5 0 - - - 5 0 0 。c 。煤气空气的 预热，有利于强化燃烧。在瑞士的一个沼气场，经过掺烧一定量的天然气，该燃 烧器能燃烧甲烷含量为7 的残余废气。 2 0 0 3 年，c h a ，k i m 和c h u n g 【s 】提出u 形管喷嘴的稳定燃烧范围向高速度 侧移动，能够在较高的速度范围内稳定火焰。在流量相同的条件下，为了满足连续 性的要求，u 形管喷嘴截面的曲率半径大的一侧( 称为外侧) 的速度比直管同一位 置处的流速要大，曲率半径小的一侧( 称为内侧) 的速度则比直管的小。这样的喷出 速度分布使得u 形管喷嘴的吹熄界限比直管高，但是由于减小了内侧速度，回火速 度也会增大，即回火界限升高。可见用u 形管来改变流场的速度分布以达到稳定 燃烧的目的。 2 0 0 3 年，o l i v i e rg i c q u e l 9 】等运用数值模拟的方法，研究热值较高的焦炉煤气 与热值较低的高炉煤气，在不同过量空气系数条件下的燃烧过程，得到了不同的 气体燃烧速率。 2 0 0 6 年，z a l h a m a m r e 1 0 】针对燃烧的稳定性，设计了碳化硅和氧化铝多 孔介质结构的燃烧器，多孔介质具有极高的蓄热与辐射能力，增强了燃烧强度与 燃烧稳定性。z a l h a m a m r e 运用数值模拟的方法，模拟了不同空气过量系数 情况下的燃烧温度与速度 作者对两种多孔介质结构的燃烧器进行了比较，通过实验得到，碳化硅多孔 介质燃烧器可以燃烧甲烷含量为1 2 的低热值气体，而氧化铝多孔介质结构燃烧 器只能燃烧甲烷含量高于1 5 的低热值气体，证明碳化硅结构的多孔介质燃烧器 能更好的燃烧低热值气体。 2 0 0 7 年，a 舢h 抽0 u 甜1 1 l 主要针对空气与低热值气体的混合，设计了一种 新型燃烧器，该燃烧器空气被连续送入，通过分散的小孔与低热值气体高速混合， 产生旋流，并加装了空气预热器，将空气预热到4 0 0 。 通过以上措施，作者对表1 1 所示的低热值煤气进行了实验研究，并对c o 成分进行了检测。经检测，c o 的含量极低，燃烧效率较高，可以证明该燃烧器 可以使低热值煤气着火并持续稳定的燃烧。 3 北京交通大学硕士论文 表1 - 1 低热值煤气组分 g a s t y p ec o m p o s i t i o n v 0 1 - 】 c h 4 c o h 2 c 0 2 n 2 b i o m a s s 52 01 51 05 0 g a s i f i c a t i o n 02 11 41 05 5 m i n e g a s 2 50o1 06 5 l a n d f i l lg a s2 0oo08 0 w o o d g a s 51 51 51 5 5 0 通过对低热值煤气热值的计算，可以得出该燃烧器可以燃烧低位热值为 5 3 9 7 81 0 n m 3 低热值气体。 2 0 0 7 年，x p a u b e l t l 2 j 设计了一种新型燃烧器，该燃烧器的燃气空气混合是依 靠四通道结构来实现的，最里面的管中喷出氧气，外一层管中喷出低热值气体高 炉煤气，再外边一层管中是甲烷气，最外边管中是氧气，通过此种结构，对低热 值气体高炉煤气与甲烷气体进行了掺烧，得到在不同甲烷浓度条件下低热值气体 燃烧的火焰稳定性，为低热值气体稳定燃烧做出指导。 综上所述，国外学者们根据低热值煤气的特点，设计了各种低热值煤气燃烧 器，通过在燃烧器上增加进气旋流结构、预热器以及蓄热结构，以及掺烧其他高 热值煤气，可以使2 4 0 0l r m m 3 以上热值的低热值煤气着火与稳燃。 1 2 2 国内低热值煤气燃烧过程的研究现状 众所周知，我国低热值煤气产量丰富，可利用价值很高。因此，国内越来越多 的科研单位和个人开始研究低热值煤气的燃烧过程。 1 9 9 5 年，马晓茜1 1 3 j 对强化低热值煤气燃烧技术进行了探讨，认为燃料的浓度 和温度对燃烧有很大的影响，气体燃料的可燃界限取决于燃料的种类，但经预热， 则可扩大可燃界限。实践也表明b f g 用于高温加热炉的关键在于将b f g 预热到 3 5 0 ，将空气预热到6 0 0 。 1 9 9 6 年，马晓茜等【1 4 】从能级系数、可燃界限、烟气量等几个方面，分析了高 炉煤气的低品味特性。将空气预热，能使燃烧温度升高，火焰稳定性增强。将空 气预热，能使着火浓度下限值降低，有经验公式： 下目= 0 5 1 0 0 0 0 8 5 ( t 一2 9 8 ) ( 1 1 ) 4 1 绪论 马晓茜采用一种钝体缝隙式燃烧器，通过预热空气，能掺烧7 0 - 8 0 的热值 为3 1 9 1k j n m 3 的高炉煤气。 1 9 9 9 年，祝立萍【1 5 】讨论了高炉煤气的燃烧特性及其强化燃烧技术：( 1 ) 强化 煤气和空气的混合过程：通过调整煤气和空气的流动方式、气流速度及动量差和 采用多喷口、细流股或扁流股等措施提高其混合速度，促进燃烧过程进行；( 2 ) 采用钝体稳定火焰：将钝体置于流体中，在与它最相近的尾流中产生一回流区， 由于回流区速度低、温度高，起到维持火焰稳定的作用。 2 0 0 1 年，庄正宁等【1 6 】阐述了高炉煤气锅炉稳定着火的燃烧技术和结构特点。 该锅炉采用双旋流平面火焰燃烧器、缩腰式炉膛、合理的经济器布置以及应用高 炉煤气预热器等措施后，具有保证锅炉参数条件下处理高炉煤气的能力，在运行 期间，高炉煤气热值的变化范围从3 3 0 0k j n m 3 到2 4 2 4k j n m 3 。设计的锅炉主要 燃烧首钢高炉煤气，主要可燃成分c o 的含量为2 3 6 5 ，h 2 的含量为1 6 7 。 2 0 0 1 年，张胤等【1 7 】对新型栅格式陶瓷燃烧器燃烧过程进行了数值模拟研究， 得到了燃烧过程中气体的速度场、温度场和浓度场的分布，并且得到了燃烧火焰 的形状。通过研究验证了该燃烧器在加强煤气和空气混合方面的成功之处。该燃 烧器燃烧过程中的气体速度分布完全属于煤气和空气的交错流动，煤气和空气通 道的交叉布置，使两种气流之间形成相互包围的方式，有效地改善了两者的混合。 2 0 0 1 年，任建兴等1 1 剐介绍了有效合理利用低热值高炉煤气用于燃气一蒸汽联 合循环发电的技术。其中燃气一蒸汽联合循环发电机组是由日本川崎重工和瑞士 a b b 公司共同开发的世界上第一台单烧低热值高炉煤气的发电机组，设计燃料发 热量为3 2 6 5k j n m 3 。该锅炉加装了钝体燃烧器，钝体燃烧器对低热值煤气的稳焰 在于使高温烟气回流，且回流区边界有一个湍动较强的热质交换的边界层，这有 利于对新进入炉膛的煤气的加热。 2 0 0 2 年，朱彤等1 1 9 】介绍了高温空气燃烧技术。高温空气燃烧技术是由日本新 能源和工业技术开发组织及日本一些企业和研究所于2 0 世纪9 0 年代初共同开 发的一项新燃烧技术，它与传统燃烧技术不同之处是充分利用加热炉的排烟余热 将助燃空气加热到1 0 0 0 ( 2 ，甚至更高，使加热炉排烟温度降低到2 0 0 c 以下，从而 提高了燃料的热利用率。朱彤等对低热值煤气高温空气燃烧进行了数值模拟研究， 采用k s 湍流双方程模型、p d f 燃烧模型以及离散坐标辐射传热模型，对低热值 煤气高温空气燃烧过程进行了计算机辅助模拟试验，比较了不同预热温度对低热 值煤气燃烧过程的影响。 2 0 0 2 年，王军掣2 0 】应用热风炉燃烧过程中物料平衡和热平衡的计算方法，研 究了煤气和空气预热温度、空气过剩系数、煤气热值等对热风炉理论燃烧温度的 影响，分析了提高理论燃烧温度的方法和途径：提高煤气空气预热温度、提高煤气 5 r l 北京交通大学硕士论文 的热值。而且分析得到理论燃烧温度随煤气和空气的预热温度呈线性变化，而且 理论燃烧温度随煤气预热温度的变化的速率要大于随空气预热温度变化的速率。 2 0 0 3 年，靳世平等【2 1 】通过在燃烧器喷口装设钝体或者增加旋转射流，造成主 流轴线的分离和弯曲，形成喷口出口处的回流区，在高速射流的情况下，使得燃 料能稳定的着火和燃烧。用回流加热链着火分析法，分析比较了钝体燃烧器和开缝 钝体燃烧器不同的稳焰机理，通过建立热平衡方程，求出流体混合温度。结果表明， 只要小股中缝流能够着火，开缝钝体回流流体混合温度就会高于钝体回流流体混 合温度，从而增强了稳焰能力。 2 0 0 4 年，龙玲瞄】对低压热脏煤气燃烧器做了热态点火实验，考察了同轴射流 燃烧器与同轴旋转交叉射流燃烧器的预混性能，观察火焰燃烧情况，测得火焰中 心温度。实验装置如图1 2 所示。 1 煤气发生炉2 除尘器3 盘阀4 中转风机 5 煤气缓冲罐6 助燃风机7 燃烧器8 烧嘴砖 图1 - 2 热态实验流程图 2 0 0 4 年，肖睿等【2 3 】针对1 8 0v h 高温、高压全燃高炉煤气再热炉性能进行了研 究，分析了燃用高炉煤气对再热炉的燃烧着火特性、传热特性、热工参数和受热 面布置的影响。在锅炉尾部同时布置空气预热器和煤气预热器，将空气预热至u 3 5 6 ， 含量为1 2 1 绪论 来的未燃的预混气体，使得反应区上游预混气体的温度达到较高水平，在预混气 体燃烧时，由于预热部分能量的存在，从而使得燃烧火焰超过了绝热火焰温度。 作者也对往复式多孔介质燃烧器进行了热态实验研究，得到了不同条件下燃烧器 的温度分布，研究了切换半周期、当量比、空截面流速三参数对燃烧温度分布的 影响。 2 0 0 5 年，王铁民【2 5 】通过对锅炉进行改造，燃烧低位发热量为3 3 4 9 6k j n m 3 左右的高炉煤气，具体改造措施为：在炉膛火嘴区设置耐火材料砌成的蓄热稳燃 装置，稳定炉膛温度，保证燃烧安全；在尾部烟道加设烟气与煤气的换热装置， 回收烟气余热，加热高炉煤气；在锅炉运行中，控制配风，减小过量空气系数。 2 0 0 5 年，赵黛青等【2 6 】按照改善低热值燃料燃烧特性所依据的基本原理，综述 了两类应用较广泛的稳燃技术：( 1 ) 优化着火条件的稳燃技术：浓缩煤粉燃烧，分 级点火，高温预热；( 2 ) 优化燃烧场结构的稳燃技术：钝体燃烧器，旋流燃烧，u 形 管燃烧。 2 0 0 6 年，浙江大学孙公钢口7 】设计了一种新型结构的稳燃器，并运用数值模拟 方法对该稳燃器出口流场进行了研究。计算结果表明，该稳燃器比同尺寸单方向 布置稳燃器具有更合理的回流区和更大回流量。 岑可法、樊建人等人的研究证明：在回流区内之所以能保证燃料着火和稳燃， 是因为非线性物体后的回流区有着强烈的湍流混合，在钝体后具有足够高的回流 烟气温度、足够强的热质交换、足够低的流动速度，而这些都给燃料着火及火焰 稳定创造了有利条件。因而，回流区域越大，对于提高燃烧器低负荷稳燃能力则 越有利。 2 0 0 6 年，罗渝东1 2 8 】对低热值煤层气燃烧过程进行了研究。首先，对燃烧器做 了热态实验，通过对燃烧时的火焰外观特性的观察，了解燃烧器实际燃烧状况， 对燃烧区域温度进行测量，了解燃烧器运行时的温度分布情况；其次，对燃烧器 进行了全尺寸的三维数值模拟研究，考察了不同热负荷、不同喷口对三种燃烧器 出口流场、温度场、甲烷组分分布的影响。 2 0 0 8 年，吴道洪【2 9 】采用蓄热式燃烧技术对低热值燃料燃烧进行了研究，该技 术有以下优点：由于进口温度高，从而节能及加热效率( h e a t i n ge f f i c i e n c y ) 高，而 且容易实现高炉温，特别是对低价劣质低热值燃料而言，燃烧稳定性很好；由于 排烟温度低，所以热利用率( t h e r m a le f f i c i e n c y ) 很高，节能效果好。采用陶瓷蜂 窝式蓄热体预热空气后使温度达到l1 0 0 - - 一1 3 0 0 ，提高了燃烧温度，可以燃烧低 位发热值只有2 9 3 0 一- 3 3 4 9k j n m 3 的高炉煤气。 2 0 0 8 年，余新红等1 3 0 】介绍了高炉煤气的燃烧反应机理，以及高炉煤气锅炉炉 内蓄热稳燃装置的结构和工作原理，并通过工程实例对蓄热稳燃技术加以说明。 7 n-lr 北京交通大学硕士论文 在锅炉中运用高炉煤气蓄热稳燃技术，可以提高高炉煤气的燃烧温度、可以起到 热源点火的作用，从而使未燃尽的高炉煤气与空气的混合气继续燃烧，做到燃烧 不脱火。 2 0 0 8 年，翟国营等【3 1 】分析了富氧燃烧特性。采用富氧燃烧可以减少空气需要 量和燃烧产物生成量，高炉煤气在4 6 含氧量的富氧空气中燃烧与在空气中燃烧相 比，可以减少5 4 的空气需要量，减少2 5 的燃烧产物生成量；采用富氧燃烧提高 理论燃烧温度，以4 6 含氧量的富氧空气作为助燃剂时，若将空气、煤气都预热到 1 5 0 c ，高炉煤气的理论燃烧温度可达到1 7 2 0 ，比在空气中燃烧提高了3 4 0 ； 富氧燃烧可以提高燃烧产物中辐射性气体的含量，增强炉气的辐射能力，强化炉 膛辐射换热；富氧燃烧降低了燃烧产物生成量，使烟气带走的热量减少，降低排 烟热损失，提高热效率，从而降低燃料消耗；富氧燃烧的空气需要量及燃烧产物生 成量较少，可以缩小相关设备尺寸，降低设备投资和维护费用。 2 0 0 8 年，北京建筑工程学院张世红老师等【3 2 】设计研制出了催化燃烧型炉， 实验中采用单面为1 4 5 m mx1 4 5 m m 的正反两面装载蜂窝陶瓷体的燃烧器，为堇 青石蜂窝孔支撑物( 独石) 作为载体，使用p d 作为催化剂，进行催化试验研究。通 过实验实现了贫燃料燃烧，扩大了传统燃烧的可燃界限，可达到近似1 0 0 的燃 烧效率，提高了能源利用率。实验结果表明，在其他条件相近的情况下催化燃烧 比气相燃烧的过剩空气系数大时，其热效率还比气相燃烧热效率高。实验装置图 如图1 3 所示。 。 图1 - 3 催化燃烧炉i v 型热效率实验系统图 国内通过数值模拟以及实验研究的方法，对低热值煤气如何着火与稳燃进行 了研究，得到了一些比较好的燃烧器结构，以及一些燃烧参数的范围。 综上所述，前人探讨了如何使低热值煤气着火与稳燃的方法，包括强化低热 8 1 绪论 值气体和空气的混合过程、富氧燃烧技术、催化燃烧技术、余热回收预热煤气空 气技术、添加高热值燃料技术以及采用钝体稳定火焰、采用蓄热结构等。 前人对低热值煤气燃烧器流动与燃烧的研究主要是通过数值模拟与实验研究 进行的。数值模拟方法根据燃烧器内湍流流动、传热传质和燃料燃烧的基本理论 建立数学模型，得到温度场、压力场、速度场以及各气相组分的浓度，来全面预 报低热值气体燃烧器内的流动、传热和燃烧过程，。从而得到燃烧室内的温度，以 及燃烧效率等重要信息。实验研究方法通过测量压力、温度、烟度等相关信息， 得到了低热值气体燃烧器的阻力特性、温度分布、燃烧效率，从而来分析燃烧器 的流动特性以及温度分布等。 通过对低热值煤气燃烧器流动与燃烧的研究，国内外不少单位和个人设计了 低热值煤气燃烧器。针对不同的稳燃方法，设计了不同的结构，包括进气系统增 加旋流装置，加装空气、煤气预热器，增加钝体结构、蓄热结构以及催化剂结构 进行催化燃烧等。这些燃烧器可以燃烧一定热值的低热值煤气。 u sp a t e n t 中介绍的燃烧器通过掺烧高热值煤气，可以燃烧热值为2 5 2 0 u n m 3 的低热值煤气。在瑞士的一个沼气场，f l o x 公司设计的新型低热值气体 燃烧器，经过掺烧一定量的天然气，能燃烧甲烷含量为7 的残余废气。日本川崎 重工和瑞士a b b 公司共同开发的世界上第一台单烧低热值高炉煤气的发电机组， 可以燃烧热值为3 2 6 5u n i n 3 的高炉煤气。p d j h 设计了一种旋风式燃烧器， 可以使热值为2 5 7 0k j n m 3 的低热值气体稳定燃烧。 肖睿等通过全燃高炉煤气再热炉，可以燃烧热值为2 9 0 0 - - 3 1 8 0k j n m 3 的高 炉煤气。庄正宁介绍的高炉煤气锅炉，采用双旋流平面火焰燃烧器、缩腰式炉膛、 合理的经济器布置以及应用高炉煤气预热器等措施后，燃烧高炉煤气热值的变化 范围为2 4 2 4k j n m 3 到3 3 0 0k j n m 3 。 综上所述，国内外学者通过研究与实验验证能使热值为2 4 0 0k j m m 3 以上的煤 气稳定着火与持续燃烧，加以回收利用，而对于更低热值的煤气则由于煤气不易 点燃、稳燃和燃烧效率低等因素很少加以利用。 为了多烧、烧好热值更低的煤气，我们有必要设计一种新型低热值煤气燃烧器 以及一整套燃烧系统，总结燃烧系统参数对着火、稳燃特性的影响，通过数值模 拟与实验研究的方法对低热值煤气燃烧系统进行流动与燃烧的研究，得出最佳燃 烧参数范围与最优化燃烧器结构，为低热值煤气的稳定着火与持续燃烧提供必要 的理论与实验依据，为工程实际回收低热值煤气提供理论指导。 9 北京交通大学硕士论文 1 3 论文的主要工作 1 3 1 论丈的研究对象 本文研究的低热值煤气，针对各个大小型钢铁厂的煤气放散气，可燃成分主 要是c o 和h 2 ，大量的惰性气体为n 2 、c 0 2 等。本课题中考虑到煤气配制的困 难，对低热值煤气成分进行了简化，考虑到h 2 的含量极其低，可燃成分我们选取 c o ，惰性气体对燃烧过程的影响较小，考虑用n 2 代替。 1 3 2 论文的研究内容 国内外学者通过理论研究与实验验证能使热值为2 4 0 0k j n m 3 以上的煤气稳 定着火与持续燃烧，加以回收利用，而对于更低热值的煤气则由于煤气不易点燃、 稳燃和燃烧效率低等因素很少加以利用。 本文通过低热值煤气燃烧过程实验台的设计与开发，对低热值煤气燃烧过程 进行了数值模拟与实验研究，得到影响煤气稳定燃烧的参数以及规律，为工业回 收低热值煤气打下一定的基础。本课题的具体研究内容如下所示： ( 1 ) 低热值煤气燃烧过程实验台的设计与开发，包括燃料系统、送风系统、 燃烧系统、数据采集系统、后处理系统，重点是燃烧系统的设计，包括燃烧器、 蓄热体结构、燃烧室的设计。 ( 2 ) 燃烧系统气体流动与燃烧过程的研究。对燃烧系统进气及流动过程进行 三维数值模拟研究，分析进气管道、燃烧室内流场信息( 速度场、压力场、流场等) ； 对燃烧过程进行三维数值模拟研究，分析燃烧室内燃料浓度分布，温度场分布等。 ( 3 ) 研究低热值煤气燃烧系统的结构参数( 喷口角度、蓄热体结构) 和运行 参数( 空气、煤气预热温度、富氧浓度、过量空气系数) 对低热值煤气燃烧过程 的影响：在低热值煤气燃烧系统变参数研究的基础上，选取实验过程中对燃烧过 程影响较大的几个参数，以其作为优化变量，确定优化目标，基于正交优化设计 和c f d 技术对低热值煤气燃烧器燃烧系统进行合理的优化研究，分析各参数对低 热