（工程热物理专业论文）高温空气燃烧的实验和数值模拟研究.pdf

摘要 商湛空气燃烧技术通过围收炉麟摊放烟气的余热，将助燃空气加热至8 0 0 1 0 0 0o c 蚍 上的高温，烟气排放温度降瞧到稍斑于烟气露点温度：商瀑预热后的助燃空气与燃料射流在 炉建混合形成扩教燃烧，鼠嚣捷褥热裁爝攀提薅缀多。与赌统燃烧方式糖扰，运舟该技术可 以节约能蒜最商至6 0 、设祷尺寸减少可达3 0 左右。本文利用实验和数值模拟的方法，对 高温空气燃烧特性遴行了分耩研究。 本文 擘者自行设计了高滠空气电期热器，经过多次试验测量及改进，具有绻构简单、保 温效果良好、调节方便等特点，可将助燃空气加热到工作温度。 在实验室内，对燃烧城帘煤气鲍三喷口直喷式高温空气烧嘴炉内遗爱分布进行了测量， 同时对尾部烟气中的n o x 宙量进行了测寇。并对实验二| ：= 况进行了数值模拟，模拟结果与实 验缩果在温度分布趋势上摹本吻合。 弱步 ，本文分专嚣了某钢铁厂均热炉燃烧系统鲍现况。道过计算可知，采用璃瀑空气燃烧 可以节约燃气1 2 4 i 1 8 8 5 ，节能效益明显。应用数值模拟方法，对采用高温空气燃烧 技术敬造该均燕炉的不露方案饶缺点进行了眈鞍，褥警了最硅改造方寰。透避分褥不鞫淤气 预热温度及喷口间距二l 二况下姻数值模拟缩果，可知炉内温度分布较原有旋流燃烧方式均匀， 温度不均匀系数由3 3 1 8 降低刘1 9 左右。在入炉热量相等的前提下，炉内平均温壤增加 3 0 2 3 6 3 k 。爨是，燃烧产生数氮襞纯物生成量箍藿燃气预热遗痰升毫丽增加 最后，本文对最佳改造工况下的非稳态燃烧过程进行了数值模拟研究。分析了在换向前 后炉内温度场、速度场分布的变化蛾律以及炉肉钢坯的受热均匈程度。结果认凳，交替换向 燃烧使炉内温度场、速度场交替变化，温度场比较均匀。另外，本文首次对炉内锕坯的受热 情况进行了数值模拟，发现高温空气燃烧技术的加热效果要好予原旋流燃烧系统。 关键词：高温空气燃烧均热炉温度场氮氧化物数值模拟 a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o ni san e wt y p ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c ht h e a i ri sh e a t e du pt om o r et h a n8 0 0 - - - 1 0 0 0 。ct h r o u g hr e c o v e r i n gt h ew a s t eh e a to f h i g h t e r n p e r a t u r ef l u eg a se x h a u s t e df r o mf u r n a c e t h et e m p e r a t u r eo fe x h a u s ti sh i g h e ra l i t t l em o r et h a ni t sd e wp o i n t t h eh i g h t e m p e r a t u r ea i ra n dg a sa r ee j e c t e di n t o f u r n a c et of o r ms t a b l ed i f l u s i o nc o m b u s t i o n t h u st h et h e r m a lu t i l i z a t i o n sf a c t o ri s i n c r e a s e d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o m b u s t i o n ，t h ef u e lw o u l db es a v e dt i pt o6 0 a t m o s t ；t h ee q u i p m e n t s i z ed e c r e a s e da b o u t3 0 i nr i d s d i s s e r t a t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c 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 nw e r es t u d i e db ye x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n h i g ht e m p e r a t u r ea i re l e c t r i ch e a t e rw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da f t e rm a n y t e s t sa n di m p r o v e m e n t s ，w h i c hi ss i m p l ei ns t r u c t u r ea n dp r e s e r v e st h eh e a tv e r yw e l l i na d d i t i o n ，i tc o u l db er e g u l a t e dc o n v e n i e n t l y i nl a b o r a t o r y , t h et e m p e r a t u r ef i e l dw a sm e a s u r e di nt h es t o v ew h i l eb u r n i n gc i t y g a st h r o u g hh i g ht e m p e r a t u r ea i rj e tw i t h3s t r a i g h tn o z z l e s n o xc o n t e n to ft h er e a r e x h a u s t g a s w a sa l s om e a s u r e da tt h es a m et i m e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da n dn o xd i s c h a r g ea m o u n t w e r ec a r r i e do u t , t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei d e n t i c a lb a s i c a l l yo nt h et r e n do f t e m p e r a t u r ef i e l d i na d d i t i o n ，t h ea c t u a l i t yo fs o a k i n gp i tc o m b u s t i o ns y s t e mi nas t e e l p l a n ti s a n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h r o u g hc a l c u l a t i n g ，t h ec o k eo v e ng a sc o u l db es a v e d b y1 2 ，4 1 一1 8 8 5 i fh i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yw o u l db eu s e d t h eo p t i m u mr e b u i l d i n gs c h e m ei sr e c e i v e d t h r o u g hc o m p a r i n ga l l t h es c h e m e s t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n tg a sp r e h e a t i n g t e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ti n t e r v a lo f n o z z l e s w ec a nk n o wt h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l d i s w e l l - p r o p o r t i o n e dr e l a t i v e l yc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l s w i r le o m b u s t i n ni nt h e f u r n a c e t h ea s y m m e t r yc o e f f i c i e n to ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sd e c r e a s e df r o m 3 3 1 8 t o1 9o rs o o n t h e b a s eo f t h ee q u a l i t yo f t h eh e a te n t e r i n g t h e f u r n a c e ，a v e r a g e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e sb y3 0 2 - 3 6 3 k i nt h ef u r n a c e h o w e v e gn i t r o g e no x i d ep r o d u c e d o w n i n g t ob u r n i n gi n c r e a s e sw i t ht h eg a sp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g a tl a s t t h er e s e a r c hw a si n v e s t i g a t e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft ku n s t e a d y s t a t eb u r n i n g p r o c e s su n d e r t h eb e s tr e b u i l d i n gs c h e m e 。t h ec h a n g el a wo f t e m p e r a t u r e f i e l da n dv e l o c i t yf i e l dw e r ea n a l y z e di nt h ep e r i o do f s w i t c h i n g a sar e s u l t ，a l t e r a t i o n d i r e c t i o n c h a n g e c o u l dm a k et h e t e m p e r a t u r e f i e l da n d v e l o c i t y f i e l d c h a n g e a l t e r n a t i v e l y a n dm a k et h e t e m p e r a t u r e f i e l du n i f o r m i na d d i t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n so f t h eh e a t i n gp r o c e s so f t h es t e e li n g o ti nt h ef u m a c ew e r ec a r r i e do u ti n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h eh e a t i n ge f f e c to fh i g ht e m p e r a t u r ea i r c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi sb e t t e rt h a no r i g i n a ls w i r l i n gb u r n e r k e y w o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o ns o a k i n gp i tt e m p e r a t u r ef i e l dn o x n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 固两太学毕业设计( 论文) 报告 声囊 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写残硕士研究生华监论文“离温空气燃浇的实验和数值模撅研究”，除了论文 中已经注明弓| 爆的内容外，对本文驰磷究墩出重大羹献的人稠集体，均已经在文 中以明确的方式标明。本论文中不包括任何未加注明的其他个人和集团融经公开 发表和未公开发表的成果。 本人声明的法律责任由本a 承掇。 学搜论文馋者签名：各，1 2 0 0 4 年3 嗣胆 第一章绪论 1 1 高湿室气燃烧技术背景简介 1 9 9 2 年的联台国环境与发展大会上提出要控剡全球污染物的撼放，以此寒保 护我们唯一的、赖以生存数热球款甄境。1 9 9 7 年，在“京都议定书”上，许多发 达国家承潜在今篱静 o 年肉，本謇e 0 2 年辩敖燮眈1 9 9 0 减少7 f ”。为了达到 这个目标，磐须发展新登燃烧技术。 我国的工业炉窑是耗能的大户，占全国工业总能耗的1 4 左右。我国工! j 业炉 平均热效率仅为1 5 左右，差的甚至仅有5 6 ，与发达国家如酗本工业炉3 0 4 0 的效率相比，差距很大。因此，在我国更加有必要发展新型高效、清洁燃烧 技术。 九十年代扔，在弱本国际贸易积工煦厅鄹资助下，由日本新能源和工业技术 开发缀织( n e d o ) 及e l 奉一些企业秽蟹 究黢共列开发了一项骣跫的燃烧技术一 一高温空气燃浇技术( h i g ht e m p e r a t u r e a i rc o m b u s t i o n ，蔫称h t a c ) 2 1 0 它主 要是通过回收炉麓捧放爝气的余热采加燕蓟燃空气至8 0 0 c 至1 0 0 04 c 戬上的高 温，蒋通过烧嘴进入炉腿，与燃料射流滟台后形成扩散燃烧l ；而烟气排放温 度降低到稍高于烟气瑟点温度，因而热利用攀很高。由于高温空气燃烧技术往往 要求燃料在局部低氧环境下燃烧，没有明显的火焰锋面，因此，高温空气燃烧又 卷被称为无焰燃烧。与传统燃烧方式相比，运用该技术可以节约能耗最高至6 0 、 设备尺寸减少可达3 0 左点，同时还可大量减少污染物搂敷。 高温窆气燃烧技术具有以下童要褥n 1 6 i f t ： 1 ) 采雳高效蓄熬式烟气余热圈枝装置，使之麓够在最大限发地豳收离滋烟 气的显热，将助燃空气预热歪8 0 0 c 至1 0 0 0 馘上，其热阐收效率胃达 8 5 以上，减少了温室气体c o ：的排放； 2 ) 由于助燃空气温度很高，且通过空气和燃料气流的合理组织，可使燃料 在低氧气氛中进行燃烧，减少了炉内局部高温区，使炉内温度分布均匀， 并且炉内平均温度高于传统燃烧方式下的炉内平均瀛度； 3 ) 出予炉内最褒温度鲍降低，使得热力型氦氧化物载生成减少，减轻了环 境静污染； 4 ) 由于助燃空气被预热到8 0 0 。c 以上，原本无法利用的低热值燃气可通过 该项技术被应用于工程实际中。 1 2 高温空气燃烧技术的原理 高温空气燃烧技术的实质包括两点，是高温预热助燃空气，即利用高效蓄 热体吸收炉膛排放的高温烟气显热，将助燃空气加热到8 0 0 。c 以上；= 是组织低 氡燃烧，即通过烧嘴结构和运行参数的调整组织炉内气流流动，使燃料在较低氧 浓度的气氛下进行燃烧，从恧实现均匀的炉内湿度分矩及低n o x 撼放 8 - 1 1 。 赢温空气燃烧系统主要由燃筑室、蓄热体、烧嘴翻蹬遁换向阙组成，见图1 - i 图1 1 怒渥空气燃烧系统示意翟 如图l 。l ，当烧潞a 羔终嚣于，常滠空气经四遴阀避入誊热室a ，在流经蓄热 体( 陶瓷球葳蜂窝体等) 时被加热，达至l 接近炉肉潮气出口添度( 一般眈炉艟温 度低5 0 1 0 0 ) ；而炉膛内加热工件霜的商温烟气流缀蓄热体b 时将艋热储存在 蓄热体内，然后烟气以稍商予烟气露点温度经抉向阀摊出。换向阀以定的频率 进行切换，使烧嘴a ，b 交替工作，两个蓄热体处于薷热与放热交替工作状态。 通过这种交替运行方式，实现所谓的“极限余热回收”和助燃空气的高温预热【1 2 】。 寒湿空气燃烧系绞的主要郯传包攒： a 烧罐：在高温空气燃烧技术中，般情况下烧嘴需戒对舔置，通过抉淘 阀以定的频率交替究成绩燃料及懿燃空气静工作和稀放炉肉潮气的工作；避过 2 烧嘴几何结构和运行参数的优化，降低火焰锋面处的氧浓度，从而使炉内燃料在 低氧氛围下燃烧，实现炉内温度均匀分布和低n o x 排放。 b ) 蓄热体：e ；b 于需要通过烟气来加热空气至8 0 0 以上的高温，而传统的金 属间壁式换热器不能在这样的高滠下长久工作，因此，寻找合适的加热空气设备 是该技术成功运用戆关键之一。爨兹，国内外基本都采用题瓷做为蓄热毒才料，其 醚高滠高压、导热性能好、结构强度离、抗氧化与藤蚀、隧力损失小和缀济剩用 等特点使之成为非常理想的蓄热材聿葺。近年来开发了商性能蓄热体蜂窝陶瓷 蓄热体，箕材料主要成份为氧化铝，蜂窝壁仅厚o 2 o 5 m m ，单元间距为l 3 r a m ，其换热的比表两积高达1 3 4 0 m 2 m 3 ，远远超过了陶瓷球蓄热体2 4 0m 2 m 3 的比表面积。与常规鬻热体相比，蜂窝蓄热体的体积仅为常规瞽热体体积的1 3 1 6 ，总量仅为1 6 1 1 0 。由于蜂窝蓄热体的高速蓄热和释热性能，使得换向对 划也幽常规蓄热体的2 3 分钟缩短到2 0 3 0 秒，进步改善了空气预热的动态 换热特性。该蓄热钵豹温度效率裹达9 5 ，热回收窭达驹以上。图l 。2 是两 种典型蓄热体之黼静魄较。 ( 基) 蜂窝陶瓷萋热体秘) 陶瓷球 图1 - 2 蒜温定气燃施技术中应藤器蓠辩典型蓄熬体 c ) 图逶挟向淘：四通换向阔用来实现空气和烟气闯的高频留换，是高潞空 气燃烧系统中的关键部件。尽管烟气换热后溢度很低，换向阎是在低温条件下作 业，对材料无特殊要求，但由于切换周期短，仅2 0 3 0 秒，要求动作速度快， 加之烟气中含有较多的微小粉尘，高频切抉作业必然会对运动部件带来较大的磨 损，因此换向阕的孝才质必须耐磨。此外，换向阎还必须具有一定的耐压、抗冲费 能力。 1 3n o x 的生成机理概述 商温空气燃烧技术能够使得燃料衽低氧氛囤内实现无焰燃烧，消除炉内简部 高温隧，从而有效降低n o x 的孺放。因而本节重点介绍n o x 的生成机理，以便 避一步阐明高温空气燃烧技术能够降低n o x 排放的原理。 众所周知，在人类使用化石燃料的过程中会产生氮氧化物、烟炱、硫氧化物 和c o 等污染物。氮氧化物包括n 2 0 、n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 4 、n 2 0 5 等多种成 分，遇穆为n o x 。n o x 在光的作用下形成提形成光化学烟雾，严重影响大气滕量 翻恁辔人体懿康；还会形成酸藤，影睫农作物豹生长，造成巨大经济援失。因此， 控制燃烧过程豹n o x 生残与捧放一蠢是燃烧技零发震豹关键之一。 氮氧亿物形成的途径主要有两条：一楚有祝魂结合在矿秘燃料中的杂环氮亿 衔在离温下热分解，接着被氧化；二楚助燃空气中的氮气在裔温袄态下与氧送行 化合反应生成n o x 。燃烧生成的n o x 主鼹有三种来源形式：热力型n o x ，快速 型n o x 和燃料型n o x 。它们各自的生成规律如下： 1 热力型n o x 助燃空气中的氮穗赢濑下氧化面生成的n o x ，称为热力型n o x ，其形成过程 霹出z e l d o v i c h 连锁爱应来描述，主要反应始下： v 2 + 0 斗n o + n ( 1 - 1 ) + q 斗n o + o f 1 - 2 ) 1 9 7 1 牟f e n i m o r e 发瑷在露燃料火焰中毒下列反应： + o h 叶移+ h( 1 - 3 ) 陔反_ j 菠的作用会超过反应方稷式( 1 - 2 ) ，所良反应方程式( 1 - 1 ) ( i - 2 ) ( 1 - 3 ) 一起作为热力型n o x 的，圭成机理。因而热力型n o x 的生成模型可表示成如下形 式： o + n 2 出n + n o n + 0 ，考o + n o 强七o h ；兰兰立强。七醚 o 其中k k + 2 ，k 为正向反应速率，尉刈疋：，k 一，为反向反应速率，在文献 0 3 q 5 中，透过大量熬实验测愿各个反应速率麴数值，b a u t c h 、h a n s o n 和 s a l i m i a n 等人在此基础上又迸行了精密的评储 1 6 , 1 7 ，最看确定箕值分巅为 ( m 3 g m o l s ) ： 墨l = 1 8 x 1 0 8 e - 3 9 4 7 0 r k ，= l ，8 1 0 4 t e “6 8 咿 k 3 = 7 1 x 1 0 7 e 。螂 k ，= 3 ，8 x 1 0 7 e 一4 2 耵 疋，= 3 8 x 1 0 3 t e - 。0 9 2 0 r k = 1 7 1 0 7 e 一2 4 5 6 0 7 1 热力型n o x 鹣形成对湿凌貔救款性较大，在强混燃烧孛，当潍度超过1 8 5 0 k 时，不仅在火滔峰面会产生大量n o x ，精气中也会寄n o x 形成【1 8 l 。 2 快速型n o x 1 9 7 1 年f e n i m o r e 根攒碳氲燃料预混火焰的轴向n o 分布的实验结果，认为在 反应区附近会快速生成n o 。于是，起名叫快速挺n o 。快速型n o 实现通过燃 料产生的c h 原子团撞击n 2 分予，生成c n 类化合物，再进一步被氧化而生成 n o 。快速n o 的形成与以下三个因索有关： ( 1 ) c h 原予团麴浓度及其形成过程 ( 2 ) n 2 分子反寂生戏氮他物豹速率 ( 3 ) 氮纯物闯籀互转纯率 研究发现 c h + n ：_ h c n + n 该反应是控制n o ，戴( h c n ) 秽其他氮化物生戏速率的重要反应。快速n o 形 成的主要反感途径如下： n t 2 h c n 马n c 8 二曼哼n h 与n 二n ! 坦嗡n o 兰呻c h 蟹o h c n 通常情况下，快速型n o x 的生成对温度幸怒赖往很弱。在不含氮的碳氢燃秭低 温燃烧时，才需要重点考虑快速型n o x 的生成；与热力型n o x 和燃料型n o x 相 比，它的生成簧少得多。快速型n o x 的生成模型用下列反应描述： c h 七转2 h c n + n + q 口n o 十0 h c n + o h 茸c n + 0 c h + d 2 茸n o + c o 3 燃料型n o x 燃料型n o x 是指燃烧过瑕中，结食在燃料中的杂环氮化物热分解，然后劂氧 化台两生成夔n o x 。研究表明，气耀燃料氮的系列反应是从燃料中豹氮化物迅速 磊大鬟的转诧为h c n 帮n 珏3 开始豹。当燃辩氮和芳香环结合对，h c n 是主要初 始产物。警燃料氮是氨的形式时，赁孽n h 3 是主要的初始产物。h c n 和n 掩裰氧 化的主要反应途径如下： h c n 马n c o 二鼓呻n h 二曼啼n 二轴n 、 n 二垫立基畸n o 二旦畸n l n h 3 型屿鹕 j t h ，堡：i 丝呻n n 缝盛蔑一 n h t 二n n h 二n l n 二i ! 冉n 、 必型n o 由此霹稚，燃料受n o x 静生成避程比起热力整n o x 簧复杂铎多，i 爵与抉速 型n o x 的生成过程眈较接近。燃辩氮转换成n o x 的蠢主婺取决予空气一燃辑糯合 比( 简称定燃比) ，较少依赖于反应温度。 根据上述三种类型n o x 的形成机理，可以知道影响n o x 形成的主要因素有： ( t ) 有机地结合在燃料中氮的含量( 取决于燃料种类) ( 2 ) 反应区中氧、氮、一氧亿氮和烃愿子团的含量 3 ) 燃烧湿度豹蜂俊 6 ( 4 ) 可燃物在火焰和反应区中的停留时间 在高温空气燃烧技术产生之前，主要是通过控制火焰温度峰值或限制在火焰 和反应区内的氧量，还有通过烟气再循环来减少n o x 的形成。主要有下列方法： ( 1 ) 风分级 ( 2 ) 低过量空气系数 ( 3 ) 燃辩分级 ( 4 ) 溜气循环 国内外许多研究表明，应用高温空气燃旒技术能够有效地减少n o x 的排被。 文献【l9 j 通过与稳定火焰燃烧方式的比较发现，低氧情况下产生的无焰燃烧可以避 兔峰值温度的出现，因此大大抑制了热力型n o 的生成。不仅如此，作者通过 实验认为，即使空气被预热至很高的温度，仍然可以有效地减少n o x 的产生。 文献【2 0 】用三种不同的烧嘴，分别在玻璃熔炉中进行实验比较。结果显示，用预混 烧嘴会产生较高的n o x 撵敦，藏因是在局部产生燃料过剩，出现亵潺区。两用 套篱式非鞭混烧嘴则盟显降低了n o x 熊生成，原因甥结为扩教燃烧方式使锝燃 烧区城变大，淘熬个炉膛延传，侵炉滠降低露且趋予均匀。最后对套篱式烧嘴进 行了改进，形成分剐射流鳖浇灞。虽然该实验中没有预热空气，毽是道过改交烧 嘴的结构和方式来降低n o x 的糟 放，本身也是高温空气燃烧技术的踅要组成部 分。清华大学祁海鹰等用常规的射流方式和高温空气燃烧射流方式进行比较，分 析了射流对氧浓度、火焰长度变化的影响。在此基础上，进一步分析了射流速度 和角度对n o x 生成的影响，结果都表明高温空气燃烧技术的n o x 生成量较普通 燃烧大幅度减少2 “。馋者进一步研究表明，n o x 的扫 放随着进口奎气氧浓度成近 似指数形式变化。当进口空气湿度控到在1 2 0 0 1 3 0 0 k 黠，空气氧浓度应低予 2 4 才能使n o x 豹摊敖豢低鼍二1 0 p p m 2 烈。 1 4 燃烧过程数值模拟酶物理秘化学模型 t 4 1 湍流流动的基本方程及k f 双方程湍流模型 在实际燃烧室中，气体流动大都是湍流流动，所裔物理量都悬空溺霸时阑的 随平凡变量，值是滴流流动仍遵循连续介质一般运动规律，并其有一定黼律的统计 学特征，其瞬时流动们俩起稻性矾1 萃惩明乃程，獭还燃姥糯勒备瞬明日可似分刀程 如下： 连续方程：塑o t + 三a x f 嬲。1 = 。 (14)j j 动量方程：昙( 用小毒( 艘- ) = 一善+ 毒( 勺) s ， 组舫襁昙( 础毒( 融心毒滢割飞 s ， 缒勰下0 c 7 ) 告( 蚌妒) = 毒睁i o c , t 卜g ， 式中，铲c 考十善卜詈f 菪磊，勺黼撤庭力n 封上述控刳方程取雷诺时均，出现雷诺趣莛项，姨得上述方稳不再封潮。封 闭霆诺方程组豹最麓单方法是采黑b o u s s i 珏e s q 1 8 7 7 ) 提出熬涡流糕性缓设，嘏据 该缓设雷诺应力霹定义为 一p 弼鸹 薏+ 考j _ 詈警岛 s ， 并报攒此假设可得到其它类似的假设； 一p 讽= 笠s c t 鸭 一解妒。鸶考( q j 将其代入经雷诺露均嚣静控制方稷组霹得到- f 判方程缀： 挈+ 挈= 睾荆3 x 蔷+ 帮3 * 别 甜瓠蕊，| 一l 螽，鼠j观l 螽， 挈+ 挈= 毒( 莹爵虿 a 拙，a x ，i & 瓠，j 。 挈+ 挈：杀陪掣悖 良 苏，教1 择强1 8 ， ( 1 - 9 ) ( 1 - 1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 1 - 1 2 ) ( 1 1 3 ) 其中，t 。= + t ，- t 为朦流动力粘性系数，而“为湍流动力粘性系数，该值未 知，嚣莼链理霄诺方穆组润题转优为求解滚滚糕性系数秘和溃滚燃烧速率织约 问题。计算湍流粘性系数“的方法就是所谓的湍流模澄。目前计算湍流模型种类 缓多，妇零方程模型、单方程模型、双方程k 一占模型、雷诺应力模型和代数应力 模型；本文接瘸静是双方程k 一占模型。褒枣一占双方程摸裂中溱滚糕牲系数定义 为： 弘。= c , k 2 店 ( 1 - 1 4 ) k 为瀵流动能，为湍流糕散率。 其中黥k 秘君的控制方程分别表示为： o _ k + z , - - 蕊= - - ：p s + 旦f 旦苎1 ( 1 1 5 ) a t a x , 冁巍j 鲁+ 瓦毒= e ；量尸一e ：譬+ 苦( 毒毒 m - s ， 式中湍流动能产生项 蹦q 哥夏爵2 糖+ 剖 模型中常数q ；0 0 9 ，e = 1 4 4 ，g 2 = l 。9 2 ，镰= l ，0 ，疋= 1 3 。 由于k g 模疆形式简单，使稻方便，多年来被广泛应用于工程闻题。僵许多 计算结果与实验数据比较表嘴，它较适用于射流、管流、自由剪讶流以及弱旋流 等较简单的湍流流动，而不太适用于强旋流、回流及曲璧边界层等一些复杂的湍 流流勘。 1 4 。2 概率密度函数燃烧模型 燃烧过程是种综合的物理化学过程，通常倪含了流体流动、传热、传质和 化学反应以及它们之间的相驻作用。几乎所有实际装置中的燃烧现象都是湍流燃 烧现象，瑟有化学反应的羰淡是一个很复杂的现象，其中的速度、温度、压力、 密凌秘 乏学鳃分兹浓度等都骞缀太鲍躲动。按铡方程豹形式锻复杂，网时不封闼， 需要键出专门的近似公式和封闭禳型。由于濡流反应流中许多参数都羟随杌脉动 的，可视为随机量，难以用确定的方法迸行描述。对这种澄的描述不楚要给出它 在空问任意点的瞬时值随时间变化的严格规律，而是要给出它取某个值的平均概 率。因此，采用概率统计方法来描述和研究湍流反应流是十分自然的。采用概率 密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，简称p d f ) 的方法在解决湍流燃烧的问 题中已缛到了最广泛黪应用2 3 1 【2 4 1 。鼹爆鲍凝率密度函数法，即定义p ( ，) 表示变 量f i n 僵歉予，孝毽羊酗之润懿死率，鄯，蕊处予，秽伊胡之润懿酵阉分数，数p ( f ) 称为交量厂的褫率密度函数 p d f ) 。一般情鬣下p ( f ) 是空闯位嚣静溺数，羲隧 变量，的种类而交化。这建，可醣是菜个变量的假，魂可黻是交蒙的梯度等等。 在概率密度函数燃烧模型中，假设反应速率无限大，各标量( 温度、密度和化 学组分的质量分数) 仅由，的函数来确定。，代表燃料和氧化剂的混合分数，混 合分数f i n 定义式为： f ：受二篓坠f 1 - 1 7 ) ? m k | ：一m b 式中：m 。为缎分k 静质量分数，m k o 羹氧纯裁中组分素熬黢量分数，为燃料中 组分k 的质量分数。由p ( ，) 求一个量曲0 9 的平均值的定义式为： 痧2f c w ) e w ) d s ( 1 - 1 8 ) 避量，量谚可以燕燃料、篾仡帮或其它不参与化学反应的稀释气体的质量分数， 也可以是h ( 如聚h 是守恒量的话) 。 确定输运变量脉动概率密度函数p ( 力的方法主要有求解输运方程法和简化假 定法薄秘，分别嚣之为竣运方程媳p d f 鄹茨化的p d f 。求解输远方程法是通过 建立速度秘化学热力学参数的联会壤率密度翡数熬输运方程，进行求解恧褥到输 遴交藿脉动静概率密发输运方程；篱纯静p d f 怒蓄先缓定输运交量躲动豹壤率 密度函数的其体形式，通过确定其中的一些符定参数采获得输运变量脉动韵褫率 分布。在湍流燃烧的模拟中，简化的p d f 得捌了较为普遍和广泛的应用。 在简化的p d f 模挺中，不同人采用了不同的概率密度函数形式，应用较多的 有以下几种：双5 分布、截尾高频分布和b 函数分布。双6 分布的待定参数易于 确定，弓l 入计算量小，但蠢些情况下会出现一些不合理的计算结果，如琼斯指出， 鼹6 躺攮率密疫聪数秘誊特与比尔掺在淤浚扩敷火焰中测雩导的结皋不符合。截尾 1 蕊 商斯分布塑的概率密度函数南卢克伍德等人在1 9 7 5 年箍出，虽然萁计算结莱较 为合理，但分布蕊数中常数的确定有一定的任意憔，且确定p ( 厂) 需要速代，计算 量较大。r i c h a r d s o n 等人提出了0 函数形式的概率分布函数，此函数既去掉了人 为的裁尾过穰，减少了任意性，又使p ( ，) 中包含的常数可以麓接表示出来，省去 了迭代程序，减少了计算量。敞函数分匆在湍流燃烧的模拟中获得了最广泛的 瘦用，并壤镘了炎好豹效果t 当采篇叠溺数形式翡概率密度涵数来描述混合分数熬脉动辩，p o ) ，燃烧鄹可遴孝亍，不震要点火源来启动燃烧。这通常对于非 预混火焰是可接受的，但在颡混火焰中，反应耪一进入计算区域( 火焰稳定器上 游) 就开始燃烧。为了修正逮一点，有限速率，涡耗散模型对a n - h e n i u s 反应逮率 和涡耗散速率都进行计算。净反应速率取两个速率中较小的。实际上，a r r h e n i u s 反应速率作为一种动力学开关，阻止反应在火焰稳定器之前发生。一旦火焰被点 燃，涡耗敬速率通常会小于a r r h e n i u s 反应速率，并且反应是由混合过程限制的。 这主要是院业有些温度低豹地方被认为也能产生燃烧。 由于p d f 燃烧模型在存在化学反应的情况下无法藕合固体和流体问的传 热，因此本文在非稳态燃烧过程数值模拟中采用了有限速率涡耗散模型。 1 4 4 辐射传热模型 工程用燃烧设备中由于火焰对周围壁面和介质有强烈的传热，欠焰中介质的 温度很不均匀。因此，火焰传热对燃烧的流动过程、化学反应过程有很大的影响， 也就是说火焰传热对于燃烧过程本身有强烈的反馈作用，而燃烧室中火焰辐射换 热十分强烈，常用工糕燃烧设备中的火焰传热中辐射抉热约占9 0 ，在火焰传热 过程中起主导俘髑。所以在对炉内燃烧和流动过程进譬亍数值模拟时，选择合遗的 辐射传热模型裁 # 豢燕要。在数馕计算孛，辍射传热对整个系统参数变化的影响 钵现在能耋方程中代表辐射按热豹灞瑗串。火焰辐射换热数值诗箕方法多秘多 样，而目前常用的方法主要膏t 2 6 - 2 8 ：热流法( h e a t f l u x m e t h o d ) 或称燕遴量法、 区域法( z o n em e t h o d ) 、概率模拟法葳称蒙特卡洛法( m o n t e c a r l om e t h o d ) 、离 散坐标近似法( d i s c r e t eo r d i n a t e s a p p r o x i m a t i o n ) 。这些方法大致可分为两类：一 类是直接将辐射强度按某种形式( 泰勒级数，球谐函数) 展开，弭代入到辐射基 本方程中，从而得到一组微分方程，然后进行求解，如热流法等；另一类是跟踪 蚤条目 线，沿传播方恕求解务点的辐射强度，如区域法、蒙特卡洛法茅离散嫩标 法。本文采用褰教坐檬近似法。 离散坐标法( d i s c r e t eo r d i n a t e s ，篙称d o 模型) 幽c h a n d r a s e k h a r 酋兔提坦。 采用离散坐标辐射模篷逑行辐射俦熬计算对，需求解有限数爨离散立俸角瓣籀割 强度，而此法就怒将辐射能交换方程中煎角秘分遥钕地餍数德求袄方法舅击。辐 射强度的离散坐标方程可以由计算每一个离散方向上精确的能量变换方税求得。 在离散坐标辐射模型中，能爨方程转化为s 方向上的能羹输遥方程的个数与 空间坐标系中的方向矢量个数相同。其数学表达式为： 掣= 如职咖醐2 等十f 。啦雠字妇 ( 1 i ：s ) 呶i嚣q rm 式中：a 一吸收系数： 疗。一数辫系数； i 一位置矢量； j 方淘矢莹： r 散射方向矢量： s ，一i 的分艟； 仃s t e 矗m b o l t z m m m 常数，口= s 6 7 2 x1 0 8w t ( m 2 k 4 ) ； 盯一折射系数； ，一总辐襞强度； r 一热力学湿度： q 一立体角； 中相函数，表示内向散射的空间分布特性。 式中等号右端第一项为由于介质吸收和散射而造成的辐射强度减弱，第二项为介 质自身的容积辐射，第三项为各方向进入微元体的热辐射在s 方向的散射。 离数坐标方法熙数值求积方法米近似计算辐射能量方程中的角积分，在计算 辐射积分式曩寸，燎它分为若于个q i 方向，即： ii n 渤地2 缸q “ ( 1 1 2 7 ) 每个方向上都有一个加权因子嘎，这些因子是角向求积时的加权羹，用来计算辐 射强度分布的角恕积分。这样辐射强度i ( r ，qi ) 的离散坐标方程就可幽计簿每一 个离教方囱q 上精确的能量交换方程求得。 离散坐标的能藿方程为一缀n 个辎莉强度t 的盏联镐微分方稷，在求出辐射 强度飚，可由下式算出辐射热流： q = p 溅= 竞鹚，i t 4 n ”1 ( 1 2 8 ) 总之，离教坐据辐射模型把能爨方程转证冀空间坐标中鲍辐射缝量传递方程， 求解方法鞭滚体浚费及缝爨方程致，易与滚动方程联立袋群；离教坐标耀射摸 鹫适帮范嘲广，可良解决献舔面闯辐瓣到燃烧中空闯辐射等辐射阀题，能够方便 地处理入射散射项；藏外，离散坐标辐射模鳌对计算梳内存和速度要求也不是很 高。鸯虑到离散坐标辐射传热模型在计算精度、计算嫠及边界处理等方面的优越 性，故本文选用离散坐标辐射传热模型来计算炉内的辐射换热。 1 5 本论文的主要内容 本论文主要依托国家自然科学基金项目低热值燃气无焰燃烧过程中氮氧 化物排放特性的研究( 编号：5 0 2 0 6 0 1 4 ) 。所做的工作主要包括以下几方面： 1 设计制作了高滠空气加热装置，劳通过多次试验对高温空气加热装置进行 了优化改遴； 2 ，镬蠲城市媒气遴 亍了麓温空气燃烧热态试验，测嶷炉蠹瀑度场分东以及 n o x 分布，在邃部烟气豳瓣处，测量了烟气中n o x 静含鬟。对炉凑瀑度 场分布稚n o x 分布进行分析研究，探索n o x 的生成蕊律： 3 对热态实验炉内燃烧过程进行了数值模拟，迸步研究了炉内流场、温度 分布和n o x 排放特性； 4 分析了某钢铁厂均热炉存在的问题，提出了用高温空气燃烧技术改造均热 炉燃烧系统的方案，利用数值模拟方法对炉内流场和温度场以及氮氧化物 的生成量进行稳态燃烧过稷数值模拟研究，分辑不周燃气、空气入网温度、 速度等参数对艇个炉内湿度场、速度场的影响，以及n o x 的搀放量，最 嚣确定最德改造方案； 5 对筠燕炉内菲稳态燃烧过程和翻热过程进行了数值模接，整理分析j 稔态 工况下炉内温度场、速度坜、n o x 分布，并与原均热炉燃浇形式迸行眈较： 同时，还对非稳态工况下，炉内钢坯的受热情况作了分祈比较。 - 1 5 - 第二章热态实验研究 2 1 实验目的及意义 缀过近十年静发鼹，离温空气燃烧技术在滏夕 龙英是一些发达国家，妇尽本、 德国、英豳、荚国等褥翻了维广寂用，如霞本工鼗炉株式会社在1 9 9 2 1 9 9 8 年 的六年间在近1 5 0 台工妲炉窑上应掰了几种类黧的高温空气燃烧装置9 0 0 套。 发达圈家在研究与开发高温空气燃烧技术方面已经取得多项专利鳓。因此，有必 要开展具有自主知识产权的高温空气燃烧技术研究。 通常，研究一种新型的技术要依靠大量的实验，程取得了大量实验数据的前 提下，经过对实验数据的分析论诋，才能掌握该技术的各项细节。但是，随着计 算枧佬真技术的发展，剥耀计算极对燃烧过程进 予数谯摸拟，可以在计算扭上进 行设计方案蠡奄裙步验羲e 和烧骥性麓测试，爵以使装萋豹设计最佳化在受太程度上 依靠合理的计算，瓿两可敬减少实际设计_ i 作静裔舀性和工俸量，节约设计过程 中的能源、材料和入力。从这一点上采说数值模拟研究肖着巨大的优势。但是， 数值模拟本身是建立在各种模型假设和简化基础上的再加上实际燃烧过程的复 杂性及各种随机因素的影响，数值模拟的计算结果并不一定能够完全真实准确地 反映炉内过程的实际情况，而是实际情况的近似。 本论文为此在实骏室内进行了高溆空气燃烧试验，测艟了实骏炉内的温度分 布秘炉膛如日处鲍n o x 裁 放攫，为进一步研究裹湿空气燃烧技术提供了实验使 摄。 2 2 实验内容及系统简分 本论文实验工l 乍出嚣部分组成：1 利用电加热器加热空气至工作温度；2 裹温 空气翻城书煤气熬扩教燃烧实验，测基炉内瀑凄分京及炉膛出口她的n o x 撼放 羹。 实验装置共有霞犬组成部分：i 高温空气电加热嚣：2 非预混蕴喷式烧猎；3 。 炉膛本体：4 t 钡0 温系统。圈2 ，l 是热态实验系统示意图。 1 6 - 瓣气 1 电景2 开蔫3 可调变臌器4 电压袭 5 ，k 型热电偶6 风机7 空气流盏调节润8 窄气流甄讣 9 ，档l 气流量谴节阀1 0 燃气流量训1 1 高温空气电加热嚣1 2 ，烧嘴 1 3s 型高温热电偶1 4 熘气成分分析仪 图2 - 1 实验系统示意豳 如图2 - 1 掰示，双风毒f i 出来的助燃空气经流量调节阀调节至王终滚量后进入 高温空气黼热器，在捅热鬟工作温度焉进入烧嘴。烧蠛与空气加热器避过法兰相 连，烧嘴为三喷口宣喷式烧潍，中间为燃气喷口，两铡为空气喷日，蠢径分剐为 i s m m 、3 7 r a m ，喷口中心间距6 0 m m ，参照圈2 3 。商温空气在烧嘴内部被分成 两股射流，以相同的速度经空气喷口射入炉膛。燃气由城市煤气管道供应，经流 量调节阀调节至工作流量后进入烧嘴，从燃气唉口射入炉膛，点火方式采用人工 点火。在高温窆气加热器电路中设有可调变压器，用以随时调节电压，控制助燃 空气的温度。高漫空气加热器与烧嘴之间插有热毫偶，用以测量空气加热器出口 处空气温度。 图2 2 为实验炉本体结构示意罄，