（工程热物理专业论文）燃气高温空气燃烧过程中氮氧化物排放特性研究.pdf

撼要 摘要 悫漫空气燃烧技术作为一秘顿必的燃烧技术，具有高效节能和低污染排放 姻双重优越性，受到秘学爨和工业界的广泛关注。此项技术的应用可以为我尉 工业炉窑行业带来臌大的经济效益，同时又可以降低燃烧污染物n o x 和c 0 2 的 搀放量。 本文采用试验研究和数值模拟相继合的方法研究了高温空气燃烧条件下结 构参数朔运 亍参数对n o x 排放量的影响。自行设计并搭建了燃烧试验台，迸行 了热态燃烧试验；测量了燃烧过程中各测点温度以及n o x 排放量，并进行了分 析，为数值模拟模型的验证提供数据基础。 本文数值模拟计算中采用k s 模型来模拟湍流流动，涡耗散概念模型来模 拟幽化学反应动力和混合速率共同控制的燃烧反应，离散坐标模型来模拟辐射 传热，并采用灰气体加权统计方法来计算炉内气体的吸收系数。对比了数值模 拟结果和试验数据，发现两者吻合较好，说明此模型能较好地模拟实际燃烧琥 象。 本文采用计算流体力学软件研究了结构参数和运行参数夜高湓空气燃烧过 程中对n o 排放量的影响。研究缩采表明： 1 炉臆结构和烧嘴布滗方式对炉艟温度醴及n o 排敖量彩嘀缀大，当炉髅 内有较大的燃烧空间以及充分的烟气循环时，n o x 捧敲量哭蠢9 9 m g l m 3 ，置炉 膛内温度均匀往较好。骚兢在设计炉麟结构聍要谦证炉麓内充分勰娴气徭嚣， 并尽可能保证反应区域不受空润鞭铜，以减小甚至遴兔局部高温嚣熬 妊瑰； 2 傈特燃气空气流量不变，警空气喷天速度不交辩，n o x 捧敖量随燃气空 气遥度琵的增大呈指数趋势减小；当燃气空气速度比大于6 魁，n o x 接放量基 本趋予稳定。稀当保掩撩气空气速度眈不变时，隧着燃气空气嚣赣终对逮凄妁 增大，n o x 排放量也隧燃气速度豹增麴呈指趋势减小；当v 锏= t 2 m s 聪n o x 籍 激量为1 4 3 m g m 3 ，孺当v f u 。t = 4 8 1 r d s 对，n o x 撵敦量则只鸯4 m g m 3 ； 3 。保持送入妒膛肉热量蝴霹，谚究了燃料热馕对炉内湿度场以及n o x 撼放 量静影璃。疆究发现：当燃料热蓬小予1 2 4 0 6 k j n m 3 对，妒膛最高温发和乎均温 凄穆随之臻掘，磊当燃料热馕大子1 2 4 0 6 k j n m 3 时，炉越最高滠瘦和平均滠度变 摘要 化不大，但燃用c l - h 时的温度要稍小于燃用城市煤气和焦炉煤气的温度值。n o x 排放量随着燃料热值的增大而升高，燃用焦炉煤气时达到最大，n o x 排放量为 1 4 0 m g m 3 ；但当燃用c h 4 时n o x 排放量则只有1 8 m g m 3 。 另外，本文采用了基于详细反应机理的良性搅拌器( p s r ) 模型，研究了助 燃空气预热温度、助燃空气中氧气浓度以及燃料热值对n o x 排放量的影响。n o x 排放量随着空气预热温度以及氧气浓度的增大而增大；当燃料热值小于 1 2 4 0 6 1 d n m 3 时，n o x 排放量随燃料热值的升高而增大，当热值大于1 2 4 0 6 k j n m 3 时，n o x 排放量基本稳定。 关键词：高温空气燃烧技术，n o 。排放量，烧嘴，试验研究，数值模拟，良性 搅拌器模型 a b s t r a c t 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 n ( h i t a c li s an e wc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y , w i t hg r e a ta d v a n t a g e si ne n e r g ys a v i n g ，l o wn o xa n dc 0 2e m i s s i o n h i t a ch a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a lf u m a c ei nd e v e l o p e dc o u n t r i e s i nt h i st h e s i s ，e x p e r i m e n t a lm e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r eu s e dt os t u d y t h ee f f e c to fc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa n do p e r a t i o np a r a m e t e r so nt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n dn o xe m i s s i o n 1 1 1 ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt og e t t h ed a t ao ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dn o xe m i s s i o ni nh i g ht e m p e r a t u r ea i r c o m b u s t i o np r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r eu s e dt ov a l i d a t et h es i m u l a t i o nm o d e l u s e di nt h ef o l l o w i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，k sm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et u r b u l e n tf l o w , e d d yd i s s i p a t i o nc o n c e p tm o d e lt o s i m u l a t ec o m b u s t i o nm e c h a n i s m ，d i s c r e t e o r d i n a t e sm o d e lt os i m u l a t er a d i a n th e a tt r a n s f e r t h er e s u l to fh u m e r i c a ls i m u l a t i o n w a sc o n t r a s tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a i tw a sf o u n dt h a tt h e s em o d e l sc o u l ds i m u l a t e t h ea c t u a lc o m b u s t i o np r o c e s sw e l l u s i n gt h ev a l i d a t e dm o d e l ，t h ee f f e c to fc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa n df u n c t i o n a l p a r a m e t e r so nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dn o xe m i s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ： 1 t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ef i z r n a c ea n dt h el o c a t i o no ft h eb u r n e rh a v eg r e a t i n f l u e n c eo nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dn o xe m i s s i o n i nt h eo p t i m u ms i t u a t i o n ， n o xe m i s s i o ni so n l y9 9 m g m ，a n dt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yi sg o o de i t h e r ； 2 w h e nt h ef l o w r a t eo ff u e la n dc o m b u s t i o na i ri sc o n s t a n t ，t h en u m e r i c a ls t u d y f i n d st h a tn o xo n i s s i o nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ff u e l a i ri n j e c t i n gv e l o c i t y r a t i o w h e nt h i sr a t i oi sm o r et h a n6 ，n o xe m i s s i o na l m o s ti st h es a m e w h e n k e e p i n gt h ef u e l a i ri n j e c t i n gv e l o c i t yr a t i oa n di n c r e a s i n gf u e la n dc o m b u s t i o na i r i n j e c t i n gv e l o c i t y ，t h es t u d yi n v e s t i g a t e st h a tn o xe m i s s i o ni s r e d u c e dw i t ht h e i n c r e a s i n go ff u e li n j e c t i n gv e l o c i t yi ne x p o n e n t s w h e nv r u e i i s12 r n s ，n o x e m i s s i o ni s1 4 3 m g m 3 ，a n dw h e nv 如e li s4 8 m s ，n o xe m i s s i o ni so n l y4 m g m 3 ； 盎! ! 坠! ! -1_。w_”_”_。_。一 一 3 。i f h e a tq u a n t i f i e si n t ot h e 曩露魏8 0 # a r et h es 越t l e 、t h ee f f e c to ff u e lh e a tv a l u eo n n 0 xe m i s s i o nw a ss 鼬m e d 。i ti sf o u n dt h a t ：w h e nt h eh e a tv a l u ei sl o w e rt h a n 1 2 4 0 6 k j n m 3 ，t h ef l a m et e m p 盯a t u r e ，m e a nt e m p e r a t u ma n dn o xe m i s s i o n a l l a u g m e n t sw i t ht h ei n c r e a s i n go ff u e lc a l o r i c w 枣nt h eh e a tv a l u ei sh i g h e r 讯8 班 t 2 4 0 6 k j n m 3 b o t ho ft h ef l a m et e m p e r a t u r ea n dm e a t lt e m p e r a t u r e 擞a l m o s tt h e s a m e 。w h i i en o xe m i s s i o ni so n l y1 8 m g m 3i f m e t h m a ei sc o m b u s t e d ； i n a d d i t i o n ，p e r f e c t l y s t i r r e dr e a c t o rm o d e lb a s e do nd e t a i l e dr e a c t i o n m e c h a n i s m s v e a s u s e d ，t h e e f f e c t o f p r e h e a t e d t e m p e r a t u r e o f e o m b u s f i o n 遗o x y g e n c o n c e n t r a t i o na n dt h e 怖e lh e a tv a l u eo nn o xe m i s s i o nw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tn o xe m i s s i o ni n c r e a s e sw i t ht h ea u g m e n t i n go f c o m b u s t i o na i rp r e h e a t e d t e m p e r a v a r ea n do x y g e nc o n c e n t r a f i o u ，i ft h e f u e lh e a tv a l u ei sl o w e rt h a n 1 2 4 0 6 k j n m 3 ，n o xe m i s s i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ef u e lh e a tv a l u e 。b u t n o xe m i s s i o ni sa l m o s tt h es a m ei f f u e lh e a tv m u ei sh i g h e rt h a nl2 4 0 6 k j n m 3 ， k e y w o r d s t 琢垂t e m p e r a t u r e a i rc o m b u s t i o nt e e h n n o g n o xe m i s s i o n , b u r n e r , e x p e r i m e n t a ls t u d y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p e r f e c t l ys t i r r e dr e a c t o r 学位论文版权使用授权书 本人完全了勰月济大学关予收集、保存、使用学位沦文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本翻电子舨，劳采用影印、缝印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者郝分的黼览鼹务；学校有权按有关规定向嗣家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校司以适当复制论文鑫皇部分或全部内容用予学术活动。 学位论文作者签名 捌i 年每月 经指导教辩同意，本学位论文滔予保密，在7年惩密詹适用 本授权书。 指导教师签名： 至森占 学位论文作者签名： 椭 j 心年3 月矽e t 如莎 年；月p 翻 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 以年 日 口 历玎) 蜘月 压； 第1 章绪论 。1磷瓷鸷景 第1 耄绪论 我国工姥炉是黪趣妁大户，“七血”期阅，炉察熊耗占全霹总熊糕的l 越， 占工业总熊耗的4 0 。, 6 。在日本，钢铁、有色金属和汽车制造业等行业工业炉总 巍耗麴占疆本全蚕戆2 0 。9 0 年代勰全莺1 2 巾王挫部门统计，王鼗炉窑6 。i7 9 台，年耗煤1 5 亿碡。我筒工监炉平均热效率1 5 ，差莳甚鬣仪有5 6 ，与发 达国家如日本工业炉3 0 4 0 的效攀相比，羞躐缀大，见淡l 。 裘t - t 凌霆工整炉黪挚经麓涤滋蒽表 单位能源消耗 类别 蛰链最瀚僮最低德平辫馒国乡 平均值 薅镧| 势楚稼瓣飚镄 0 。4 0 9番 蛰60 1 7 4 0 1 2 l 炼镪电炉吨标煤，吨钢0 5 2 2o 2 7 0 o 3 3 l o 。2 3 烁铁高炉 吨标煤，n 钢0 7 0 70 4 6 90 5 2 90 4 4 寒嚣窑睫椽煤髓熬n - 氇3 9 2氇i 0 4氇l 警5毡 t 4 平檄玻璃密吨稀蝶，黉量籍 o 。1 7 lo | 0 2 3o 、0 3 20 0 1 轧钢加热炉吨栎燃吨钢 o 。3 5 6o 0 3 9o 0 7 6o ，0 5 9 冲天炉吨拣炼黼铁 o - 2 4o 0 9 7o 1 3 2o j 2 台车式抽热炉噫标煤，吨铁o ，9 2 0o 1 6 0 5 2o 2 8 台车式热处埏| 炉吨稿n - ，吨钢 0 ，9 3o 40 4 4 o 1 0 8 室式加热炉吨据燃，蟪钢 1 o n 3 o 。5 0 。3 涉羹于擐妒缱辍爨s 堍产晶 l ，o0 20 5 3， 熔锝炉吨标煤吨产晶 o 。6 30 2 6o 4 2 ， 糖窑 吨标燃，万块砖 2 。51 1 61 3 2， 曩鬻辫浚察琏栎媒，蜮元搏，l 。4 2 岳8， 莉；i 密吨标媒跳产品 0 ，4 50 1 0 70 7 9， 第1 章绪论 文献表明，我国工业炉的平均排烟损失为3 2 ，全国钢铁行业4 8 0 多座炉 子总排放余热为1 2 5 万吨标煤年。在我国钢铁行业中主要采用金属换热器来回 收余热，换热器效率约5 0 6 0 ，大量烟气余热不能得到利用，加热炉的热支 出中烟气温度一般在6 0 0 1 2 0 0 ，占投入炉内的燃料拥有热量的3 0 6 0 ，只 要回收其中部分余热，即可节约能源，故加热炉余热回收和利用一直是大家所 关注的问题。 能源的稳定保障了世界各国经济的稳定增长，促进了社会的进步和物质文 明的提高。而大量消耗能源又会诱发发展经济与保护环境的矛盾，大量燃烧煤、 油、天然气这些常规能源而对环境造成的污染，包括氮氧化物、硫化物、未燃 碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、烟尘、粉尘等，日益构成越来越严重的公 害，威胁着人类的生存环境和健康问题，因此如何降低污染物的排放量成为当 前世界各国燃烧科学与技术方面研究人员公认的重要研究领域。 表1 2 给出了近几年对北京近百座大中型工业炉的调查结果，可见s 0 2 和 n o x 的排放量都很高，全国也基本上都处于这一水平，甚至更差。 表卜2 北京市工业炉窑污染物排放情况 炉窑类型燃煤炉燃油炉燃气炉 热效率( ) 1 8 23 0 85 0 5 过量空气系数 2 9 73 5 61 9 粉尘排放浓度指标( m g m 3 ) 2 3 3 l4 4 63 2 1 n o x ( p p m ) 4 0 44 2 92 8 7 s 0 2 ( p p m ) 3 4 5 4 8 6 4 在人们对燃烧技术的不断探讨过程中，于二十世纪八十年代初，英国的 b r i t i s h ig a s 公司与h o t w o r k 公司联合开发了一种在工业炉和锅炉上节能潜力巨 大的蓄热式烧嘴，用于小型玻璃熔炉上。其后，这种烧嘴被应用于美国和英国 的钢铁和熔铝行业中。尽管这种烧嘴具有n o x 排放量大和系统可靠性等问题， 但由于它可能使烟气余热利用达到极限的水平，节能效益巨大，因此在美国、 英国、日本等国家得以推广应用【2 】。八十年代末，日本田中良一等人提出了一种 新概念燃烧技术高温空气燃烧技术【3 】( 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 第1 章绪论 霉为h j t a c ) ，该技术主爱包括两种撼本技术手段：是助燃空气最大限度回收 ( 或稷鞭醚液) 烟气静簸熬，二筵燃糕在低氧气鬣下瓣浇。在鹜零一些王显代佬 冶金企业的商业应用结果寝明：h i t a c 技术可节能0 5 0 ，单位能耗c 0 2 碱少 3 0 ，n o x 排放量由数西或数千可减小2 0 ，燃烧噪音降低。 1 2高漩空气燃烧技术的节熊意义和环保意义 能源燕人类赖鞋生存鹣五大要素之一。占我嗣g & 源9 0 以上豹化石燃料必 须通过燃烧将其化学琵转变为熬煞嚣方可耩焉，两燃瓣燃烧是我国曩最烹簧 的污染源。高温空气燃烧技术作为一种新兴的先谶燃烧技术，媳有高效节能和 低污染排放的双重优越蚀，受到科学界和工程界的广泛关注，_ 陂用此技术可以 麓我国王鼗沪窑学韭繁来缀大豹经济效盏，嚣霹霹叛簿 羲燃魏浮染耪n o x 巍溢 室气体c 0 2 的排放，因此，发展这项技术具有十分踅要的现实意义 4 j 。 2 1 高效苇薤特性努析 ( 1 ) “极限”回收烟气余热，预热空气 高温空气燃烧技术由于采用了先进的蜂窝陶瓷作为蓄热体，因而能够实现 常瓶预热方法不能实现的“极限”余热回收。它畿极大地回收麓滠烟气物瑗鼹 热，使莪 烟损失降低到焱大限度。普遴空气预热器出于受零孝质及鑫身往麓警瀚 素的影响，最高只能把空气预热到6 0 0 左右。而该技术可将助燃空气温度预热 到高温烟气漱度的9 0 左右。显然，嫩气被预热到赢温增加了送入炉内的物理 热，减少了裁 惩损失，鬃骞秘显蠡冬节貔效鬃。臻热空气熬爨糕节终率诗算公式 为 & 。豆p 口x 1 0 0 ( 1 - 1 ) p = n - l o c 。t 月 ( 1 - 2 ) 式中：s p 为燃料节约率；为被炉膛利用的单位体积的燃料有效热，k j m 3 ；p 为单位体积空气蒂天夔热爱，k j m 3 ；”为过量空气系数；三。为懋秘熬魏理谂空 气所需量，m 3 ；c 。为空。t 的比定压热容，k j ( m 3 k ) ；t r 为空气的预热温度，。 第1 章绪论 ( 2 ) 低过量空气系数燃烧 由于高温空气燃烧技术“极限”回收了高温烟气余热，使助燃剂温度预热 到了燃料着火点温度以上，因而，燃料分子与氧气一接触便能迅速燃烧；而且 由于炉内烟气部分回流，燃烧火焰体积成倍增大，燃料与助燃剂在炉内混合均 匀，因此，采用此技术，在空气过量系数接近1 0 的情况下也能实现完全燃烧。 利用低过量空气系数燃烧是比较经济的节能方法，在保证完全燃烧的前提 下，过量空气系数越小，节能效果越显著。 修正过量空气系数的燃料节约率可用下列公式计算”1 ： s 。： 鱼堕二! ! ! ! 垒 。1 0 0 ( 1 3 ) 1 q d 一q ，一o ( n 2 一i ) t c 。 、。 式中：s 。为修正空气比的燃料节约率，；n ，为修正前过量空气系数；n ：为修 正后过量空气系数；r 为炉温，k ；q 。为单位体积燃料的低位发热量，k j m 3 ； q ，为理论燃烧时单位体积排烟带走的热量，k j m 3 。 ( 3 ) 炉内换热增强带来的节能 采用高温空气燃烧技术，炉内气流强制循环流动，炉内气体混合加强，对 流换热增大，而且燃料在高温低氧气氛中燃烧，火焰体积成倍增大，火焰充满 炉膛，炉膛温度分布趋向均匀，温差可减小至3 0 5 0 。由于炉膛平均温度提 高，炉内气体辐射能力增强，因此被加热工件受热均匀，加热速度增快，换热 效率提高，从而提高了产量；此外，由于实际燃料消耗量不变，这就相当于间 接节省了燃料。另一方面，换热效率提高，使炉膛尺寸减小，从而减少了散热 面积及炉衬的导热、蓄热损失，相应地提高了燃料的热能利用率，达到了节能 目的。 ( 4 ) 综合节能率 高温空气燃烧技术既“极限”回收了高温烟气余热，又在很大程度上降低 了过最空气系数，同时改善了炉内换热条件，从而提高了工业炉窑的热能利用 效率。回收烟气余热和降低过量空气系数的综合节能率计算公式为”1 ： s = s p + s 。( 卜s 。) 。当以丙烷为燃料进行计算时发现燃料综合节约率可超过6 0 “。 4 第1 章绪论 1 2 2 高温空气燃烧技术的环保意义 工业炉窑不仅是主要的能耗大户，也是大气污染的主要源头之一。在工业炉 窑领域推广应用高温空气燃烧技术，可大大降低工业炉窑对大气的污染，具体 表现在： ( 1 ) c 0 2 等温室气体的排放量显著降低 高温空气燃烧技术的高效节能，使燃料消耗量可显著降低。燃料消耗量的 降低就意味着可减少c 0 2 等温室气体的排放，节能多少，c 0 2 排放量就降低多 少。 ( 2 ) n o x 生成量极大降低 n o 。主要有热力型和燃料型两种。目前，国内高温空气燃烧技术以燃用气 体燃料为主，气体燃料中含氮化合物少，因此燃料型n o x 生成量极少。由热力 型n o x 生成速度公式【6 ： 掣= 黹e x p 一等j n ，等e x p ( 警n o2 ， 可知，热力型n o x 的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度、氮气与氧气 的体积分数及高温烟气在炉内的停留时问有关。其中，温度是影响热力型n o x 的最主要因素。采用高温空气燃烧技术，n o x 生成量极少，其主要原因有： a 炉内平均温度升高，但峰值温度降低，没有传统燃烧火焰的局部高 温区： b 炉内部分高温烟气回流，减小了氮气、氧气的体积分数； c 气流速度大，燃烧速度快，烟气在炉内停留时间短。 ( 3 ) 燃烧噪音低 预热后的助燃剂喷入炉内速度在1 0 1 0 0 m s 范围内，但其燃烧噪音通常只 有7 0 8 0 d b 7 1 。这是由于炉内气氛为高温低氧，燃料与氧气发生燃烧的区域扩 大，燃料首先进行裂解、重组等过程，形成与传统燃烧完全不同的热力学条件。 燃料在低氧氛围中，化学反应速度反而得以延缓，燃烧产生的噪音较低。 如上所述，高温空气燃烧技术在工业炉窑领域的应用具有较大的节能潜力 以及重大的环保意义，因此在我国进行广泛推广具有重要意义。 第1 章绪论 1 3高温空气燃烧技术的工作原理 随着经济的发展，全球的资源和生念环境日趋严峻。分布于全世界各地的 大大小小的工业窑炉面临着节能和降低排放污染的重要课题。节约能源是可持 续发展的一个基础，降低有害气体如氮氧化物以及二氧化碳的排放，是缓解地 球生态环境进一步恶化的一个必然途径。 高温空气燃烧技术( h i t a c ) 最早是由日本学者田中良一等在2 0 世纪8 0 年代末提出的一种新型的高效低污染燃烧技术。2 0 世纪9 0 年代以来，在工业化 国家的钢铁、冶金、机械、建材等工业部门的各种工业燃烧炉中，h i t a c 技术 的应用呈现迅猛发展的势头，受到了国际工程界和科学界的广泛关注。 高温空气燃烧技术是利用燃料燃烧后产生的烟气显热来预热燃烧所需的空 气，使空气预热温度高达1 0 0 0 c 以上。高温空气燃烧系统主要由燃烧室、成对 布置的烧嘴和蓄热器、换向阀等主要部件组成，其系统示意图见图1 - 1 。 图1 - 1 高渝空气燃烧系统示意幽嘲 当烧嘴a 工作时，a 侧燃料阀打开，b 侧关闭，经蓄热器a 预热后的空气 连同燃料由烧嘴a 喷入燃烧室，加热工件后的高温烟气经烧嘴b 进入蓄热器b ， 将其显热传递给蓄热体后，经换向阀排出。经过一定时问( 2 0 s 2 0 0 s ) 后，换 6 第1 章绪论 向阀动作，此时b 侧燃料阀打开，a 侧关闭，空气经换向阀进入蓄热器b 吸收 蓄热体的热量，然后连同燃料通过烧嘴b 进入燃烧室燃烧，产生的高温烟气经 由烧嘴a 进入蓄热器a ，在那里释放热量后，经换向阀排出，完成一个换向周 期。这样，蓄热体周期性的储存烟气放出的热量，并用储存的热量加热助燃用 空气，实现了“极限余热回收”。 高温空气燃烧系统的主要部件包括： ( a ) 成对布置的烧嘴：在高温空气燃烧技术中，烧嘴需成对布置，通过换 向阀切换以一定的频率交替工作；通过烧嘴进行炉内气流组织，降低燃烧区域 的氧浓度，从而使炉内燃料在低氧氛围下燃烧，这样才能实现炉内温度均匀分 布和低n o x 排放。 ( b ) 蓄热体【4 】：蓄热体是高温空气燃烧技术中的关键部件。蓄热体应具有 蓄热量大、换热速度快、结构强度高、耐高温高压、抗氧化与腐蚀、阻力损失 小和经济耐用等特点。近年来开发了一种新的高性能蓄热体蜂窝陶瓷蓄热 体，其材料主要成份为氧化铝，蜂窝壁仅厚0 2 o 5 m m ，单元间距为l 3 m m ， 其换热的比表面积高达1 3 4 0 m 2 m 3 ，远远超过了陶瓷球蓄热体的比表面积2 4 0 1 t 1 2 m 3 。与常规蓄热体相比，蜂窝蓄热体的体积仅为常规蓄热体体积的1 3 1 6 ， 0 6 5 m 6 5 04 9 3 a s ：1 3 4 4 m v m ， a s = 3 6 9m ：m ( a ) 蜂窝陶瓷蓄热体( b ) 陶瓷球 图1 2 高温空气燃烧技术中应用的两种典型蓄热体1 9 篇l 章绪论 惑量仅为 稻t 1 0 + 出于蜂窝螯热髂的高速鬻热翔释熟性熊，使于导换向时间也 蠢露麓鬻慧髂嚣2 3 分箨蘩鬈戮2 0 3 0 秽，避一多改善了空气羲熬戆淤态蕻 热特性。该蓄热体的瀚度效率商达9 5 ，热阐收率达8 0 以上。图1 - 2 麓两种 典型蓄热体之间的比较。 ( c ) t n 逶蔹蠹瓣：蓬逶获巍瓣篷建亵瀑空气燃浇系统中瓣美毽黎势，麓亲 实现空气和漏气闻滟鬻颇切换。褥警惩气按热器温度降低，挟两阕是程举太毫 的温度祭件下作业，对材料无特殊骚求，但由予切换周期短，仪2 0 3 0 秒，要 求动 售遮菠抉，热之烟气巾翕有坡多豹微小耢愈，高频切换作业必然会潮动作 蘸蒋蘩滚袋夫翡瘗搂，霆筵换蠢浚簿耱囊璺溪瓣褰。筵努，簌蘑藤逐懋矮蒸蠢 一定的附压、抗冲谢能力。采用凹通高频换向阀切换烟气空气易于察现自动 控制，抛商整个系毓的自控性能。 1 4 嵩溢空气燃烧技术的特点 ( 1 ) 最大器魔溺姨凝器耀气媳佘热 惑予离溢空气燃辘攘瘩采雳了蓄蒸式矮气余燕器较装黧，爱禧蓑丈鬻发透 收高溉烟气的余热。九十年代初，日本工业炉株式会社田中怒一领导的科研小 组采用热情性小的蠛鬻武陶瓷体撵为蓄热体，诃把燃烧所滞的空气温度嫩高预 热蘩t 3 0 0 c 毒蕊，逮麓气浸躞铰熬碧l o o * c 鞠，孬热热妒蒸蘩燧瀑爱毒 降至1 5 0 2 0 0 ，冀热回l | 臭效率w 达9 5 鲻淑丘。与传统的燃烧方式搁院，可 节约溅5 0 的燃料“。因此极大程度地降低丁棚热炉的排煳损失，达到了有效 爨囊熬澈蕊妥魏。 ) 预热空气濑凌迭鬟1 0 0 0 * c t 4 0 0 c 利用回收的烟气余热来预热燃烧所需的獭气，可便预热空气的漏膦达到 1 0 0 0 。c t 4 0 0 。c 。出予蠢温预热空气所具有的物理热增加了炉内的理论燃烧温 囊，这不绶蓑霖寒不戆藤予毫瀑王攮妒窑兹爨获熬篷菱室妒煤气露嘉棼搽气， 转化为w 用于轧钢和炼钢等工蛾炉厢的燃气。据高了低热德燃气的健麓价值； 此外幽予炉温的升黼，炉内传热加强，可以掇黼产品的产嫩和质量。这瓣咪着 对生产穗嚣鼗量蛰产潞，裹浸空气燃浇鼓零节缱了爨器潞瓣_ 鼗。 3 ) 壤少n o x 臻戏藿，减轻繇靖污桑 布淤用高温空气燃烧技术的工业炉中，通道燃烧工7 兄的组织，使燃料牲含 第1 章绪论 氧浓度低予2 l 的气氛中进行燃烧，减少甚至消除局部高温隧，从而降低了n o x 豹生成羹，疆轻对环壤熬污染。 ( 4 ) 沿火焰长度方向上温度分布均匀 1 5 1 0 0 0 7 0 0 0 5 0 0 1 0 t 5 火焰歇度扣， 嘲1 - 3 蒋统燃烧方式与嘉瀑空气燃烧方式下洛火焰长度方向瀑度分布 图t - 3 为传统燃烧与高温空气燃烧方式下沿火焰长度方向上的温度分布。在 传统的燃烧方式中，由于燃料在喷嘴出口处就与助燃空气相遇并燃烧，因此在 喷璐瓣逅，火焰温度较麓( 如图1 3 中兹线l 繇示) 。在高温空气燃烧技术中， 空气喷日灏燃料喷墨之阀有一闯隔，在空气与燃气混合蓠，礴遮的空气射流卷 吸一定量的炉内烟气，使助燃空气中的含氧量降低到1 5 或照低。这样，燃气 与含低氧浓度的助燃空气混合，使得火焰的峰值溺度降低并滞后，火焰拉长， 炉蠹载瀑寝分布均匀，露翻予摄离被凝热产品匏矮量。 尽管商温空气燃烧技术具有众多优势，但由于采用了成对布置的烧嘴、蜂 窝陶瓷蓄热体、四通换向阀等部件，使得初投资增加；四通换向阀的高频切换 塑攀热了王艺熬复杂健，对系统控铡提出了更嘉戆要求。 1 5本论文的主要工作内容 宙予我罄辩高温空气燃烧技术晌磷究滏憝予怒步除羧，对簿溘空气燃烧技 术的机理认识尚有不足，极大地影响了该项技术在我国的进一步推广。 9 p正墼蔫餐长 第1 章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目燃气低热值无焰燃烧过程中氮氧 化物排放特性研究( n o 5 0 2 0 6 0 1 4 ) 。采用实验研究和数值模拟相结合的方法，研 究结构参数以及运行参数在燃气高温空气燃烧过程中对炉膛温度分布特性和氮 氧化物排放特性的影响规律。具体工作内容包括： 1 建立了燃烧试验炉，以城市管道煤气为燃料，采用电加热方式加热助燃 空气。对炉内温度场、排烟温度以及n o x 排放量进行了测量，获得了热态试验 数据，为进一步研究高温空气燃烧技术提供了试验指导，并为后续的数值模拟 提供了试验基础； 2 采用k s 模型模拟湍流运动，采用涡耗散概念模型( e d d yd i s s i p a t i o n c o n c e p tm o d e l ) 来模拟由化学动力和混合速率共同控制的化学反应，采用离散 坐标模型( d i s c r e t eo r d i n a t e s ) 来模拟辐射传热，采用灰气体加权统计方法 ( w e i g h t e d s u m o f - g r a y g a s e s ) 来计算炉内烟气吸收系数。通过数值模拟数据 和试验数据比较来验证所采用数值计算模型的可靠性，保证数值计算结果的合 理性； 3 通过数值模拟方法研究了结构参数：炉膛结构和烧嘴布置方式、炉膛高 度对炉内温度场以及n o 。排放量的影响。炉膛结构和烧嘴布置方式影响炉内烟 气流动形式，进而影响了炉内烟气对助燃空气的稀释程度，在炉膛内形成了不 同的温度场，最终影响了n o x 的排放量；炉膛高度过高，会使炉膛升温速度降 低，燃料耗量增大，炉体造价增高，而炉膛高度过低，会使工件受热不均匀， 延长工件均热时间，同样不利于提高炉膛升温速度和节约燃料。通过对结构参 数的研究为高温空气燃烧条件下优化炉膛结构提供指导； 4 通过数值模拟方法研究了运行参数：燃气空气喷射速度比和燃料热值对 炉内温度场以及n o x 排放量的影响。燃气空气喷射速度会影响助燃空气卷吸炉 内烟气的能力，进而影响炉内温度场和n o x 排放量，因此分析了随着燃气空气 速度比的增大n o 。排放量变化趋势，为高温空气燃烧条件下优化烧嘴结构提供 指导；随着燃料热值的增大，理论燃烧温度也会随之上升，因此必然生成大量 n o x ，本文研究了在保持送入炉膛内热量不变的情况下，燃用不同热值燃料时炉 膛内温度分布以及n o x 排放量的变化情况： 5 上述数值研究采用了计算流体力学软件，燃烧反应采用了简化反应机理， 未考虑中间产物对炉内温度场以及n o x 排放量的影响。因此采用基于详细反应 机理的良性搅拌器( p e r f e c t l ys t i r r e dr e a c t o r p s r ) 模型来计算炉膛高度、空 爨1 颦绪论 气预热瀑度、氧气浓度强及燃瓣燕毽霹n o x 簧 旅羹瓣影蟪。势麓潍空气燃烧羧 寒驰基磁磷炎爨筷理论臻尊。 第2 章高温空气燃烧条件下n o x 生成机理研究 第2 章高温空气燃烧条件下n o x 生成机理研究 2 1 n o x 生成机理和抑制原理 氮氧化物是指n 2 0 、n o 、n 0 2 以及n 2 0 5 ，燃烧生成物主要是n 2 0 和n o ， 这两者一般统一表示为n o x 。由于燃烧生成物中n o x 几乎都是n o ，只有在急 速冷却高温烟气和空气混合气的情况下，有很少一部分n o 生成n 0 2 ，所以在这 里不讨论n 0 2 的生成，此处的n o x 即可理解为n o 。n o x 在光的作用下将形成 光化学烟雾，严重影响大气质量并危害人体健康；还会形成酸雨，影响农作物 的生长，造成巨大经济损失。因此，控制燃烧过程的n o x 生成与排放一直是燃 烧技术发展的关键之一。 虽然n o x 生成机理非常复杂，但可通过控制燃烧过程加以抑制，因而正确 地了解n o x 的生成机理，结合低n o x 燃烧技术，对于开发高效率、清洁燃烧技 术是极其重要的。 2 1 1 n o x 生成机理 n o x 根据n 成分的来源( 空气中的n 2 、燃料中的n 成分) 及其生成途径的 不同，其生成机理和影响因素是不同的，抑制原理也有很大的差异。 氮氧化物形成的途径主要有两条：一是有机地结合在矿物燃料中的杂环氮 化物在高温下热分解，接着被氧化；二是助燃空气中的氮气在高温状态下与氧 进行化合反应生成n o x 。燃烧生成的n o x 主要有三种来源形式：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 ( t h e r m a ln o x ) 热力型n o x 习惯上指起源于空气中n 2 的n o x ，这是按以下扩大的捷里多维 奇机理生成的n o x ，主要在1 8 0 0 k 以上的高温区生成。 n + o n o + n ( r 1 ) n + 0 2 卜 n o + o ( r 2 ) 第2 章高温空气燃烧条件下n o x 生成机理研究 n + o h n o + h( r 3 ) 反应( r 1 ) 和( r 2 ) 称为捷里多维奇机理，加上( r 3 ) 后称为扩大的捷里 多维奇机理。捷里多维奇n o x 的生成特点是生成反应比燃烧反应慢，主要在火 焰带下游的高温区生成n o x 。假设各反应的正反应速度常数分别用符号毛，颤， 表示，逆反应速度常数分别用符号k l 。k 表示，则n o 和n 的生成速度可用下 式表示： d n o d t = 岛， n ： o 一k 。 n o o ， + 也， n o ：】一疋6 n o 0 ， + 岛厂【n o h 一向。 n o h 、 7 d f n d t = k lr n 2 o 一向6 n o 】 n 卜七2 ， n 【0 2 】+ 岛6 n o 】 o nm 一岛 n o h + 屯。 n o 】 h 】 式中： 表示各成分的物质的量浓度( m o l m 3 ) 。由于氮浓度随时问的变化 与其他成分相比非常小，故假设d i n d t = 0 ，这种假设称为准稳态近似 ( q u a s i s t e a d ya p p r o x i m a t i o n ) 。因此可求： d i n o d t = ( k lr i n ：】 o 卜砭6 n o o 一k 3 。【n o 】 h ) + ( 一魄6 n o 】 + 如r o ： + 屯r o h 】) ( 盔，i n 2 o 】+ 岛6 n o 【0 】 ( 2 - 3 ) + 毛6 n o h ) ( 毛6 n o i + gr 【o ： + k v o h 】) 由于捷里多维奇n o x 是在火焰带下游生成的，所以若n o 和n 以外的组分 采用平衡浓度，则上式的计算很简单。在n o 的生成初期，由于n o 浓度比较小， 可忽略，上式可简化为： d i n o d t = 2 墨，i n 2 】 o ( 2 4 ) 再进一步假定1 2 0 ：o ( 平衡常数k 。) 达到部分平衡： d n o d t = k n 2 】 0 2 r( 七= 2 k j ，k m ) ( 2 5 ) 则反应n ，+ 1 2 0 ，h n o 可整理为以反应速度常数k 进行。由此可见，0 2 浓度 越高，捷里多维奇n o x 的生成速度越快，另外k l ，与温度呈指数函数关系，且具 有3 1 4 j m o l 的高活化能，因此捷里多维奇n o x 的生成速度将随温度的上升而急 剧增大。 ( 2 ) 快速型n o x ( p r o m p tn o x ) 碳氢化合物燃料的过浓预混燃烧火焰中，虽然有起源于空气中的n 2 ，但又 是以不同于捷里多维奇n o x 的生成机理急速生成的n o x ，则这部分n o x 称为快 第2 章高温空气燃烧条件下n o x 生成机理研究 速型n o x 。快速型n o x 是经h c n 、n h 、n 等中阃产物形成的，丽h c n 、n h 、 n 等中瓣产物又是童骏鬣 乞合秘努耱遥翟中形威豹潘毪磋讫氢( c h 、c h 2 簿 与n 2 反应生成的： c h + n 2 h c n + n ( r 4 ) c h 2 + n 2 hcn+nh(r5) h c n 和n h 经一系列的反应变成c n 、n ，再被氧化为n o 。另外，n 亦由 反应( r 2 ) 和( r 3 ) 彤成n o 。快速型n o x 的生戏枫理与同榉起源子空气中豹 n 2 靛捷羹多维奇n o x 不问，对温度的依赖往低