【《平直炉胆燃烧研究》2600字】

平直炉胆燃烧研究目录TOC\o"1-3"\h\u9116平直炉胆燃烧研究 179171.1平直炉胆模型 1441.2网格划分与无关性验证 182691.3模拟工况说明与设置 2317441.4模拟结果与分析 31.1平直炉胆模型平直炉胆如图3-1所示，此结构出现最早且仍在使用，长6000mm，炉胆直径1200mm，回燃室直径2000mm，耗气量770Nm³/h。在初始炉胆模型建立中对结构进行简化，忽略炉胆在人孔处形状变化对燃烧过程的影响，模型中不进行人孔的建立。图3-1平直炉胆模型Fig3-1modelofflatfurnace1.2网格划分与无关性验证对比非结构网格和结构网格，结构网格节点的分布规律质量更高，与相同数量的非结构网格相比，结构网格计算量更少，降低计算所需的内存占用[56]。但结构网格只适用于结构较为单一的模型，不适用于复杂模型，本文模拟中的波纹炉胆结构复杂，如采用结构网格划分，在波节处会出现网格不贴合情况，导致计算结果精度降低，为保证计算精度，采用非结构网格划分。平直炉胆虽可采用结构网格划分，但为了减少网格划分带来的计算误差，两种炉胆均采用非结构网格。首先对网格进行无关性验证，波纹炉胆结构比平直炉胆复杂，因此以波纹炉胆网格的无关性验证覆盖平直炉胆。四种网格数量分别为29万、52万、91万和179万，以炉胆壁面温度为参考数据，记录四种不同网格数量下的模拟结果，如图3-2所示。29万网格数量中的炉壁温度为565℃，52万网格数量中的炉壁温度为607℃，91万网格数量中的炉壁温度为603℃，179万网格数量中的炉壁温度为605℃。91万网格数量下，与相邻两种网格数量的炉壁温度误差在1%以内，综合各因素，选择91万网格。在平直炉胆网格划分中，为降低网格数量不同带来的数值模拟误差，将网格数量控制在91万左右，图3-3为网格划分示意图。图3-2网格独立性验证Fig3-2Grid’sindependenceverification图3-3初始模型网格Fig3-3Initialmodel’smesh1.3模拟工况说明与设置（1）工况说明本文采用的燃烧器为非预混燃料喷入方式，入口直径为400mm，燃料为天然气，采用满负荷运行工况，耗气量为770Nm³/h，通过耗气量计算得到燃料入射速度为5m/s，助燃风入射速度为21m/s，过量空气系数为1.15。（2）边界条件设置甲烷在天然气中占93%以上，忽略天然气中其他微量介质对燃料的影响。入口设置为速度入口，燃料入口f值设定为1，空气入口f值设定为0。出口设置为压力出口，忽略引风机和烟管等因素对出口压力的影响，设定压力为1000Pa，壁面设置为非绝热，入口温度设置为室温293K。（3）判断收敛的标准数值计算通过迭代法求解，方程式收敛时，理论上方程式两边相等，但计算上的尾数误差与迭代过程中的系数变化，必定造成误差，该误差称作残余值[57]。根据残差的走向来判断迭代是否收敛，也可以通过选定流场中具有特征意义的点，监测速度、压力、温度和成分等变化情况，如果变化幅度极小，符合设定要求，可认定为迭代收敛。根据天然气燃烧的特征，监控出口气体的平均温度，判断收敛的条件是能量方程的残差达到10e-6数量级，同时要求出口温度趋于稳定。1.4模拟结果与分析按照前文提到的计算方法和模型设置，通过Fluent软件对炉胆内的燃烧情况进行数值模拟，获得初始模型下具体的燃烧状况，包括燃烧过程的速度矢量场、温度场、NO浓度场等。通过初始模型燃烧状况的分析，为后续波纹炉胆中的燃烧模拟分析提供对比数据。（1）速度场分析炉胆模型中出口、入口和炉壁结构的对称线在同一平面，选取最具代表性的炉胆中心截面为目标面进行数值模拟结果分析。图3-4为平直炉胆的速度云图和速度矢量图，图中速度单位为m/s，颜色越红速度越大。从速度矢量图中可以看到，当天然气和助燃空气喷射入炉胆时立刻沿着壁面发生扩散，未发生剧烈燃烧前，随着炉胆空间的迅速扩张，中心速度随之降低，当到达炉胆空间最大的截面处，中心速度降至最低，约为9.5m/s。壁面处的气流速度在高速助燃空气和燃气扩散作用下，达到最高19m/s的速度，在转角处，气流向炉胆中心线折回流动，紊流加强，燃气和空气混合作用增强。随着燃烧的加强，燃料剧烈消耗，气体快速膨胀，热气流向上方运动，从速度云图和矢量图中可以看到炉胆上部速度较快。在距离入口1.3m与4.5m之间，燃烧稳定后的气流速度变得平稳，没有很大的波动，冲刷炉壁的烟气速度约为23m/s。燃烧后的烟气向出口处靠拢，随着流通空间的缩小，烟气速度越来越大，在出口处达到约为90m/s的速度。回燃室主要的作用是稳定烟气压力，由于本文中不考虑烟管、工况波动等因素对烟气出口处压力和速度稳定性的影响，回燃室的实际作用未完全体现。（a）速度云图（b）速度矢量图图3-4平直炉胆速度场Fig3-4Velocityfieldofflatfurnace（2）温度场、CH4浓度场分析根据天然气和空气在燃烧器喷入炉胆前的混合情况，将燃烧分为三种方式[58]：有焰燃烧、无焰燃烧和半无焰燃烧。如果天然气和空气分别送入炉胆，在炉胆中边混合边燃烧，属于扩散燃烧，这种情况下的燃烧火焰较长，有明显轮廓，为有焰燃烧；如果天然气和空气在进入炉胆前混合均匀，燃烧速度取决于着火和燃烧反应速度，属于动力燃烧，火焰短且透明，没有明显火焰轮廓，为无焰燃烧；如果进入炉胆前天然气和空气部分混合，为半无焰燃烧。在工业锅炉中常采用非预混燃烧，具有稳定燃烧范围、燃料与空气比的变化范围广和不产生回火等优点。实际运行中根据不同需求，可充分利用废气余热将空气、燃料预热至较高温度，且不受着火温度限制。参考模型实际运行中未考虑废气回收加热燃料和空气，本文数值模拟中亦不考虑燃料和空气预热问题。图3-5为平直炉胆的温度场与CH4浓度场，平直炉胆模型中的燃烧为有焰燃烧，燃烧火焰较长，最激烈的燃烧并不在炉胆入口，而在离入口一定距离的位置。炉胆壁面处的烟气温度最高为595℃，火焰最高温度约为1650℃，出口处烟气温度约为1325℃。制造厂家提供的资料：炉胆壁面处的烟气温度600℃左右，火焰温度大约为1690℃、烟气温度大约为1197℃。模拟得到的结果和实际运行的数据误差最大为9.7%，误差在10%以内。图3-5平直炉胆温度场与CH4浓度场Fig3-5TemperaturefieldandCH4concentrationfieldofflatfurnace（3）NO浓度场分析图3-6为平直炉胆的NO浓度场，指标单位为质量分率。天然气锅炉中生成的氮氧化物以热力型NOX为主，其中大部分氮氧化物为NO，本文在NOX排放模拟中只考虑快速型NO和热力型NO。热力型NOX的生成速率主要受温度影响，与温度几乎成指数关系，同时受N2浓度和O2浓度以及停留时间影响。图3-6平直炉胆NO浓度场Fig3-6NOconcentrationfieldinflatfurnace对应温度场，高温区对应着高的NO生成速率，与生成理论符合。随着燃烧的加剧，NO生成速率加快，浓度上升，生成速度最快在燃烧过程的中后部，温度较高，天然气燃料基本已燃烧殆尽，过量的空