甲烷富氧分段燃烧NOx排放特性的数值模拟

【摘要】： 富氧燃烧技术能够降低燃料的燃点,加快火焰传播速度,能够保证像有机垃圾这样的难燃燃料的燃烧过程顺利进行;而且燃烧反应所生成的烟气量减少,火焰温度升高,烟气中具有较强辐射能力的组分的浓度增大,使得火焰的传热能力增强,从而提高燃烧设备的热效率,所以富氧燃烧技术是一种高效节能的燃烧技术。但是富氧燃烧技术使助燃空气中氧气的分压力增大,火焰温度升高,必然导致热力型NOx的生成量急剧增加,这就是富氧燃烧技术所必须面对的问题。 本文以通用CFD软件FLUENT作为研究工具,运用数值模拟的方法,研究甲烷富氧分段燃烧的燃烧特性和NOx排放特性。 本文首先采用相关文献的设计方法,设计出适合本课题研究的高速燃烧器,在FLUENT前处理工具中建立该高速燃烧器的物理模型,并对该模型进行网格划分和边界条件设置。为了对该高速燃烧器内的燃料和助燃空气的流动特性和混合特性有更好的了解,本文对燃烧器进行冷态模拟,并与热态模拟结果形成对比。 在完成上述工作后,本文对燃烧器内的富氧燃烧过程进行热态模拟。结果表明,随着助燃空气中氧气浓度的增大,燃烧反应进度加快,火焰变短,火焰下游的高温区增大,燃烧热强度增大,火焰温度升高,这必然会使NOx排放量急剧增加,当助燃空气中富氧浓度为30%时,NOx排放量是普通空气助燃时的四倍多。 本文最后在原燃烧器壁面外侧增设一个环形通道用来供入二次空气,并在该平台上模拟二次空气比例及二次空气供入位置对富氧燃烧特性及NOx排放特性的影响。模拟结果表明,随着二次空气比例的增大,火焰变长,火焰下游高温区变小,同时燃烧器内的温度分布趋于均匀,火焰的最高温度有所降低,而燃烧器出口温度只有小幅降低,但是NOx排放量却有大幅度降低。当二次空气比例占总空气量的30%时,分段燃烧方式使NOx排放量降低了50%左右。而二次空气供入位置也对分段燃烧效果产生影响,当二次空气供入位置距一次空气入口过近时,即使富氧燃烧所采用的二次空气比例较大,也不能显著降低NOx的排放量。 【关键词】：富氧分段燃烧 高速燃烧器 数值模拟 燃烧特性 NO_x排放
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-12
• 1 绪论12-25
• 1.1 课题研究的背景与意义12-14
• 1.2 富氧燃烧技术简介14-17
• 1.2.1 富氧燃烧过程中的特点14-16
• 1.2.2 富氧燃烧系统制取富氧空气的方法16-17
• 1.3 高速燃烧器简介17-19
• 1.4 国内外研究现状综述19-23
• 1.4.1 计算流体动力学的发展概况19-20
• 1.4.2 国外研究动向20-21
• 1.4.3 国内研究动向21-23
• 1.5 论文的主要工作23-25
• 2 NO_X 的生成机理与控制技术25-39
• 2.1 NO_X 的生成机理25-29
• 2.1.1 热力型NO_X(Thermal NO_X)25-27
• 2.1.2 快速型NO_X(prompt NO_X)27-28
• 2.1.3 燃料型NO_X(Fuel NO_X)28-29
• 2.2 NO_X 的抑制方法29-33
• 2.2.1 热力型NO_X 的抑制方法30-31
• 2.2.2 快速型NO_X 的抑制方法31-32
• 2.2.3 燃料型NO_X 的抑制方法32-33
• 2.3 NO_X 生成的数值计算模型33-37
• 2.3.1 NO_X 输运的控制方程33
• 2.3.2 计算NO_X 的数学模型33-37
• 2.4 本章小结37-39
• 3 数值模拟理论与计算方法39-52
• 3.1 基本方程39-42
• 3.1.1 基本守恒方程39-41
• 3.1.2 守恒方程的时均形式41-42
• 3.2 数学模型42-49
• 3.2.1 湍流模型42-46
• 3.2.2 紊流燃烧模型46-48
• 3.2.3 辐射模型48-49
• 3.3 离散方法及离散格式49-50
• 3.3.1 离散方法49-50
• 3.3.2 离散格式50
• 3.4 流场计算方法50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 4 模型的确立及参数设置52-70
• 4.1 FLUENT 软件简介52-54
• 4.2 物理模型的建立及网格划分54-61
• 4.2.1 燃烧器设计计算55-59
• 4.2.2 物理模型的建立及网格划分59-61
• 4.3 边界条件选取61-62
• 4.4 求解器及计算模式的选定62-64
• 4.4.1 求解器的确定62-63
• 4.4.2 数值算法的选取63-64
• 4.4.3 计算模式的选择64
• 4.5 数学模型的确定64-68
• 4.5.1 紊流模型64-65
• 4.5.2 组分模型65-66
• 4.5.3 辐射模型66-67
• 4.5.4 污染物模型67-68
• 4.6 求解控制参数的设定68-69
• 4.6.1 设置离散格式68
• 4.6.2 设置松弛因子68
• 4.6.3 设置残差限68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 5 冷态模拟结果及分析70-78
• 5.1 燃烧器的压力场分布70-71
• 5.2 燃烧器的速度场分布71-74
• 5.3 紊流特性74-76
• 5.3.1 湍流强度I 分布74
• 5.3.2 湍动能K 分布74-75
• 5.3.3 湍动耗散率ε分布75-76
• 5.3.4 湍动粘度μt 分布76
• 5.4 组分浓度场分布76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 6 甲烷富氧燃烧模拟结果及分析78-96
• 6.1 热态压力场分布78
• 6.2 热态流场分布78-81
• 6.2.1 热态速度场分布78-80
• 6.2.2 热态湍动能K 分布80
• 6.2.3 热态湍动耗散率ε分布80-81
• 6.3 富氧燃烧特性81-91
• 6.3.1 富氧燃烧选用工况81
• 6.3.2 组分浓度场分布81-88
• 6.3.3 温度场分布88-91
• 6.4 NO_X 排放特性的模拟结果及分析91-94
• 6.4.1 NO_X 浓度场分布91-93
• 6.4.2 02 浓度对NO_X 排放特性的影响93-94
• 6.5 本章小结94-96
• 7 富氧分段燃烧的燃烧特性及NO_X 排放特性的模拟96-110
• 7.1 富氧分段燃烧选用的工况96-97
• 7.2 偏离率对燃烧特性影响的模拟结果及分析97-103
• 7.2.1 偏离率对火焰形态及燃烧反应进度的影响97-99
• 7.2.2 偏离率对燃烧温度的影响99-103
• 7.3 偏离率对NO_X 排放特性影响的模拟结果及分析103-107
• 7.3.1 富氧浓度对NO_X 排放特性的影响103-106
• 7.3.2 偏离率对NO_X 排放特性的影响106-107
• 7.3 二次空气供入位置对燃烧特性和NO_X 排放特性的影响107-109
• 7.4 本章小结109-110
• 8 结论及展望110-113
• 8.1 全文总结110-111
• 8.2 展望111-113
• 致谢113-114
• 参考文献114-117
• 附录117-118
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文117-118
• B. 燃烧器结构尺寸118

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