高温低热值煤气燃烧器数值模拟和实验研究

【摘要】：高温烟气在水泥、钢铁、建材、冶金等行业应用广泛，为有效利用劣质燃料生产高温烟气，节能减排，华中科技大学煤燃烧实验室开发了结合流化床劣质煤气化及流化床燃烧技术的超高温烟气发生工艺。本文根据该工艺技术及前期对窑用燃烧器冷态实验已经积累的成果，开发了高温低热值煤气燃烧器实验台，基于数值模拟和热态实验研究的方法对该燃烧器的燃烧性能进行了分析和改进。 首先，开发和搭建了高温低热值煤气燃烧器实验台，实验平台包括煤气配制系统、含氧烟气配制系统、气体预热系统、高温低热值煤气燃烧器、燃烧室、尾部换热器及排气系统。重点是对燃烧器的热态模化设计和燃烧室的设计。 其次，应用Fluent软件，对模化设计的燃烧器进行了三维数值模拟计算，获得了低热值煤气燃烧过程的流场、温度场、火焰形状、速度场。并详细分析了低热值煤气和含氧烟气在不同预热温度下对燃烧室最高温度、平均温度、火焰长度的影响。 第三，通过冷态实验考察燃烧器在不同负荷下的内部阻力，结果显示燃烧器内部阻力较小，结构合理。测量中心轴线处轴向速度分布规律，发现燃烧器出口处未能形成中心回流区。通过对电炉和电热丝的测试发现，空气流量均为10m~3/h时，煤气侧和含氧烟气侧的最高预热温度分别为670℃和645℃。 第四，热态实验表明原燃烧器燃烧高热值甲烷时会出现脱火现象，当用甲烷混合氮气热值为16.31MJ/m~3时，出现了严重的脱火现象，火焰非常不稳定，加大氮气流量，火焰立即熄灭。原燃烧器结构不能燃烧低热值煤气。 第五，根据热态实验出现的现象和问题，对原模型燃烧器进行改进和优化，改进后燃烧器能持续燃烧热值为4.0MJ/m~3的低热值煤气，火焰稳定，形状合理不脱火，且预热温度为660℃左右。改进后燃烧器结构合理，能很好的与实际超高温烟气发生工艺的要求相配，为高温低热值煤气燃烧器的工业应用奠定了良好的基础。 【关键词】：高温低热值煤气 燃烧器 模化 实验平台 数值模拟
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ052.73
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 超高温烟气发生工艺10-12
• 1.3 回转窑及窑用燃烧器12-15
• 1.4 火焰形状及温度对生产的影响15-17
• 1.5 本文所做工作17-18
• 2 高温低热值煤气燃烧实验平台设计计算18-34
• 2.1 燃烧器热态模化设计19-25
• 2.2 燃烧室设计25-31
• 2.3 配气系统及电加热炉设计31-32
• 2.4 尾气处理系统设计32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 3 高温低热值煤气燃烧器热动力学模拟计算34-46
• 3.1 CFD 软件介绍及应用34-35
• 3.2 热动力学数值模拟35-38
• 3.3 流场分布特性38-40
• 3.4 温度场分布特性40-43
• 3.5 火焰分布特性43-44
• 3.6 本章小结44-46
• 4 燃烧器冷态实验及电炉测试46-56
• 4.1 冷态实验46-49
• 4.2 燃烧器阻力和流场特性49-50
• 4.3 电炉空气预热特性50-55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 燃烧器热态实验研究56-73
• 5.1 实验系统56-57
• 5.2 燃烧器热态实验57-62
• 5.3 改进后燃烧器热态实验62-71
• 5.4 本章小结71-73
• 6 总结与展望73-75
• 6.1 主要工作及结论73-74
• 6.2 后续工作及展望74-75
• 致谢75-77
• 参考文献77-82
• 附录 攻读硕士期间发表的论文及参与项目82-83
• 附录 283-85

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