天然气燃烧过程数值模拟及炉膛结构优化研究

【摘要】：一直以来,水套炉以其可靠的安全性能、简单的结构在油田油气集输工程中得到了广泛应用。但是,国内油气生产和输送中使用的加热炉,整体技术水平不高,与国际先进水平差距较大。因此,开展加热炉数值模拟研究具有重要意义。本文使用数值模拟工具FLUENT对水套炉内天然气燃烧进行了数值模拟研究,分析了火筒内流场、各组分分布、温度分布和NOX污染物排放规律,结果表明,火筒内能形成良好的回流,形成低氧环境,促进温度均匀分布,降低排烟温度,减少NOX污染物排放;分析研究了火筒壳体的温度分布特性,分析表明,火筒壳体烟气出口周围形成局部高温区,导致热应力增大,容易发生烧穿事故,应采取必要保护措施或进行加固;在以上模拟的基础上,通过修改燃料气与助燃空气速度比以及燃料用量,对天然气三维湍流扩散燃烧分别进行了对比数值模拟研究,结果表明,过高的速度比不但会造成火筒内O2和NOX浓度升高,还会造成火筒出口及火筒壳体出口附近温度的升高;燃料量180m3/h时与其他情况相比较,能形成良好的低氧燃烧环境,降低火筒出口和火筒壳体出口附近温度,以及降低NOX污染物排放。模拟结果为提高水套炉运行效率,确保水套炉长期、安全、稳定的运行,降低NOX污染物排放提供了技术支持。 【关键词】：水套炉 天然气燃烧 耦合传热 数值模拟
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK229.8
【目录】：

• 中文摘要4-5
• 英文摘要5-10
• 第1章 前言10-12
• 1.1 研究的背景及意义10-11
• 1.2 主要研究内容11-12
• 第2章 油田水套加热炉研究进展12-21
• 2.1 水套加热炉的结构形式12-14
• 2.1.1 炉型及范围12
• 2.1.2 水套加热炉基本结构形式12-14
• 2.2 新型水套加热炉14-21
• 2.2.1 概述14-16
• 2.2.2 新技术的应用16-21
• 第3章 水套加热炉燃烧数值模拟基础21-51
• 3.1 数值模拟概述21
• 3.2 FLUENT 软件简介21-25
• 3.2.1 FLUENT 程序结构22-23
• 3.2.2 FLUENT 程序的应用范围23-24
• 3.2.3 用FLUENT 程序求解问题的步骤24
• 3.2.4 FLUENT 求解方法离散格式的选择24-25
• 3.3 物理模型及网格划分25-28
• 3.4 数学模型28-48
• 3.4.1 湍流流动模型28-34
• 3.4.2 湍流燃烧模型34-41
• 3.4.3 辐射传热模型41-43
• 3.4.4 NO_x 污染物形成模型43-48
• 3.5 边界条件48-51
• 3.5.1 入口边界条件48-49
• 3.5.2 壁面边界条件49
• 3.5.3 出口边界条件49-51
• 第4章 模拟结果及分析51-85
• 4.1 设计燃料用量的模拟结果及分析51-67
• 4.1.1 流场特性51-52
• 4.1.2 各组分浓度场特性52-60
• 4.1.3 温度场特性60-64
• 4.1.4 NO_x 污染物排放特性64-67
• 4.2 不同燃料与空气速度比的影响67-78
• 4.2.1 不同燃料与空气速度比对O_2 浓度场的影响67-72
• 4.2.2 不同燃料与空气速度比对温度场的影响72-75
• 4.2.3 不同燃料与空气速度比对流场的影响75-76
• 4.2.4 不同燃料与空气速度比对NO_x 排放的影响76-78
• 4.3 不同燃料用量的影响78-85
• 4.3.1 不同燃料用量对O_2 浓度场的影响78-80
• 4.3.2 不同燃料用量对温度场的影响80-83
• 4.3.3 不同燃料用量对NO_x 排放的影响83-85
• 第5章 结论85-87
• 参考文献87-90
• 附录90-102
• 致谢102-103
• 个人简历、在学期间的研究成果103

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