应用于天然气锅炉的柔和燃烧技术

【摘要】：目前,国内雾霾天气频发,大气污染严重,工业排放是罪魁祸首,燃料燃烧过程中释放的氮氧化物、二氧化硫、粉尘颗粒物是造成空气污染的主要因素。高效低排放燃烧是缓解雾霾天气的重要手段,柔和燃烧作为一项有潜力的先进燃烧技术正逐渐引起研究学者的关注。柔和燃烧技术具有火焰面弥散、峰值火焰温度低的特点,在天然气锅炉中使用柔和燃烧技术,能够进一步降低天然气锅炉污染物排放,特别是NOx的排放量会得到显著降低,同时炉膛内燃烧充分,温度场均匀,能够提高锅炉的热效率,延长锅炉的使用寿命。研究天然气锅炉柔和燃烧技术对解决锅炉NOx污染具有重要的意义。 柔和燃烧实现的关键是利用燃料和氧化剂的高速射流,引射卷吸高温烟气回流与反应物进行掺混,预热反应物温度并降低氧浓度,使得燃烧过程中化学反应速率降低、峰值火焰温度下降,从而降低CO和NOx。 针对天然气锅炉燃烧机的工况条件,开展了柔和燃烧热力学实现条件研究,通过零维模型研究天然气柔和燃烧需要的温度、氧浓度及回流比范围,并研究了回流比对点火延迟时间的影响规律。结果显示,柔和燃烧的实现需要满足最低温度和最小回流比的条件,温度低于自燃温度或是回流比小于转捩回流比,柔和燃烧无法实现；随回流比增大点火延迟时间缩短,随过量空气系数增大,点火延迟时间增加。 参考天然气锅炉结构,设计了模型燃烧室,通过数值模拟手段开展了燃烧室结构参数化研究,包含燃烧室高度、燃料/空气相对位置、孔径、出口通道尺寸等。结果表明：柔和燃烧流场结构由空气主导,空气射流速度越大,对烟气的卷吸率越大,回流比越高,氧浓度分布更加弥散,燃烧室温度分布更加均匀；燃料射流速度主要影响燃料与空气的混合时间。燃料速度越大,混合时间越短,在点火延迟时间内达到反应物充分混合的状态。最终形成了模型燃烧室的优选方案。 设计加工了模型燃烧室,开展了不同过量空气系数工况下的燃烧室性能实验研究,获得了柔和燃烧模型燃烧室的污染物排放特性。结果显示,相比于直接燃烧,柔和燃烧工况下NOx排放显著降低,N0x排放随过量空气系数的变化不大,稳定在10-17ppm@3%O2范围；C0排放随过量空气系数增加先降后升。本论文工作将为天然气锅炉柔和燃烧机研发提供理论基础和实验数据。 【关键词】：天然气锅炉 柔和燃烧 NO_x排放 回流 混合
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK229.8
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 图目录10-13
• 表目录13-14
• 第1章 绪论14-30
• 1.1 研究背景14-17
• 1.2 国内外研究现状17-28
• 1.2.1 柔和燃燃烧技术起源及定义17-20
• 1.2.2 柔和燃烧技术工业应用20-22
• 1.2.3 柔和燃烧技术研究22-28
• 1.2.4 小结28
• 1.3 本课题的研究目的、内容及思路28-30
• 1.3.1 问题的提出28-29
• 1.3.2 研究目的29
• 1.3.3 研究内容及思路29-30
• 第2章 数值方法与实验条件30-38
• 2.1 CHEMKIN反应器模型30-31
• 2.1.1 PSR30-31
• 2.1.2 Non-reactive Mixer31
• 2.1.3 Closed Homogeneous Batch Reactor31
• 2.2 FLUENT计算模型31-34
• 2.2.1 连续性方程32
• 2.2.2 动量方程32
• 2.2.3 湍流方程32-33
• 2.2.4 能量方程33
• 2.2.5 组分输运方程33
• 2.2.6 辐射方程33
• 2.2.7 化学反应模型33-34
• 2.3 实验条件34-37
• 2.3.1 实验台34-35
• 2.3.2 测量方法35-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 柔和燃烧热力学条件研究38-42
• 3.1 柔和燃烧热力学实现条件38-39
• 3.1.1 模型条件38-39
• 3.1.2 结果分析39
• 3.2 回流比对柔和燃烧的影响39-40
• 3.3 点火延迟时间40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 模型燃烧室结构设计优化42-73
• 4.1 数值模拟方法42-48
• 4.1.1 物理模型描述42-44
• 4.1.2 边界条件44
• 4.1.3 重要参数说明44-46
• 4.1.4 模拟方法验证46-48
• 4.2 结果分析48-72
• 4.2.1 模型燃烧室结构数值模拟48-67
• 4.2.2 炉膛模型的数值模拟67-72
• 4.3 本章小结72-73
• 第5章 柔和燃烧模型燃烧室实验研究73-80
• 5.1 燃烧室结构73
• 5.2 结果分析73-79
• 5.2.1 扩散燃烧73-74
• 5.2.2 柔和燃烧74-79
• 5.3 本章小结79-80
• 第6章 结论与展望80-82
• 6.1 结论80-81
• 6.2 展望81-82
• 参考文献82-85
• 攻读硕士学位期间发表论文情况85-86
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目86-87
• 致谢87

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