多段式自预热燃烧器设计、模拟及实验研究

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1、摘要本课题以低热值燃料的洁净高效利用为背景，结合无焰燃烧的技术优势和实现途径，设计了一种适应高炉煤气的多段式自预热燃烧器及其实验测试系统，并对其进行了包括冷态流场、压力及热态燃烧、排放特性的CFD数值模拟及实验研究工作。首先，总结了各种新型燃烧技术及其原理，设计了基于烟气回流预热空气及燃料的多段式自预热燃烧器，提出几种典型预热室结构方案。并根据其特殊结构，在经过设计计算和方案优化后，确定了整个实验系统的设计方案，包括工业锅炉本体、鼓引风系统、冷却系统、测量系统、数据采集处理系统和控制及报警系统共六部分，最后根据此方案建立了

2、实验系统。其次，进行了多段式自预热燃烧器相关的数值模拟工作。分析了基本控制方程、湍流模型、化学组分输运和反应模拟方法、辐射模型和NOx形成模型的理论基础与分类，并采用参考文献及比较的方法选取了适合本研究的模型方程。描述了本研究采用的边界条件和选择的物性参数，以及本研究中初始化及最终计算结果的收敛判定准则，并给出了烟气卷吸率的理论及计算方法。根据所设计燃烧器的不同燃烧室、预热室结构，建立了各种物理模型，并选择合适的网格划分方法。对燃烧室、预热室分别进行流动及传热、燃烧研究，得到了最佳燃烧室半径长度比，并对比分析了不同预热室结

3、构时，烟气卷吸率、燃烧温度场、燃烬率和NOx生成量。从数值模拟角度验证了使用该燃烧器时实现低热值燃料无焰燃烧的可行性。最后，进行了多段式自预热燃烧器实验研究工作。在冷态实验中，测量采用多段式自预热燃烧器与传统燃烧器时燃烧室内的速度分布与压力分布；观察气体射流回流区；分析流动、卷吸规律。热态试验中，测量燃烧室内的温度分布；获得不同结构燃烧器、不同负荷工况、不同过量空气系数工况下燃烧时，燃烧温度场分布特性。最后，结合数值模拟结果，对燃烧器使用中的燃烧特性及污染物排放特性进行综合比较，并得出最后结论：本燃烧器的设计使高炉煤气实现

4、了无焰燃烧，满足了高效低污染燃烧的目的，证明了利用本燃烧器进行无焰燃烧特性研究的可行性，为今后更加深入和细致的研究奠定了理论与实验基础。关键词：低热值燃料；无焰燃烧；多段式自预热燃烧器；数值模拟；实验研究ABSTRACTAsetofmulti—stageself-preheatingburneranditsexperimentalsystemwhichadaptedtotheblastfumatcegasWasdesignedanddevelopedforcleanandefficientutilizeoflowheati

5、ngvalue(LHV)fuelsaccordingtotechnicaladvantagesandrealizingapproachesofflamelesscombustion．AnalysesincludingtheairflowandpressurecharacteristicsundercoldstateandcombustionandemissioncharacteristicsunderhotstatethroughComputationalFluidDynamics(CFD)simulationandexp

6、erimentalresearchwork．Firstofall，accordingtothesummarizedvariousnewburningtechnologiesandtheirprinciples，aschemeofmulti·stageself-preheatingburnerwithsometypicalpreheatchambersweredesignedbasedonthegasbackflowtopreheatairandfuel．Thespeciallydesignedexperimentalsys

7、temWasconfirmedafterdesign，calculationandoptimization，whichmainlyincludedindustrialboiler,blower,induceddraftfan，coolingdevice，measuringdevice，dataacquisitionandprocessingdevice，controlandwarningdevice．ThentheexperimentalsystemWassetupaccordingtoit。Secondly,thenum

8、ericalsimulationsweredown．Comparedthetheoreticalbasisandclassificationofbasiccontrolequations，turbulentmodels，chemicalcompositiontransportandresponsesim