LNG浸没燃烧式气化器燃烧性能数值模拟及结构优化

发布时间：2020-10-25 23:08

　　 气体燃料凭借其清洁、高效的特性被广泛应用于发电、冶金、建材等各行各业。而作为气体燃烧中最重要的组成构件,燃烧器的性能研究得到了国内外学者的高度关注,目前,在满足基本燃烧需求的基础上,如何进一步提高燃烧效率并实现绿色燃烧成为燃烧器性能研究的重中之重。燃料本身的物性条件对燃烧效果影响较大,同样的,燃烧器的内部结构也能在一定程度上改善燃烧条件。本文以LNG浸没燃烧式气化器(SCV)的燃烧器为研究对象,分析其燃烧化学反应机理,并基于传统的燃烧器结构提出了可行性结构改进方案,运用数值模拟手段分析气体燃料在不同结构的燃烧器燃烧室内的燃烧性能,从而为优化燃烧器结构的研究提供依据。本文分别对燃烧冷态场和热态场进行模拟计算,对比分析燃烧器冷态场及热态场内部温度、速度分布以及主要反应物和生成物浓度分布。通过对比分析发现,燃烧器冷态场和热态场流场基本相同,热态场内由于燃气燃烧热量对燃气及空气流速产生扰动作用,使热态场内部分区域流速高于冷态场内流体速度。为进一步探究燃烧器旋流结构对燃烧过程的影响,本文对叶片角度分别为45゜、60゜、75゜的燃烧器内部流场、温度场的分布情况进行对比分析。结果表明,当气体通过某一角度的旋流叶片时,产生一定强度的旋流形成回流区,有利于火焰燃烧稳定,并呈现出燃烧器内部火焰长度随旋流叶片角度的增加而增长,当旋流角度最小为45゜时,燃烧室内回流区面积最大,火焰温度分布最为均匀。基于45゜旋流角度的旋流器,在燃气中心喷孔四周加入直流孔设计,对无直流孔旋流器、带4直流孔和8直流孔的旋流器性能进行了研究,通过改变入口处空气的流速,对比分析了这三种结构的旋流燃烧室内的温度分布。结合多种结构的旋流燃烧结果,对燃烧室出口处的主要燃烧产物NO_x含量进行分析对比,经模拟计算发现旋流角度较大时NO_x生成数量增加,这是由于当旋流角度较大时燃气燃烧不充分,产生污染物较多。结果表明,45゜旋流角度、带4直流孔的旋流燃烧器燃烧性能最优,这种结构有效地减小了流阻,降低了旋流器出口气流的湍流强度,有利于强化燃烧,且燃烧器轴向混合速度最大,但近壁面处温度较低,一定程度上缓和了燃烧对壁面的高温腐蚀。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK16
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究意义
    1.2 燃气燃烧器的国内外研究现状
        1.2.1 富氧燃烧技术的发展
        1.2.2 旋流燃烧技术的发展
        1.2.3 高温空气燃烧技术的发展
        1.2.4 其他燃烧技术的发展
    1.3 本文研究方法及内容
第2章 LNG浸没燃烧式气化器燃烧原理及理论计算
    2.1 LNG浸没燃烧式气化器燃烧原理
        2.1.1 天然气的物理性质
        2.1.2 LNG浸没燃烧式气化器燃烧所需空气量计算
        2.1.3 LNG浸没燃烧式气化器燃烧温度计算
    2.2 LNG浸没燃烧式气化器旋流理论
        2.2.1 空气旋流的基本特性
        2.2.2 旋流强度计算
    2.3 LNG浸没燃烧式气化器NOx生成机理和控制方法
    2.4 本章小结
第3章 LNG浸没燃烧式气化器数学模型的建立
    3.1 控制方程
        3.1.1 基本控制方程
        3.1.2 湍流模型
        3.1.3 组分运输和化学反应模型
        3.1.4 辐射模型
    3.2 控制方程的离散
        3.2.1 数值方法
        3.2.2 离散格式
    3.3 本章小结
第4章 LNG浸没燃烧式气化器物理模型的建立及数值模拟
    4.1 LNG浸没燃烧式气化器物理模型
        4.1.1 网格划分方法
        4.1.2 计算模型及边界条件选择
    4.2 数值计算验证及流场分析
        4.2.1 冷态场数值模拟流动分析
        4.2.2 计算模型及边界条件选择
    4.3 本章小结
第5章 LNG浸没燃烧式气化器旋流结构变化对燃烧性能的影响
    5.1 旋流燃烧器旋流强度对燃烧特性的影响
        5.1.1 不同旋流角度下的燃烧结果分析
        5.1.2 旋流角度对燃烧效率和氮氧化物排放的影响
    5.2 旋流燃烧器中直流孔数量对燃烧效率的影响
        5.2.1 带直流孔旋流燃烧器速度场分析
        5.2.2 带直流孔旋流燃烧器温度场分析
    5.3 空气进口速度对不同直流孔旋流器的燃烧影响
    5.4 本章小结
总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文与专利
致谢

【参考文献】

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本文编号：2856101