顶烧式燃烧器燃烧和NO_x生成特性的数值模拟及优化研究

发布时间：2020-10-09 22:19

　　烃类制氢转化炉是石油化工领域中使用蒸汽转化法进行转化反应生产合成氨原料气和氢气的核心设备。在目前节能减排的要求下,对制氢转化炉的燃烧效率和NO_x的排放都提出了新的要求。燃烧器作为烃类制氢转化炉的核心部件,其性能和NO_x排放情况对于整个转化炉的燃烧和污染物的生成都有重要的影响。目前大型转化炉大多采用燃烧器顶烧的形式,因此本研究中以顶烧式燃烧器为研究对象,通过数值模拟的方法对顶烧式燃烧器燃烧和NO_x生成情况进行研究和优化。首先对一台转化炉顶烧式燃烧单元进行三维结构化网格建模,运用不同网格密度验证了其网格无关性。选择合适的计算模型对炉膛内燃烧和污染物生成情况进行了数值模拟研究,通过对于其速度场、温度场、组分分布、火焰形状、辐射壁面热通量和NO_x的生成情况进行详细的分析,认为NO_x的生成主要受燃烧高温区和燃料空气的混合程度所控制,因此对于燃烧器低NO_x的优化研究应该集中在对于控制高温区的大小和优化燃料与空气的混合两方面。基于上述研究思路,分别选取过剩空气系数、空气预热温度、空气进口大小和燃料喷射角度四个参数探究参数变化对于燃烧器燃烧和NO_x生成的影响规律。研究表明:上述四个参数的变化对炉膛内的速度场,温度场、火焰形状、辐射传热和NO_x的生成均有很大的影响,且呈现一定的规律性。过剩空气系数的增加使炉膛内平均速度增加,温度分布不均匀性增加,高温区集中,火焰粗大,导致辐射能力降低,NO_x的生成量呈先升高后降低的趋势,综合分析认为过剩空气系数为1.01时为最佳。预热空气系数增加使燃烧速度和温度水平都有升高,火焰形状范围和辐射能力有很大的提升,NO_x的生成量也呈单调递增的趋势,从经济和NO_x生成角度来分析,认为预热温度取400K为最佳。随着空气进口直径增大降低空气进口气速,使得燃料和空气的混合变差,虽然燃烧温度有所升高,辐射量也有所提升,但是NO_x的生成量增加较快,因此空气进口直径230mm时为最佳。倾斜角从小变大的过程中,剪切作用逐渐增强,使得燃烧提前,火焰锋面向中心靠拢,温度也越高,火焰长度变短,NO_x的生成量增幅也较大,因此倾斜角选择7度为最佳值。在上述研究基础上,通过文献调研发现在燃烧系统中添加稀释剂是降低NO_x的有效途径之一,且无需对燃烧器做任何改造。因此本文通过在燃料侧添加稀释剂Ar、CO_2、N_2和H_2O分别探究在稀释率0~0.4的情况下炉膛出口处EI_(NO_x)(NO_x排放指数,Emission Index of NO_x)和热效率的情况。结果表明:以上四种稀释剂均能降低NO_x的生成,且在相同的稀释率下对NO_x生成的抑制能力的排序为:N_2H_2OCO_2Ar。Ar和N_2的添加使得热效率随着稀释率增加而降低,但是CO_2和H_2O的加入会使热效率先提升然后下降。综合分析NO_x的生成量和热效率认为:采用CO_2和H_2O作为稀释剂是较好的选择,且稀释率在0~0.1的范围内为最佳。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ116.2
【部分图文】：

示意图,顶烧,制氢转化炉,示意图

第 1 章引言背景及意义油化工、无机化工、冶金电力等现代工业中具有十分艺过程的重要的原料和清洁染料，工业生产中对其需，能耗物耗相对较低的烃类蒸汽转化法是现在工业上氢转化法是以烃类为原料，在一定的温度压力和催化剂产合成氨原料气和氢气的方法，其核心设备是烃类制有很多种形式包括：合成氨厂的一段转化炉、甲醇厂氢炉等[2]。如图 1.1 是典型顶烧式制氢转化炉示意图[3的，要求转化炉能够长周期操作，不间断运行，因此要求。

示意图,旋流燃烧室,流场,示意图

形成的还原性气氛会将一部分阶段也会产生新的 NOx，但是从总量上烧器同时采用了在这两种技术。燃烧器上应用较为普遍的技术，这种技术混合程度，使得火焰的燃烧较为稳定。如方式一般是通过无旋流的喷嘴，也有通过流燃烧产物会产生中心回流区，其好处是稀释未反应燃烧的空气和燃料，这样尤其用，且能保持稳定的燃烧火焰即使是在较燃烧室底部形成的边角回流区，回流区的但是其存在有利于促进炉膛内烟气整体循分布，低温烟气的循环能够带走一部分热还起到一定的稀释作用，从而限制了热力

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