旋流非预混燃烧火焰流动特性的实验研究-期刊

第２６卷第３期　２０１２年５月　发也没务　ＰＯＷＥＲ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　Ｖ０ｌ＿２６，ＮＯ．３　Ｍａｙ．２０ｉ２　

，’’’’’　’’、　２试验与研究：　Ｉ。ｔｔＩｔ‘ｔ　ｔ　

空气动力特性对旋流燃烧器性能影响的研究　

张玉斌，李　明，都淑丽，苗雨旺，孙树翁，崔星源，王新光　

（烟台龙源电力技术股份有限公司，烟台２６４００６）　

摘要：对ＬＮＡＳＢ燃烧器和Ｈ　ＮＲ３燃烧器进行了冷态空气动力场测试，分析了回流区形态、尺寸、位　置及射流扩展角等参数对燃烧器性能的影响，指出在一、二次风气流之间建立环形回流区有利于推迟二次风　的供给时机，抑制ＮＯ　的大量生成，并利用二次风保护燃烧器喷口及附近水冷壁不发生烧损和结渣，同时降　低着火热，促进煤粉提前着火，确保燃烧器的稳燃性能。　关键词：旋流燃烧器；空气动力特性；低Ｎ０　燃烧　中图分类号：ＴＫ２２３．２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１一Ｏ８６Ｘ（２０１２）０３—０１４５—０４　

Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｗｉｒｌ　Ｂｕｒｎｅｒ　Ｐｅｒｆ０ｒｍａｎｃｅ　

ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ－ｂｉｎ，ＬＩ　Ｍｉｎｇ，ＤＵ　Ｓｈｕ－ｌｉ，ＭＩＡＯ　Ｙｕ—ｗａｎｇ，ＳＵＮ　Ｓｈｕ—ｗｅｎｇ，　ＣＵＩ　Ｘｉｎｇ．ｙｕａｎ．ＷＡＮＧ　Ｘｉｎ．ｇｕａｎｇ　（Ｙａｎｔａｉ　Ｌｏｎｇｙｕａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎｔａｉ　２６４００６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｌｄ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ＬＮＡＳＢ　ａｎｄ　ＨＴ—ＮＲ３　ｂｕｒｎｅｒ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍｅａｓｕｒｅｄ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｈｏｗ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｂｕｒｎｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ，ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｆｌｕｅｎｃｅ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｊｅｔ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ａｎｇｌｅ，ｅｔｃ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ａｎ　ａｎｎｕｌａｒ　ｃｉｒｃｕｍｆｌｕｅｎｃｅ　ａｒｅａ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｒｉｍａｒｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ａｉｒ　ｆｌｏｗ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｆｏｒ　ｄｅｌａｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ａｉｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ｐｒｏｈｉｂｉｔｉｎｇ　ＮＯ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ　ｂｕｒｎｅｒ　ｎｏｚｚｌｅｓ　ａｎｄ　ｎｅａｒｂｙ　ｗａｔｅｒ　ｗａｌｌ　ｆｒｏｍ　ｂｅｉｎｇ　ｂｕｒｎｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｓｌａｇｇｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ　ｃｏａｌ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｓｅｃｕｒｉｎｇ　ａ　ｓｔａｂｌｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｒｎｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｒｌ　ｂｕｒｎｅｒ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｌｏｗ　ＮＯ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

旋流及w火焰煤粉燃烧技术 概述及解释说明

1. 引言

1.1 概述

旋流及火焰煤粉燃烧技术作为一种先进的能源利用方式，在工业生产和能源行业中扮演着重要角色。该技术通过优化燃烧过程，实现了对煤粉的高效利用，提高了能源利用效率，降低了环境污染。本文将对旋流及火焰煤粉燃烧技术的概念、原理及应用进行详细阐述，并分析其在能源行业和工业生产中的主要应用领域和优势。

1.2 文章结构

本文共分为五个部分。引言部分介绍了旋流及火焰煤粉燃烧技术的背景与意义，并概括了文章整体结构。第二部分对旋流及火焰煤粉燃烧技术进行综述，包括旋流燃烧技术和火焰煤粉燃烧技术的简介。第三部分详细解释了这两种技术的原理。第四部分分析了它们在能源行业和工业生产中的主要应用领域和优势。最后的结论部分对本文进行总结，并展望了旋流及火焰煤粉燃烧技术的发展前景。

1.3 目的

本文旨在系统地介绍旋流及火焰煤粉燃烧技术，解释其原理，并探讨其在能源行业和工业生产中的应用领域和优势。通过分析这些信息，我们可以更好地认识到这两种技术对于提高能源利用效率和降低环境污染的重要性，以及它们在不同领域中的应用潜力。这将有助于推动这些技术的进一步发展与应用，促进能源可持续发展和工业生产的可持续性。

2. 旋流及火焰煤粉燃烧技术概述

2.1 旋流燃烧技术简介

旋流燃烧技术是一种高效的煤粉燃烧方式，通过将进入锅炉内的空气和煤粉快速旋转并混合，形成一个稳定、均匀且强大的旋涡。这种旋涡可以有效地使空气和煤粉充分混合，提高了其燃烧效率和传热效果。同时，旋流还有助于防止锅炉内部温度不均匀和结焦等问题的发生，提高了锅炉的稳定性和可靠性。

2.2 火焰煤粉燃烧技术简介

火焰煤粉燃烧技术是一种将细粒度的颗粒质料进行完全氧化的高效方法。在该技术下，通过喷射空气或者其他氧化剂进入反应室，在高温下使得颗粒质料迅速着火并产生火焰。这种过程中释放出来的能量被用来加强反应，并且通过适当的调节机制可以使燃烧反应达到最佳状态。

第７卷第３期　２ＯＯ７年６月　过程工程学报　Ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　、，０１．７　ＮＯ．３　Ｊｕｎｅ　２００７　旋转流中预混合火焰高速传播现象　＿ＩＩ．点火位置与燃烧过程　夏亮　，　赵黛青　，　山下博史　，　汪小憨　ｆ１．中国科学院广州能源研究所，广东广州５１０６４０：２．中国科学院研究生院，北京１０００４９：　３．名古屋大学大学院工学研究科，日本名古屋４６４－８６０３）　摘要：在前期关于Ｖｏｒｔｅｘ．ｂｕｒｓｔｉｎｇ旋流式预混燃烧器的燃烧效率及其进口混合气速度分布对燃烧效率的影响实验基　础上，围绕燃烧器的点火特性，对旋流场中的点火位置和稳定火焰形成进行了数值分析．结果表明，不适当的点火位　置会影响稳定火焰的形成，在相同的燃烧工况下，在流场中点火位置不同，火焰的发展出现不同的趋势．在靠近中心　轴附近的低速区点火时，火焰能够稳定；在靠近管壁的高速区点火时，撤离点火源后，火焰吹熄．本结果对于强化预　混合燃烧的稳定性具有理论和工程指导意义．　关键词：火焰稳定性；旋流燃烧；点火位置　中图分类号：ＴＫＩ６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９－６０６Ｘ（２００７）０３－０４６２—０５　１　前言　无论从能源资源供给及运输，还是对排放物的环境　可承受容量，大力发展替代能源以及拓展更多的燃料来　源都极为重要．在上述背景下，高炉煤气、炼油伴生气、　煤层气、生物质热解气化产物，包括生活垃圾焚烧等等　来源广泛的低热值燃料的利用越来越受到重视，是企业　节能降耗、降低生产成本的重要途径．但这些燃料的热　值低，难以形成稳定的燃烧，容易吹熄，迫切需要开发　有效的稳燃技术以及低热值燃气的燃烧设备．目前，解　决低热值燃气的稳定燃烧的方法主要是与部分高热值　燃料混烧，如钢铁厂的高炉煤气和焦炉煤气或煤混烧［１】，　另一个途径是提高燃烧的预热温度，改善低热值燃气的　点火特性，提高燃烧稳定性口】．　已有的对涡管中预混合燃烧现象的实验和理论研　究［３－１６］表明，在旋转流中，预混合火焰传播速度随着旋　转强度增大而增大．从稳定燃烧的角度来看，即说明当　预混合气的喷出速度提高时，通过增大混合气的旋转速　度有可能使火焰稳定而不会吹熄，为设计稳定可靠的低　热值燃料燃烧器提供了一种新的思路，它不同于钝体和　旋流二次风利用回流区加强传热传质的稳燃方式．　前部分工作中研究了基于Ｖｏｒｔｅｘ．ｂｕｓｔｉｎｇ现象构思　的旋转式预混合燃烧器的燃烧效率，探讨了进口混合气　的速度分布对燃烧效率的影响，发现具有沿半径方向递　减的进口速度分布可以提高燃烧效率，同时也发现由于　旋转以及火焰热膨胀的双重作用，燃烧场的流动特性复　杂，点火过程能否完成，与点火位置、点火后火焰的形　成与速度场变化是否匹配关系密切．以往关于Ｖｏｒｔｅｘ．　ｂｕｓｔｉｎｇ现象的研究多是针对无外加轴向速度的直涡管　和涡环进行，采用轴线处点火．Ｍａｒｇｏｌｉｎ等【幢】研究了非　轴线处点火，发现在静止直涡管的周围位置点火时，火　焰将首先向旋流轴线移动，到达轴线之后，火焰轴向方　向的延伸速度将远远超过径向方向的发展速度．在实际　的旋流预混合燃烧器中，进口预混合气体将以一定的轴　向速度和旋转速度喷出，因此，本工作根据己把握的旋　转流中预混合火焰特殊的燃烧场结构，采用数值模拟的　方法，以强制涡作用下的旋流甲烷／空气预混合燃烧为对　象，考察了在流场的不同区域点火对燃烧稳定性的影　响，并探讨了其内在规律．　２　数值计算方法和解析对象　计算中采用与前文【１　７］相同的计算模型、边界条件和　反应动力学模型及各物性参数［１８，１９］．为了突出点火位置　的影响，选择１组燃烧工况：旋转角速度　３０００　Ｓ～，　当量比　：０．５，预混气进口速度　＝２２．５５　ｍ／ｓ，在此条　件下，点火成功且火焰稳定后，火焰的前锋驻定于坐标　原点．　对７种点火位置的工况进行了计算，即分别为（ｍｍ）　（Ｏ，Ｏ），（２，Ｏ），（４，Ｏ），（６，０），（８，Ｏ），（１ｏ，０），（１２，０）．各点轴　向高度相同、横坐标逐渐增大意味着它们离中心轴线的　距离越来越大．需要说明的是点火位置并不是１个点，　在程序中是指一块由４个网格点组成的区域．计算中的　点火方式为点火点温度Ｔ＝２２５０　Ｋ，点火时间ｒ＝０．２　Ｓ，　此后去掉强制高温源，继续计算，考察燃烧能否发展，　最终形成稳定的火焰．解析对象和控制方程与文献［５】　相同．　收稿日期：２００６－０２—２４，修回日期：２００６－０８—１５　作者简介：￣，（１９８０－），男，江西省南昌市人，硕士研究生，工程热物理专业；赵黛青，通讯联系人，Ｔｅｌ：０２０．８７０５７６０１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｄｑ＠ｍｓ．ｇｉｅｃ．ａｃ．ｇｎ．

Fluent验证案例25：非预混燃烧

本案例利用Fluent的非预混燃烧模型计算燃烧器内甲烷燃烧过程，并利用实验值对计算结果进行验证。

计算模型如图所示，甲烷与空气从不同的入口进入燃烧室，并在燃烧室内混合燃烧，计算过程中考虑辐射换热。

计算参数如表所示。

本次计算采用稳态计算，利用Realizable k-epsilon湍流模型计算湍流。采用DO辐射模型考虑燃烧过程中的辐射换热，利用非预混燃烧模型模拟燃烧。

1

Fluent设置

• 以2D、Double Precision方式启动Fluent

• 利用菜单File → Read → Case…加载case文件

1.1 General设置

• 双击模型树节点General，右侧面板如下图所示进行设置 注：选择轴对称旋转，因为存在轴对称旋转边界

1.2 Models设置

• 右键选择模型树节点Models > Energy，选择弹出菜单项On激活能量方程

注：涉及到化学反应燃烧的问题，都要开启能量方程

• 右键选择模型树节点Models > Viscous，选择弹出菜单项Model > Realizable k-epsilon开启湍流模型 注：Realizable k-epsilon湍流模型适合于射流模拟

• 鼠标双击模型树节点Radiation，弹出设置对话框，激活辐射模型Discrete Ordinates，采用默认模型参数

注：DO模型适合于模拟所有光学厚度条件下的辐射问题。在本案例中也可以选择使用P1模型。

1.3 Species模型设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Species弹出设置对话框

• 激活选项Non-Premixed Combustion采用非预混燃烧模型

• 选择选项Chmical Equilibrium及Non-Aiiabatic，采用非绝热的化学平衡模型

• 切换到Boundary标签页，如下图所示设置Fuel中ch4为1，设置Oxid中的n2为0.78992，o2为0.21008