增压浸没燃烧装置的研发

论文摘要

增压浸没燃烧技术是一种在微正压浸没燃烧技术的基础上发展出来的新技术，它克服并突破了微正压浸没燃烧技术的不足和局限性，拓展了浸没燃烧技术的应用领域，但目前人们对该项技术的研究还远远不够充分，理论和设计都存在诸多问题，有待进一步深入研究。为此，我们对增压浸没燃烧技术进行了初步的理论与实验研究。主要工作如下：通过节能环保分析计算，对比了增压浸没燃烧器与注汽锅炉的能耗状况。结果显示，若单位时间内生产相同质量的0.5-21MPa纯蒸汽，从经济效益和环保效益两方面均证明了增压浸没燃烧器比注汽锅炉具备更好的节能潜力，说明了增压浸没燃烧技术的确是一种较好的新型节能技术，不仅继承了微正压浸没燃烧技术的优点，而且具有更好的应用前景和进一步推广应用的可行性。搭建了增压浸没燃烧器实验台，研究了不同压力条件（0.15MPa、0.22MPa）和燃烧器结构（扩散燃烧器、预混燃烧器）对增压浸没燃烧技术影响的热态实验。不同压力条件的实验结果表明，增压浸没燃烧器能够在高压条件下稳定工作。其中，在0.22MPa压力状态下，被加热液终温保持在108℃，烟气温度为120℃；在0.15MPa压力状态下，液体终温为97℃，烟气温度为107℃，实现了增压浸没燃烧技术在高压条件下提高液体和烟气温度的预期目标。不同燃烧器结构的实验结果表明，在燃烧性能、污染物排放方面，预混燃烧器比扩散燃烧器表现较好，但是当背压发生波动变化时，预混燃烧器容易发生熄火现象，说明压力波动是影响增压浸没燃烧器工作性能的关键因素。为了深入研究压力对燃烧过程的影响，并为高反压燃烧器的设计提供一些思路，建立了二维轴对称甲烷-空气同心轴流高反压燃烧器的模型，利用FLUENT软件对高反压燃烧器在5-30atm背压下的燃烧状况进行了数值仿真。数值模拟结果显示：对于理想气体，压力与气体密度值呈正比，在相同质量流量条件下，入口速度随压力升高而减小，这样有利于缩小燃烧器体积；燃烧反应速率、烟气最高温度和污染物浓度均随压力升高而增加。高压条件有利于提高燃烧最高温度，相应增加的污染物浓度会因为烟气与冷液接触而降低，说明增压浸没燃烧仍然是一种高效、低排放的技术。为了了解顶部浸没管鼓泡行为，根据气泡动力学理论，对单孔顶部浸没管形成的气泡尺寸和气泡穿透深度建立了数学模型。计算结果表明，气泡在液体中穿透深度主要受到浮力和粘滞力的影响。当顶部浸没管向下鼓泡时，由于气体和液体的密度差很大，气泡在液体中的穿透深度非常小。如果要增加穿透深度，延长气泡在液体中的停留时间，增强气体与罐底部液体之间的扰动，就需要提高烟气出口速度。但是，这样会引起罐内压力的剧烈波动，导致燃烧器背压不稳定，最终造成燃烧器工作不稳定。针对增压浸没燃烧技术中燃烧器工作不稳定，以及鼓泡管出口烟气速度低的特点，提出了壅塞流喷管燃烧器的设计。该燃烧器的设计结构能够使燃烧器出口烟气达到壅塞流状态，烟气出口速度大，燃烧室压力不再受到液位振荡或者罐内压力变化的影响，能够在较稳定的压力条件下保持良好的工作性能。为了确认结构设计的合理性，利用FLUENT软件对壅塞流喷管燃烧器进行了模拟计算。结果表明燃烧器的结构设计合理，能够达到预期效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号
• 第1章 绪论
• 1.1 间壁式换热器存在的问题
• 1.2 浸没燃烧技术的简介
• 1.3 浸没燃烧技术的研究现状
• 1.3.1 浸没燃烧技术在工程实际中的应用
• 1.3.2 浸没燃烧装置的设计
• 1.3.3 浸没燃烧理论
• 1.3.4 气泡在被加热液体中的运动及传热传质过程
• 1.3.5 浸没燃烧数值模拟
• 1.4 增压浸没燃烧技术的意义
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 增压浸没燃烧技术的节能环保分析
• 2.1 工作流程介绍
• 2.2 能耗对比分析
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 确定分析目标函数
• 2.2.3 经济效益分析
• 2.2.4 环保效益分析
• 2.3 小结
• 第3章 增压浸没燃烧装置的实验研究
• 3.1 结构设计
• 3.1.1 燃烧器的设计
• 3.1.2 防爆膜的设计
• 3.1.3 鼓泡管的设计
• 3.2 实验设备介绍
• 3.3 工艺流程介绍
• 3.4 罐内工作压力对增压浸没燃烧技术的影响
• 3.5 扩散、预混燃烧器在增压浸没燃烧技术中的应用对比
• 3.5.1 O2、CO2及过量空气系数的对比
• 3.5.2 烟气污染物对比
• 3.5.3 罐内压力变化对燃烧器稳定性的影响
• 3.6 小结
• 第4章 高反压燃烧器的数值模拟
• 4.1 物理模型及边界条件
• 4.2 基本控制方程
• 4.3 湍流模型
• 4.4 燃烧模型
• 4.5 壁面条件
• 4.6 模拟结果与分析
• 4.6.1 温度分布
• 4.6.2 燃烧反应速率
• 4.6.3 CO2和 NOX浓度
• 4.7 小结
• 第5章 浸没管气泡动力学行为的数值计算
• 5.1 单孔顶部浸没孔口形成气泡的尺寸
• 5.2 气泡穿透深度数学模型
• 5.2.1 基本假设
• 5.2.2 数学模型
• 5.2.3 计算结果与分析
• 5.3 小结
• 第6章 高反压-壅塞流喷管燃烧器的数值模拟
• 6.1 压力振荡对燃烧的影响
• 6.2 设计原理——定熵流动的壅塞现象
• 6.3 高速燃烧器原理介绍
• 6.4 高反压-壅塞流喷管燃烧器的设计
• 6.4.1 壅塞流喷管喉部尺寸的设计
• 6.4.2 渐缩段尺寸的设计和计算
• 6.4.3 入口结构设计
• 6.5 数值模拟计算
• 6.5.1 物理模型
• 6.5.2 边界条件
• 6.5.3 网格划分及验证
• 6.5.4 计算结果分析
• 6.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢