【摘 要】
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随着经济的快速发展,我国工业对能源的需求日益增长,同时造成了严重的环境污染问题。燃烧器作为工业系统中重要的能源利用装置,如何做到节能、高效、低污染是燃烧器的主要发展方向。本文基于旋流燃烧技术,自行设计了一款动态旋流燃烧器,通过电机带动旋流叶片旋转以获得不同的旋流强度。以动态旋流燃烧器为研究对象,天然气作为燃料,运用数值模拟的方法研究了不同运行参数和结构参数对燃烧特性及污染物排放的影响。对燃烧器五组
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随着经济的快速发展,我国工业对能源的需求日益增长,同时造成了严重的环境污染问题。燃烧器作为工业系统中重要的能源利用装置,如何做到节能、高效、低污染是燃烧器的主要发展方向。本文基于旋流燃烧技术,自行设计了一款动态旋流燃烧器,通过电机带动旋流叶片旋转以获得不同的旋流强度。以动态旋流燃烧器为研究对象,天然气作为燃料,运用数值模拟的方法研究了不同运行参数和结构参数对燃烧特性及污染物排放的影响。对燃烧器五组旋流叶片转速:600、900、1200、1500和1800 rad/min;五组空气过剩系数:0.8、0.9、1.0、1.1和1.2;六组扩口角度:20°、25°、30°、35°、40°和45°工况进行了数值模拟,结果表明:（1）旋流叶片的转速是影响燃烧器在燃烧室内的流场及火焰结构、温度分布、燃烧效率和NO排放的关键性因素。旋流叶片转速v=600rad/min时,燃烧室内没有形成中心回流区域,燃气与空气的混合状态不佳,燃烧效率低,燃烧室内整体温度均匀性较差;随着v的增大,中心回流区域的形成直接影响火焰结构和高温区域面积,火焰逐渐缩短,高温区从窄长形变成宽短形,再变成双涡形;高温区面积明显减小,并逐渐向燃烧室前段移动,燃烧室内整体温度均匀性得到很好的改善。燃烧室出口NO排放量先增大后减小,在旋流叶片转速v=900rad/min时NO排放量达到峰值,v从900rad/min增大到1800rad/min时,燃烧室出口处NO排放量降低了98.71%,较高的旋流叶片转速对于提高燃烧器的燃烧效率和燃烧室的整体工作性能及降低污染物排放是一个好的选择。（2）在低转速情况下,空气过剩系数n对于燃烧室内的流场结构影响较小,不同空气过剩系数条件下燃烧室内流场结构具有较高的一致性,由燃气管的直喷射流起主导作用,所有工况下燃烧室内都没有出现中心回流区域。随着n的不断增大,燃烧室高温区域逐渐向燃烧室前段移动,并且高温区域面积不断减小。随着空气过剩系数n从0.8增大至1.2,燃烧室内CO含量降低了61.66%,燃烧室出口处NO排放量降低了93.87%,燃烧器的燃烧效率提高,燃烧室出口处NO排放量减少,但过量的低温空气通入燃烧室会导致燃烧室内温度过低,工作性能降低。空气过剩系数n=1.1左右时,燃烧室内温度均匀性相对较好,且燃烧室出口处NO排放量较低。因此,不能一味地提高空气过剩系数,在保证较高的燃烧效率与较低的污染物排放之间,需要寻找到一个合理的空气过剩系数作为燃烧器运行的最佳参数。（3）高旋流强度下,不同扩口角度ɑ下燃烧室内都出现中心回流区域,速度表现为中心轴线位置轴向速度较低,两边近壁面位置轴向速度高的分布特点。随着α的增大,流场的扩张角度增大,中心回流区域逐渐变宽,速度峰值的位置向两侧壁面移动,边角回流区域逐渐消失。在扩口角度α=35°、40°时燃烧器有较高的燃烧效率,燃烧室内温度均匀性较好,同时满足燃烧室出口NO低排放的特点。在所研究的燃烧器运行工况下,选择旋流叶片转速v=1500-1800rad/min,空气过剩系数n=1.1左右和扩口角度α=35°–40°作为燃烧器的运行工况,此时既能实现高效燃烧,又可以保证燃烧室内温度较为均匀,同时燃烧室出口处NO排放量较少。
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