随着中国煤炭、石油等传统化石能源日益紧缺,工业生产过程排放的低热值燃气的回收利用成为当今研究的一大热点。目前低热值燃气大部分被空排或空烧,不仅造成极大浪费,也将对生态环境造成严重破坏。与常规燃气相比,低热值燃气能量密度小,成分复杂多变,燃烧难以控制组织,燃烧效率低下导致火焰传播速度小,容易造成回火和熄火。因此,提高其燃烧过程稳定性成为低热值燃气利用领域亟待解决的技术难题。　　 本文依据“涡团与火焰相互作用使火焰高速传播”的燃烧学概念,将旋流管状火焰燃烧器应用于低热值燃气的燃烧,并建立相应的数值模型和实验装置,对燃烧器内部流场结构、火焰特性、可燃最低热值、燃烧效率、污染物排放等进行了详细的数值模拟和实验研究。具体工作如下:　　 首先,采用Fluent计算流体软件对比研究了旋流管状火焰燃烧器内冷热态流场和燃烧特性。结果表明,旋流管状燃烧器内部火焰由管状段和锥状段构成,前者为稳定燃烧的决定性因素;管状段由火焰面外部低温未燃气和内部高温烟气构成,管壁散热引起的温度降不超过150 K;火焰温度随燃气流量、热值、初始温度均呈正相关变化趋势。　　 其次,通过实验手段考察了旋流管状火焰燃烧器内CH4/N2/Air预混气燃烧特性。实验结果表明,可形成稳定管状火焰的最低燃气热值随预混气流量的增加而降低。随燃气热值的提高,火焰温度上升,火焰半径扩大,燃烧效率增大,热值达到4.4 MJ/Nm3时燃烧效率已高达99%以上。各实验工况下NOx排放量均不超过3×10-6。　　 最后,针对实际工业过程产生的低热值燃气成分复杂多变的特点,对多种不同组分的低热值燃气燃烧特性进行了对比实验研究,主要分为三个部分:(1)改变模拟低热值燃气的组分及其浓度,考察燃烧特性的变化规律。结果表明,以CO2替代N2使临界热值增大,同时燃烧效率对燃气热值的敏感度明显降低;低热值燃气中CO和H2的含量是决定管状火焰燃烧器内火焰径向温度分布形态的主要因素,较高的H2含量使火焰温度呈马鞍形分布,而较高的CO含量则使其呈抛物线形分布。(2)选取几种实际低热值燃气,对管状燃烧器进行了灵活性验证试验。结果表明,旋流管状火焰燃烧器有很好的燃料适应性,可实现多种低热值燃气的高效、低排放燃烧;(3)选取CH4/N2/Air和垃圾气化气预混气,提高预混空气氧含量至25%和30%,研究管状火焰特性随氧含量的变化规律。结果表明,增大预混空气氧含量使可燃热值极限显著降低,从而提高管状火焰稳定性和燃烧效率。值得注意的是,氧含量对火焰的综合作用结果取决于燃气热值和火焰形态,对于半径较大的管状火焰,提高氧含量使火焰面进一步向管壁靠拢,引起不可忽略的辐射热损失,反而使燃气的能量利用率大幅降低。　　 综上所述,管状燃烧是一种高效清洁的强稳燃型燃烧技术,在燃料适应性、燃烧效率及污染物的控制上具备较强的技术优势,在各类工业加热装置以及燃气发电领域具有广泛的应用前景。