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四风道燃烧器的结构与性能研究

作　者: 卢凯芳
导　师: 李建锡
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: Fluent 燃烧器回转窑节能减排无烟煤
分类号: TQ172.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

水泥工业污染物排放严重的威胁着人类的身体健康,对环境也造成了严重的污染。而同时作为我国主导能源的煤炭分布很不均衡,在储量上“北多南少”,在品质上又呈“北优南劣”的格局。在这个严峻的国情和环境背景下,水泥行业的问题是如何有效利用劣质煤煅烧水泥,如何降低水泥行业中的有害气体的排放,开发有效的煤粉燃烧器上成为了解决上述问题的重要途径之一。回转窑—燃烧器系统中煤粉燃烧器虽然很小,可它对烧成系统的产量、质量、煤耗、火砖寿命、工艺事故、有害气体的排放和运转率等主要技术经济指标的影响却举足轻重。因此,国内外水泥行业的研究员都在致力于寻找一种可以高效燃烧、节能减排的燃烧器。本课题组利用计算机模拟仿真技术(CFD),首次在热态模拟中考虑了窑筒体的散热,得到了比较理想的温度场分布情况,同时改变操作特征,设计不同的模拟方案,探讨了燃烧器的结构与性能的关系,并得到了许多具有参考性和指导性的经验。具体研究内容包括以下几个方面：(1)改变操作条件,表明：旋风道速度的增大,有利于回流区的增大,促进燃烧,但不宜过大,否则易冲刷窑皮；随着直流风速度的增大,煤粉混合速率加快,火焰集中而有力。(2)改变燃烧器的结构,表明：在风速不变的情况下,无论是减少直风道的孔径还是孔的个数,都是将一次风量增大,冲量减少,造成的结果是,火焰变的长而无力,燃烧时间加长,在10m处,其煤粉的剩余量明显增加,不利燃烧。(3)以热重法对不同品位燃料的静态燃烧特性进行了机理研究。在热重试验条件下,从燃烧特性指数来看,烟煤表现出良好的着火、稳燃和燃烬性能,是一种高品位燃料；无烟煤的品位相对较低,其着火和稳燃性能比较差,初期燃烬率较大,而后期燃烬率小,不易燃烧完全。(4)研究了该燃烧100%燃烧无烟煤的情况,较之烟煤,同样的操作条件下,燃烧无烟煤其高温区峰值增大100℃,黑火头变长,着火点延迟,但分析煤粉剩余状况,表明该燃烧器燃烧无烟煤仍然有很好的燃烬率,其有害气体出口排放也远低于平均排放,说明了该燃烧器的适应性。(5)研究了NOx的形成机理,模拟结果与理论吻合,热力型NO的形成与温度关系最大,随着温度的增大,NO的生成量呈指数增加,通过对NO平均出口量的分析,证明了该燃烧器不可比拟的优势,其出口NO量不到400ppm,达到了减排的目的。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-35
  1.1 研究背景  10-18
    1.1.1 水泥工业的概况  10-13
    1.1.2 水泥窑中燃料利用技术的研究  13-15
    1.1.3 我国能源及煤炭资源概况  15-18
  1.2 煤粉燃烧器在回转窑中的重要意义  18-30
    1.2.1 燃烧器—回转窑系统的热工制度  18-19
    1.2.2 燃烧器在回转窑中的作用  19-20
    1.2.3 回转窑生产对燃烧器性能的要求  20-22
    1.2.4 国内外煤粉燃烧器的发展历程  22-28
    1.2.5 国内外煤粉燃烧器开发的理论基础  28-30
  1.3 国内外燃烧器的模拟现状和存在的问题  30-31
    1.3.1 国内外燃烧器—回转窑系统的模拟现状  30-31
    1.3.2 国内外燃烧器模拟现状存在的问题  31
  1.4 本文的研究背景、目的和意义  31-33
  1.5 本文的研究内容和主要工作  33-35
第二章煤粉燃烧器数值模拟的理论基础  35-52
  2.1 流体流动的基本控制方程  35-36
  2.2 湍流流动数学模型  36-42
    2.2.1 湍流流动简介  36-37
    2.2.2 湍流流动的统计分析方法  37
    2.2.3 单方程(Spalart-Allmaras)模型  37-38
    2.2.4 k-ε模型  38-39
    2.2.5 RNG k-ε模型  39
    2.2.6 带旋流修正的k-ε模型  39-41
    2.2.7 壁函数  41-42
  2.3 基于有限体积法的控制方程离散  42-44
    2.3.1 离散化理论和方法  42-43
    2.3.2 有限体积法及其网格  43-44
  2.4 基于非结构网格的SIMPLE算法  44-48
    2.4.1 非结构网格及控制体积  44-45
    2.4.2 SIMPLE算法的步骤  45
    2.4.3 基于SIMPLE算法的各个控制方程的离散  45-48
      2.4.3.1 通用控制方程的离散  45-46
      2.4.3.2 动量方程的离散  46
      2.4.3.3 速度修正方程的建立  46-47
      2.4.3.4 压力修正方程的建立  47-48
  2.5 模拟方法和模拟手段  48-52
    2.5.1 模拟方法  48-49
    2.5.2 模拟手段—CFD技术及Fluent软件  49
    2.5.3 CFD技术在燃烧器—回转窑系统模拟中的优势  49-52
第三章燃烧器内煤粉的燃烧和数值模拟分析  52-79
  3.1 燃烧器中煤粉的燃烧过程研究  52
  3.2 煤的燃烧理论  52-57
    3.2.1 煤燃烧动力学  52-54
    3.2.2 煤的燃烧机理  54-56
    3.2.3 回转窑内煤燃烧的特点  56-57
  3.3 燃烧器—回转窑系统模型的建立  57-62
    3.3.1 模型的建立及模拟假设  57-60
      3.3.1.1 模型的建立及优化  57-59
      3.3.1.2 燃烧器—回转窑系统三维数值模拟假设前提  59-60
    3.3.2 边界条件  60
    3.3.3 模拟的数值方法  60-62
  3.4 燃烧器—回转窑系统模拟结果及分析  62-79
    3.4.1 燃烧器—回转窑系统湍流流场分析  62-70
    3.4.2 操作特征对煤粉燃烧的影响  70-75
      3.4.2.1 旋风道风速对燃烧的影响  70-73
      3.4.2.2 直风道风速对燃烧的影响  73-75
    3.4.3 改变燃烧器结构对燃烧的影响  75-79
第四章高原水泥生产中煤种对燃烧的影响  79-91
  4.1 云南省低质煤分布情况  79
  4.2 烟煤和无烟煤燃烧特性的热重研究  79-87
    4.2.1 试验样品分析  80-81
    4.2.2 试验装置和样品制备  81-82
    4.2.3 非等温热重试验中煤燃烧特性指数  82-83
      4.2.3.1 综合燃烧特性着指数  82-83
      4.2.3.2 傅氏通用着火指数  83
    4.2.4 试验结果分析  83-87
      4.2.4.1 图样分析  83-85
      4.2.4.2 升温速率对燃烧特性的影响  85-86
      4.2.4.3 烟煤与无烟煤燃烧特性研究  86-87
  4.3 高原水泥生产中煤种对燃烧的影响  87-91
第五章燃烧器-回转窑系统污染形成与控制  91-100
  5.1 水泥工业污染物排放对人类健康的影响  91
  5.2 NO_x的污染及氮氧化物的形成机理  91-96
    5.2.1 NO_x的污染危害  91-92
    5.2.2 NO_x的分类  92-93
    5.2.3 热力型NO_x的形成机理  93-94
    5.2.4 燃料型NO_x的形成机理  94-95
    5.2.5 快速型NO_x的形成机理  95-96
  5.3 NO_x模拟研究及结果分析  96-100
    5.3.1 NO生成量及原因分析  96-98
    5.3.2 NO平均出口量分析  98-100
第六章结论与展望  100-103
  6.1 数值模拟的结论  100-101
  6.2 本文的主要创新点  101
  6.3 展望  101-103
致谢  103-104
参考文献  104-110
附录  110

四风道燃烧器的结构与性能研究

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