低热值煤气燃烧过程的数值模拟与实验研究

【摘要】： 在工业生产某些过程中有大量的低热值煤气产生,由于含有大量惰性气体,因而发热量很低、着火困难、燃烧性能差。为了有效利用这些低品质的煤气,节能减排,本文设计开发了一种新型的低热值煤气燃烧系统,基于数值模拟与实验研究的方法对该燃烧系统的燃烧特性进行了研究。 首先,建立了低热值煤气燃烧过程实验台,设计开发了燃料系统、送风系统、燃烧系统、数据采集系统、后处理系统。重点设计开发了低热值煤气燃烧系统,燃烧系统由低热值煤气燃烧器、燃烧室以及独特的蓄热体结构组成。 其次,在应用Gambit软件建立了低热值煤气燃烧系统的三维模型的基础上应用Fluent软件进行了流动与燃烧过程的数值计算,获得了低热值煤气燃烧过程的压力场、流场、速度场、温度场和浓度场,并进行了详细的分析。 第三,研究燃烧系统参数对低热值煤气燃烧过程的影响,分析了空气预热温度、煤气预热温度、富氧浓度以及空气过量系数对低热值煤气燃烧过程的影响规律；对低热值煤气燃烧系统的结构进行了优化,得到了最佳喷口角度以及最佳蓄热体结构。利用正交设计法分析了各参数对燃烧过程影响的显著程度,为低热值煤气燃烧过程的实验研究提供了一组最佳参数组合。 最后,在搭建的低热值煤气燃烧过程的实验台上,对低热值煤气燃烧过程进行了实验研究。研究了不同空气预热温度对低热值煤气燃烧过程的影响。同时,对低热值煤气燃烧过程的数值模拟结果与实验研究结果进行对比研究,验证了数值模拟结果的准确性。 【关键词】：低热值煤气 燃烧过程 数值模拟 实验
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK16
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外低热值煤气燃烧过程的研究现状12-20
• 1.2.1 国外低热值煤气燃烧过程的研究现状12-14
• 1.2.2 国内低热值煤气燃烧过程的研究现状14-20
• 1.3 论文的主要工作20-21
• 1.3.1 论文的研究对象20
• 1.3.2 论文的研究内容20-21
• 2 低热值煤气燃烧过程实验台的设计21-41
• 2.1 燃料系统的设计21-23
• 2.1.1 燃料量的计算22
• 2.1.2 阻力特性分析计算22-23
• 2.2 送风系统的设计23-27
• 2.2.1 空气耗量的计算23-24
• 2.2.2 阻力特性分析计算24-25
• 2.2.3 空气电加热器的设计25-27
• 2.3 燃烧系统的设计27-36
• 2.3.1 低热值煤气燃烧器的设计28-30
• 2.3.2 燃烧室的设计30-33
• 2.3.3 蓄热体结构的设计33-35
• 2.3.4 催化燃烧结构的设计35-36
• 2.4 数据测量与采集系统的设计36-39
• 2.5 后处理系统的设计39-40
• 2.5.1 换热器的设计39
• 2.5.2 引风机39-40
• 2.6 本章小结40-41
• 3 低热值煤气燃烧过程数值模拟研究41-57
• 3.1 物理和数学模型41-45
• 3.1.1 物理模型41-42
• 3.1.2 数学模型42-45
• 3.2 网格划分、边界条件及求解方法45-46
• 3.2.1 网格划分45-46
• 3.2.2 边界条件46
• 3.2.3 点火源的定义46
• 3.2.4 求解方法46
• 3.3 燃烧系统流动与燃烧过程的数值模拟研究46-55
• 3.3.1 中心平面压力场分布47-48
• 3.3.2 流场分布48-50
• 3.3.3 速度场分布50-51
• 3.3.4 温度场分布51-53
• 3.3.5 CO浓度场分布53-54
• 3.3.6 中心平面CO_2浓度场分布54-55
• 3.4 本章小结55-57
• 4 燃烧系统参数对燃烧过程影响的数值模拟研究57-87
• 4.1 预热温度对燃烧过程的影响57-63
• 4.1.1 空气预热温度对燃烧过程的影响57-60
• 4.1.2 煤气预热温度对燃烧过程的影响60-63
• 4.2 富氧浓度对燃烧过程的影响63-69
• 4.2.1 富氧浓度对燃烧温度的影响64-66
• 4.2.2 富氧浓度对一氧化碳含量的影响66-67
• 4.2.3 富氧浓度对燃烧生成物的影响67-68
• 4.2.4 富氧浓度对烟气质量流量的影响68-69
• 4.3 过量空气系数对燃烧过程的影响69-72
• 4.3.1 过量空气系数对一氧化碳浓度的影响69-70
• 4.3.2 过量空气系数对燃烧温度的影响70-72
• 4.3.3 过量空气系数对二氧化碳浓度的影响72
• 4.4 蓄热体对燃烧过程的影响72-75
• 4.4.1 无蓄热体结构下煤气燃烧过程的数值模拟研究72-74
• 4.4.2 两种蓄热体结构下煤气燃烧过程的数值模拟研究74-75
• 4.5 喷口角度对低热值煤气燃烧过程的影响75-78
• 4.5.1 喷口角度对燃烧温度场的影响76-78
• 4.5.2 喷口角度对X方向速度场的影响78
• 4.6 燃烧系统参数的优化78-85
• 4.6.1 燃烧系统参数优化研究方案79-82
• 4.6.2 计算结果分析82-85
• 4.7 本章小结85-87
• 5 低热值煤气燃烧过程的实验研究87-99
• 5.1 实验台的搭建以及装置的布置87-90
• 5.1.1 实验台的搭建87-89
• 5.1.2 热电偶以及烟气采集装置的布置89-90
• 5.2 实验步骤90-91
• 5.3 实验装置的标定与调试91-94
• 5.3.1 实验仪器的标定91
• 5.3.2 装置的调试91-94
• 5.4 低热值煤气燃烧过程实验研究94-96
• 5.4.1 实验现象95
• 5.4.2 实验结果分析95-96
• 5.5 数值模拟结果与实验研究结果的对比分析96-98
• 5.5.1 初始条件的设定97
• 5.5.2 对比分析97-98
• 5.6 本章总结98-99
• 6 结论与展望99-103
• 6.1 结论99-101
• 6.2 展望101-103
• 参考文献103-105
• 附录105-109
• 作者简历109-113
• 学位论文数据集113

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