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璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究

璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究
璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究

 第29卷第1期 硅 酸 盐 通 报 Vol.29 No.1 2010年2月 BULLETI N OF T HE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY February,2010 

单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究

韩 韬1,刘宗明1,李贤松1,赵蔚琳1,张铁柱2

(1.济南大学材料科学与工程学院,济南 250022;2.泰山玻璃纤维股份有限公司,泰安 271000)

摘要:本文建立了单元玻璃窑炉富氧燃烧空间三维数学模型,其中气相流动模型由质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和标准k2ε湍流模型组成,化学反应模型使用有限速率/涡耗散模型,辐射传热模型使用离散坐标模型。以年产2万吨玻璃纤维的熔窑为对象,利用Fluent软件对富氧燃烧空间内气体的流动状况和温度分布进行数值模拟。通过模拟结果与现场实测数据进行比较可以看出,该数学模型能够比较客观地反映单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的温度场和速度场的分布规律。在此基础上,对喷枪的布置加以调整和改进后得到了更佳的模拟效果,还说明该数学模型对窑炉富氧燃烧在生产过程的研究和应用也有一定的指导作用。

关键词:数学模型;数值模拟;玻璃窑炉;温度场;速度场

中图分类号:T Q171.6 文献标识码:A 文章编号:100121625(2010)0120077206 Study of Nu m er i ca l S im ul a ti on of O xygen2enr i ched

Co m busti on Cham ber of Cell Gl a ss Furnace

HAN Tao1,L IU Zong2m ing1,L I X ian2song1,ZHAO W ei2lin1,ZHAN G Tie2zhu2

(1.School of Materials Science and Engineering,University of J inan,J inan250022,China;

2.Taishan Fiberglass I nc.,Taian271000,China)

Abstract:This paper establishes a three2di m ensi onal mathe matical model of cell glass furnace in the oxygen2enriched combusti on s pace,which consisting of gas fl o w model composed of mass conservati on equati on,momentum conservati on equati on,energy conservati on equati on as well as the standard k2εmodel;che m ical reacti on model composed of eddy2dissi pati on model;and radiati on model composed of discrete ordinates model.Based on the object of an annual out put of20000t fiber glass furnace,the distributi on of gas fl ow and te mperature field,vel ocity field of the furnace are researched by using

F LUENT s oft w are.According t o the comparis on bet w een the si m ulati on results and the measured results

obtained on the s pot,it can be suggested that the mathe matical model can objectively reflect the real distributi on of the te mperature field and vel ocity field of the cell glass furnace.On the basis of research results,the author makes s ome reco mmendati ons t o i m p r ove si m ulati on results of the combusti on p r ocess, that is,t o adjust the layout of the s p ray gun on the combusti on s pace.It als o can be shown that the three2 di m ensi onal mathe matical model p lays an i m portant r ole in the research and app licati on of the oxygen2 enriched co mbusti on of cell glass furnace.

Key words:mathe matical model;nu merical si m ulati on;glass melting furnace;te mperature field;vel ocity fields

基金项目:山东省自然科学基金(Y2007F04)

作者简介:韩 韬(19842),男,硕士研究生.主要从事材料的计算与模拟研究

通讯作者:刘宗明.E2mail:ost_liuz m@https://www.docsj.com/doc/7e12488154.html,

78 专题论文硅酸盐通报 第29卷1 引 言

随着富氧燃烧技术的发展,国外越来越多的玻璃纤维窑炉使用富氧燃烧技术来缓解对能源的需求、提高玻璃纤维的产量和质量[122]。我国在富氧燃烧技术上处于刚起步的阶段,与国外的先进技术仍有差距。因此,研究富氧燃烧下窑炉燃烧空间的温度场和速度场的分布规律有助于我们更好地通过改进富氧燃烧技术和窑炉结构来做到节约能源、提高产量。

目前计算流体力学(CF D )在玻璃窑炉内燃烧空间温度场和速度场模拟方面的预测能力日益提高,并且能为窑炉的设计和工艺制度的改进提供了直观的信息

[324]。现在模拟工作集中于玻璃液的温度场和速度场的研究[527],对玻璃窑炉内燃烧状况的模拟鲜有报道。本文根据流体力学和传热学原理建立了一个关于富氧燃烧空间的三维数学模型。模拟结果具有一定的理论价值可为熔窑的研究提供有效地分析手段。2 数学模型建立

实际燃烧过程是一个包含流体流动、传热、传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程,它满足物理和化学的基本定律[8]。其控制方程主要是:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

控制方程的数学描述的通用形式为[9]:

5(ρ )5t +5(ρμ )5x +5(ρν )5y +5(ρω )5z =55x (Γ5 5x )+55y (Γ5 5y )+55z (Γ5 5z

)+S (1)

式中, 为通用变量,可代表μ,ν,ω等求解变量;Γ为广义扩散系数;S 为广义源项。本文主要研究了火焰空间气流场和温度场分布的情况,实验中的湍流模型为κ2

ε湍流模型,化学反应采用了涡2耗散模型,辐射模型应用了DO 辐射模型。κ2

ε湍流模型的湍流方程为:ρd κdt =ρ(5κ5t +u j 5κ5x j )=55x j [(μ+μt σκ)5κ5x j

]+G -ρερd εdt =ρ(5ε5t +u j 5ε5x j )=55x j [(μ+μt σε)5ε5x j

]+c 1εκG -c 2ρε2κ(2)式中:k 为湍流动能;ε为湍流动能耗散率;G 代表μi

5u j 5x i [5u i 5x j +5u j 5x i ];σε为湍流动能的有效普朗特数;σε为湍流动能耗散率的有效普朗特数;c 1,c 2为经验常数。

燃烧化学反应模型采用Eddy 2dissi pati on 模型,认为速率由湍流控制使得复杂化学反应动力学速率可以安全地忽略掉,这样节省了大量的计算时间。

辐射模型采用DO 辐射模型,其表达式为:

?(I (r →,s →)s →)+(a +σs )I (r →,s →)=an 2σT 4π+σs 4π∫4π0I (r →,s →) (s →,s →’)d Ω’(3)

其中,r →为位置向量;Ω’s →为方向向量;s →’为散射方向;s 为行程长度;a 为吸收系数;n 为折射系数;σs 为散射系数;σ为波尔兹曼常数;I 为辐射强度; 为相位函数;Ω’为空间体积角。

CF D 方法是对燃烧空间三维湍流流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。本文主要运用Fluent 软件通过有限体积法对控制方程进行求解。3 富氧燃烧空间的CF D 数值模拟

3.1 物理模型的建立与网格划分

本文以2万吨天然气富氧燃烧玻璃纤维池窑为几何模型进行模拟研究,具体参数如图1~3。

采用G AMB I T 软件对几何模型进行网格划分,其中Ele ments 选Hex,Type 选Cooper,网格主要由六面体单元构成,但是在适当的位置可以包含四面体、五面体(金字塔形或楔形)单元。

 第1期韩 韬等:单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究79

 

图4为所建立几何模型划分网格后的四个视图,划分完网格后定义各边界为墙体(wall)边界条件,计算区域定义为流体(fluid),燃料进口和氧化剂进口定义为速度入口(vel ocity inlet),定义完边界条件后导出3D 格式网格文件,网格数约62.5万。并将划分的网格导入Fluent中。

3.2 Fluen t中参数设置及边界条件

计算时参数选择:混合气体的密度变化按照不可压缩理想气体计算,混合气体的等压热容按混合定律(m ixing2la w)计算,辐射吸收系数按W SGG M模型计算。湍流方程采用一阶迎风离散格式,使用SI M P LE算法来进行数值模拟,各组分的松弛因子为0.9,压力为0.3,湍流动能和湍流消散率松弛因子均设置0.8,其它各松弛因子为1。

边界条件设置:燃料混合气体入口定义为速度入口(vel ocity inlet),根据天然气和氧气燃烧流量以及喷枪喷口的面积计算得到各入口速度,喷枪两边各个流量是对称分布的,各入口指定边界条件如表1所示。

表1 入口速度(m/s)

Tab.1 Veloc ity of i n let

Ejecti on gun1#2#3#4#5#6#

Nature gas

O26.67

1.67

14.44

3.61

15

3.75

15

3.75

10.83

2.71

10

2.5

烟气出口定义为压力出口(p ressure outlet),静压值为10Pa,回流温度为1623K。窑墙和碹顶定义为固壁(wall),壁面无滑移条件。窑墙和碹顶热边界条件为固定温度,设为1573K。玻璃液面设为固壁,设定温度为1757K。

3.3 模拟结果与分析

3.3.1 模拟结果与实测数据对比分析

在玻璃池窑的实际生产中,最重要的工艺参数就是温度,生产现场在碹顶上方布置了五只铂铑热电偶测温仪。图5为碹顶的温度模拟结果。上面的五个测温点与热电偶在生产现场的测温点一致。通过模拟温度结果与实际所测得的数据对比,从图6中可以看出,虽然在模拟过程中假设了许多条件,但是两者相差不大,

 专题论文硅酸盐通报 第29卷80

吻合较好。说明模拟结果良好,具有较高的准确性与可信性,能够在实际指导生产中得到应用。

3.3.2 气流速度场与温度场分布结果分析

图7距液面0.5m处xz截面速度分布图,从中可见,火焰从两侧的喷枪处喷出,进行燃烧,反应烧成烟气后由窑炉前边的烟气出口排出,这是火焰空间气体的主流方向,与实际窑炉中烟气流动情况相符。但在喷枪中心面由于工艺制度使然,中间两对喷枪的速度稍大,可能会造成火焰相撞,使得距玻璃液面较近处气体的流动不是很稳定,也可能对碹顶构成危险。

图8、9为典型喷枪中心速度分布图。从图8中可以看出,第四对喷枪中心有明显的火焰相撞,在距液面较近的区域产生流动的不稳定,并且一定程度上造成局部火焰向上扩展,火焰大部分都沿平行碹顶的方向发散,虽然不是直冲碹顶,但也会使得碹顶热负荷加大。在图9中第五对喷枪由于燃气流速较小这种现象并不明显。

图10~12为对应位置温度场分布的模拟结果。从图10中可以看出在喷枪中心的水平面边缘处有温度

 

 第1期韩 韬等:单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究81较低的现象,这会影响此处的火焰与玻璃液之间的辐射传热,进而造成玻璃液的流动对玻璃池窑壁面产生影响。从图11中看出第四对喷枪中心温度分布不均匀,靠近胸墙处温度较低,没有充满整个空间而是只集中在喷枪周围;由于燃气流速过大火焰出现上扬,对碹顶危害较大。而从图12中发现温度分布均匀,没有火焰上扬现象。

从上述分析中不难看出,出现这种情况的主要原因是由于中间两对喷枪中燃气的流速过大,致使火焰长度变长,从而产生火焰相撞。为此,适当做出一些调整、改进的措施,即在燃烧制度不变的情况下,对喷枪的布置方式和数量加以改变:中间两对喷枪由对排改为叉排,在玻璃池窑后部上方添加一对喷枪。针对这种改进,同样做了模拟研究。

3.3.3 改进后气流速度场与温度场分布结果分析

通过图13和15可以看出,改进后的效果是每支喷枪的流量减小,因此速度分布的稳定性要明显优于改进前。同时两侧喷枪形成的火焰长度基本相同,在窑炉两侧分布比较均匀,使得喷枪火焰作用范围内,在炉

 专题论文硅酸盐通报 第29卷82

宽和炉长方向上燃烧空间内温度分布较之前明显提高。

从图14和16看出改进后第四对喷枪中心线截面气体的流速明显减小,使得燃烧更加稳定。可以看出在窑炉碹顶区域,流动变得更稳定,烟气的流动方向偏向下方,减小了碹顶的热负荷,有利于碹顶安全。在火焰下方,气体流动也更加平稳,有利于辐射传热和玻璃液的澄清与均化。同时相对于改进之前,第四对喷枪中心面温度的分布更均匀,其中较高温度非常平均地分布于燃烧空间的下半部分,把热量集中传递给玻璃液面。在上面靠近碹顶部分温度相对较低,有利于减轻碹顶的热负荷。

4 结 论

(1)根据流体力学和传热学原理建立了一个关于富氧燃烧空间的三维数学模型。通过温度场模拟结果与所测得的数据的对比,说明模拟结果具有可信性;

(2)通过对速度场模拟结果分析看到由于中间几对喷枪的流量较大,容易造成火焰相撞;

(3)针对这一模拟结果显示的不足,本文在燃烧制度保持不变的状况下,对燃烧空间内喷枪的布置做适当的改进。经数值模拟结果显示,改进后的的结果优于改进前的情况:在速度场分布,气体整体的流动更加平稳,没有火焰相撞的状况发生;温度场的分布更均匀,温度有所提高,高温区域合理,对生产有更好的促进作用;

(4)研究结果表明,所建立的三维数学模型能够比较全面准确地反映玻璃熔窑火焰空间速度场和温度场的分布规律,同时根据现有的生产条件,适当的调整或改进玻璃池窑的燃烧工艺,能够达到节约能源和提高产量的目的。

参考文献

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煤粉燃烧过程的数值模拟

煤粉燃烧过程的数值模拟 Ryoichi Kurose 京都大学 高级研究院流体科学与工程学院机械工程与科学系 Hiroaki Wata nabe and Hisao Makino 中央研究所的电力行业能源工程研究实验室 摘要 煤炭是一种能够满足电力进一步需求的重要能源资源,而且煤炭比其他化石燃料的储量丰富得多。在燃煤发电厂,改善对环境污染物如NOx,SOx及包括未燃尽的碳粒在内的灰粒的含量的控制技术十分重要。随着计算机性能的显着提高,人们强烈希望计算流体动力学(CFD)成为一种工具,成为一种研发和设计这种合适的煤粉燃烧的燃烧炉膛和燃烧器的工具。这次审查的重点是突出我们的CFD 研究的最新进展,即煤粉在燃烧中的平均雷诺数纳维斯托克斯(RANS)的模拟和大涡模拟(LES)的最新进展,及未来的一些前景。 关键词:煤粉燃烧,数值模拟,平均雷诺数纳维斯托克斯模拟,大涡模拟 1.介绍 煤炭是一种能够满足电力进一步需求的重要能源资源,而且煤炭比其他化石燃料的储量丰富得多。在燃煤发电厂,改善对环境污染物如NOx,SOx及包括未燃尽的碳粒在内的灰粒的含量的控制技术十分重要。为了实现这些目标和要求,了解煤粉燃烧机理和先进的燃烧技术的发展十分必要。然而,由于煤粉燃烧是一个非常复杂的现象,其中最高的火焰温度超过1500C,以及某些物质难以进行测量,如一些原子团种类和一些高活性固体颗粒,因此在燃烧过程中的煤粉燃烧机 理至今没有得到很好的解释。而且由于研发过程包含许多步骤,因此,新的燃烧炉膛和燃烧器的发展需要较高的成本和较长的时间。 随着计算机性能的显著提升,煤粉燃烧领域的计算流体动力学正在被研发。在这种方法中,电脑解决了燃烧领域的控制方程式,这使它能够提供温度和化学物质种类分布的详细信息和在整个燃烧空间中煤粉颗粒的行为,而上述那些通过实验是不能得到的。此外,此种方法有助于在相对较低的成本条件下重复审查任意条件下的煤粉的流场和各种参数。因此,强烈地希望计算流体动力学(CFD)能够成为燃烧炉炉膛和燃烧器研发和设计的一种工具。

富氧燃烧技术

富氧燃烧技术在工业锅炉上的应用 一、概述 通常空气中氧的含量为20.93%、氮为78.1%及少量惰性气体等,在昆明地区空气中氧的含量约为20.8%,在燃烧过程中只占有空气总量的1/5左右的氧参与燃烧,而占空气总量约4/5的氮和其他惰性气体非但不助燃,反而将随烟气带走大量的热能。人们把含氧量大于20.93%的空气叫做富氧空气。富氧空气参与燃烧给燃烧提供了足够的氧气,使可燃物充分燃烧,减少了固体不完全燃烧的排放,减少了氮和其他惰性气体随烟气带走的热能。将具有明显的节能和环保效应。 目前富氧可以通过深冷分离法、变压吸附法及膜分离法获得。膜法富氧技术是近年发展的非常适合各种锅炉、窖炉做助燃用途的高新技术,它具有流程简单、体积小、自身能耗低、使用寿命长、投资较少等特点,被工业发达国家称之为“资源的创造性技术”。 二、膜法富氧原理 膜法富氧是利用空气中各组分透过富氧膜时的渗透速率不同,在压力差驱使下,使空气中的氧气优先通过而得到富氧空气。膜法富氧助燃系统包括空气过滤器、鼓风机、富氧膜组件、水环真空泵、真空表、调节阀、气水分离器、除湿增压电控系统、富氧预热器和喷嘴。 三、富氧燃烧分析 助燃空气中氧浓度越高,燃料燃烧越完全,但富氧浓度太高,会导致火焰温度太高而降低炉膛受热面的寿命,同时制氧投资等费用增高,综合效益反而下降,因此国内外研究均表明,助燃空气富氧浓度一般在26~30%时为最佳。 1、据测试氧含量增加4-5%,火焰温度可升高200-300℃。火焰温度的升高,促进整个炉膛温度的上升,炉堂受热物质更容易获得热量,热效率大幅提高。 2、燃料在空气中燃烧与在纯氧中的燃烧速度相差甚大,如氢气在空气中的燃烧速度最大为280cm/s,在纯氧中为1175cm/s,是在空气中的4.2倍,天然气则高达10.7倍。富氧助燃,可以使燃烧强度提高、燃烧速度加快,从而获得较好的热传导,使燃料燃烧的更完全。 3、燃料的燃点温度不是一个常数,它与燃烧状况、受热速度、富氧用量、环境温度等密切相关,如CO在空气中为609℃,在纯氧中仅388℃,所以用富氧助燃能降低燃料燃点,提高火焰强度、减小火焰尺寸、增加释放热量等。 4、用普通空气助燃,约五分之四的氮气不但不参与助燃,还要带走大量的热量。一般氧浓度每增加1%,烟气量约下降2~4.5%,从而能提

激光等离子体相互作用的数值模拟

第19卷第12期2007年12月 强激光与粒子束 HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS V01.19。No.12 Dec.。2007 文章编号:lOOl一4322(2007)12—2039一04 激光等离子体相互作用的数值模拟‘ 张海鸥1,王琨2,王桂兰2 (1.华中科技大学数字装备制造与技术国家重点实验室,武汉430074; 2.华中科技大学塑性成形模拟与模具国家重点实验室,武汉430074) 摘要:基于激光等离子体相互作用的复杂物理过程的数学模型,采用P1C方法分别研究了P极化和S极化非均匀短脉冲强激光入射均匀分布的稠密等离子体时引起的空泡、成丝等物理现象。模拟了激光脉冲在 真空中的3维传播形貌。由3维密度分布图发现:激光产生的巨大的有质动力向两侧推动粒子,形成等离子体 密度通道;当激光脉冲入射等离子体区域后,纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处。 关键词:激光等离子体;数值模拟;激光脉冲形貌;脉冲宽度 中图分类号:TN248.7;0242.1文献标识码:A 激光等离子体相互作用物理是随着激光技术、激光聚变以及激光与等离子体相互作用研究的刺激而发展起来的新兴学科[1]。由于相对论激光等离子体相互作用过程具有强的非线性,波一粒子相互作用复杂且难以测试,解析求解十分困难,因此粒子模拟成为了其重要的研究手段之一[2]。在等离子体数值模拟方面和E1dridge等人[33创立了一种在微型计算机上易于实现的粒子模拟方法,S.Mahalingam等[41采用此方法模拟了离子引擎内的放电腔内的

2042强激光与粒子柬第19卷 3结论 本文通过对激光等离子体相互作用的数值模拟,研究了P极化,S极化强激光入射稠密等离子体的典型物理过程以及脉冲变化情况。结果表明当激光脉冲入射等离子体区域后,纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处,这是激光与等离子体相互作用后进人等离子体中的激光波长会变长的物理现象以及局域振荡电子加热机制基本吻合。P极化和S极化激光分别与等离子体相互作用的电子在纵向速度峰值的出现位置相同,但s极化激光产生了成丝效应、空泡等不同现象。 参考文献: [1]YinY.Theresearchofparticle-simulationintheinteractionofultra-shortultra—intenselaserpulseswith-overdenseplasma[D].changsha:NationalUniversityofDefenseTechn0109y,2003:3—4. [2]曹莉华,常铁强,常文蔚,等.超强激光等离子体中J×口加热的2维粒子模拟[J].强激光与粒子束,1998,lo(1);80一83.(caoLH,ChangTQ,ChangWW,eta1.ParticlesimulationofJ×BheatinginplasmasproducedbyanuItrapowerfullaserpulse.Hig^PotwrLnsPr口”dP口竹站比B阳仇s,1998,10(1):80一83) [3]EldridgeOC,FejxM.One_dimensionalplasmamodelattbe珊odynamicequⅢbrium口].P五yjjf5∥R“f出,1963,5(9);1076. [4]MahalingamS,MenartJA.Computationalmodeltrackingprimaryelectrons,secondaryelectrons,andionsinthedischargechamberofanionengine[c]//413‘AIAA.2005. [5]陆全明,钟方川,徐至展,等.超短超强激光和稠密等离子体相互作用的数值研究[J].光学学报,1998,18(10):1359—1361.(LuQM,zhongFC,xuzz,eta1.Anume“calstudyofinteractionbetweenhigh—intensityultrashortlaserandoVerdenseplasma.Ac抛(功£icns抽i—c口,1998,18(10):1359—1361) [6]xuH,changww,ZhuoHB,eta1.Parallelprogrammingof2(1/2)一dimensionalP1Cunderdistribute出methodparallelenvironments[J].C^i竹P卵Jo“M“o,CDmp“缸£io月以P^ysics,2002,19(4):47—51. [7]UmedaT,OmuraY,TominagaT,eta1.Anewchargeconservationmethodindectromagneticparticle_in—cellsimulations[J].cD仇p“£PrP^,sicsCo,雄,"“柙ic口fio卵s,2003,lS6(1):73—85. [8]zepfM,CastroCM,ChambersD,eta1.Measurementsoftheholeboringvelocityfromdopplershiftedharmonicemissionfromsolidtargets[刀.P^ysP缸sm口5,1996,3(9)l3342. [9]YoungPE,F00rdME,HormmerJH,eta1.Timedependentchannelformationinala8er_producedplasma[J].P^ysRP口LP越,1995,75(6):1083. [10]马燕云,常文蔚,银燕,等.超强激光钻孔机制的粒子模拟研究[J].强激光与粒子束,2000,12(5):589—593.(MaYY,changww,YinY,eta1.Thepartidesimulationstudyofmechanismof1aserboringinoverdenseplasma.Hig^Pot‘懈rL口ser口”dP口竹ic如BPnms,2000,12(5):589—593) [11]马燕云,常文蔚,黄卫,等.激光等离相互作用的局域振荡电子加热机制口].强激光与粒子束,2005,17(1):83—87.(MaYY,ChangwW,HuangW,eta1.Localoscillatingelectronheatingmechanismduringlaserplasmainteraction.Hig^Po伽rLnsPr4打dPn仃纠PB∞ms,Z005,17(1):83—87) NumericalsimulationoflaserplasmainteractiOn ZHANGHai-oul,WANGKun2,WANGGui-lan2 (1.S£口£8K8yLn6Dr口£oryo,Digi£口ZM口,l础.厂nc£“ri行gE白“ip,ne行£口竹dT_c^行DZDgy,H“n2^o咒gLki℃世rsn3,o, SciP孢ce口挖d丁_c^卵oZogy,Ⅵ7l血口竹430074tC撬i,m; 2.S£口fPKPyLn6曰,-口toryo,Pz口5£ic.f砀门"i行gSi,n“Z口fiD,zD,SciP,2cPn咒d:nc^恕ozogy, H“口l血ongUhi口er5ifyo,SciP行ce口佗d了■c.}l咒oZogy,肌^口竹430074,(流i72n) Abstract:Amathematicalmodelwasdevelopedtoinvestigatethecomplexphysicalprocessoflaserplasmainteraction,a—doptingthePIC(particle—irl-cell)approachtostudythephenomenawhenheterogeneousultra’shortandultra?highlaserpulseprop—agatedthIDughover—denseplasma.Throughthesimulationof3Dlaserpulseappearanceinvacuum,itwasfoundthatachannelwasformedduetotheextremelylargepondemnlotiveforceassociatedwithlaserpulse.Thelengthwayselectronvelocityappearedinthepositionofthepeakelectriccurrentintensityandthewavelengthbecamelonger,whichiscoincidentwiththeIocaloscilla—tingelectmnheatingmechanismbasic矗lly. K£ywords:Laserplasmainteraction;3Dsimulation;Laserpulseappearance;Pulsewidth

富氧燃烧与普通空气燃烧区别

与用普通空气燃烧相比,富氧燃烧有以下优点: 1.高火焰温度和黑度。 辐射换热是锅炉换热主要的方式之一,按气体辐射特点,只有三原子和多原子气体具有辐射能力,原子气体几乎无辐射能力。所以在常规空气助燃的情况下,无辐射能力的氮气所占比例很高,因此烟气的黑度很低,影响了烟气对锅炉辐射换热面的传热。富氧助燃技术因氮气量减少,空气量及烟气量均显著减少,故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高,进而提高火焰辐射强度和强化辐射传热。一般富氧浓度在26%~3l%时最佳。 2.加快燃烧速度,促进燃烧安全。 燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大,如氢气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4.2倍,天然气则达到10.7倍左右。故用富氧空气助燃后,不仅使火焰变短,提高燃烧强度,加快燃烧速度,获得较好的热传导,同时由于温度提高了,将有利于燃烧反应完全。 3.降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间。 燃料的燃点温度随燃烧条件变化而变化。燃料的燃点温度不是一个常数,如CO在空气中为609℃,在纯氧中仅388℃,所以用富氧助燃能提高火焰强度、增加释放热量等。 4.减少燃烧后的烟气量,减小锅炉体积。 随着富氧空气中含氧量的增加,理论空气需要量减少,烟气量减少。采用纯氧燃烧时烟气量减少近80%,故可以采用体积更小的锅炉和辅助设备,减少工程造价。 5.减少污染物排放。 富氧燃烧烟气量减少,使燃烧废气中的污染物浓度增加,可使废气处理更有效率。同时N2减少可减少热力型NOx生成量。 6.有利于CO2的捕获。 目前CO2捕获主要有3种技术路径:燃烧前捕捉、富氧燃烧捕捉和燃烧后捕捉。燃烧前捕捉主要通过IGCC来实现,其原理是通过化学反应将煤或石油残渣等富碳燃料转化为合成气,由于将现有煤粉锅炉改建为IGCC电厂几乎不可能,因此IGCC技术仅适用于新电厂的建设。富氧燃烧捕捉:富氧燃烧技术的原理是用纯氧燃烧同体燃料,由二氧化碳循环流控制燃烧。富氧燃烧产生的烟气主要由水和二氧化碳组成,采用水分离技术在后端能比较容易地捕集到二氧化碳。富氧燃烧技术适用于新机组,也可应用于某些改造机组。燃烧后捕捉:这种技术目前相对简便,能够适应大型燃煤和燃气机组,通过捕集装置将电厂烟气中的二氧化碳有选择地去除。因此,富氧燃烧是很有前途的CO2分离方法。 但同时富氧燃烧还面临很多问题: 1. 运行方面 由于富氧燃烧,炉膛温度很高,需要采取措施(如烟气再循环)降低炉膛温度。 需要进一步了解富氧燃烧点火,火焰稳定性,耐腐蚀,传热的问题。 2. 污染物控制方面 由于燃烧环境变化,将改变污染物的形成,因此需要更多相关研究。 污染物的变化将影响现有污染物控制装置。 在CO2捕捉与封存之前需要对其他污染物进行脱除。

富氧燃烧的节能特性及其对环境的影响

基金项目:湛江市2004年重大科技攻关项目(项目编号:2004-3) 富氧燃烧的节能特性及其对环境的影响 郑晓峰,冯耀勋,贾明生 (广东海洋大学工程学院,广东湛江524088) 摘要:本文从富氧燃烧的节能特性及其对环境的影响两方面来探讨富氧燃烧。随着氧气制备技术的低成本化,采用富氧燃烧对于当前来讲可以很好地提高燃烧效率从而达到节能的效果,同时也要注意其对环境的影响。 关键词:富氧燃烧;节能;环境 中图分类号:T K16 文献标识码:B 文章编号:1004-7948(2006)07-0026-03 1引言 迄今为止,人类消费能源的80%是通过燃烧的途径得到的,而燃烧过程的排放物也是造成环境污 染的主要原因。围绕如何提高资源的利用率并在利用的同时尽可能地降低对环境造成的影响,各种高效率、低污染燃烧技术的开发非常活跃,高温空气燃烧、催化燃烧、富氧燃烧等技术已显示了其广阔的应用前景。 富氧燃烧采用比空气中氧含量高的空气来助燃,富氧的极限就是使用纯氧。富氧燃烧可以显著提高燃烧效率和火焰温度,长久以来主要是应用在玻璃熔窑和金属冶炼等需要高温操作的行业。随着膜法制氧技术、变压吸附PSA 法(Pressure Swing Adsorption )等新型制氧技术的成熟和利用,富氧成本将会不断降低,使得富氧燃烧技术的应用领域不断扩大,在燃气发电系统、工业锅炉、生物质能和废弃物能的利用等多方面都具有应用前景。2富氧燃烧节能特性 富氧燃烧具有节能特性主要是由其燃烧特点来决定的,其主要特点如下[1 ~5]: (1)火焰温度大幅度提高,以甲烷燃烧为例(见图1):30%富氧空气时的绝热火焰温度为2500K ,比通常空气燃烧提高近300K;氧浓度大于80%时的火焰温度接近3000K ,层流燃烧速度增大到近3m/s ,而普通空气的层流燃烧速度仅为0145m/s 。通过富氧助燃可以提高燃烧强度,加快燃烧速度,获得较好的热传导,同时温度提高有利于燃烧反应; (2)由于惰性成分的氮气浓度大大降低,无谓的能源消耗大幅度降低,30%~40%的富氧空气燃烧 图1 氧气质量浓度对最高温度、火焰传播速度的影响 就可以降低燃料消费20%~30%,提高了热效率;(3)烟气量大幅度减低,纯氧燃烧时的烟气体积只有普通空气燃烧的1/4,烟气中的CO 2浓度增加,有利于回收CO 2综合利用或封存,实现清洁生产;烟气中高辐射率的CO 2和水蒸气浓度增加,可促进炉内的辐射传热; (4)设备尺寸缩小,燃烧系统的设备投资成本和维护费用降低。3富氧燃烧应用现状 由上述特点可知富氧燃烧作为一项具有良好开发前景的高效节能技术具有很广阔的市场前景。目前在冶金、建材等需要高温工况的行业已有应用,低热值的生物质燃料以及固体废弃物的富氧燃烧也是最近发展的热点。 311富氧燃烧技术在金属冶炼中的应用 目前世界富氧消耗中,钢铁占50%以上[6],各个大型钢铁厂基本上采用了富氧鼓风。现代的钢、铁联合企业都自建有配套的氧气厂,富氧鼓风可以增大处理能力,降低热消耗水平,提高高炉煤气质量[7]。炼钢过程中,由于炼钢方法不一样,富氧使用情况也不同。对于转炉或平炉炼钢法,采用的是 — 62— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2006年第7期 (总第288期)

空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计措施

空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计方案 西安科宇工贸有限责任公司

目录 1任务概述及功能1 1.1使用条件1 1.2主要功能2 2主要技术指标2 3设计方案3 3.1系统组成及工作原理3 3.2结构设计方案4 3.2.1五维电控运动机构5 3.2.1.1X轴平移台和Y轴平移台5 3.2.1.2A轴旋转台7 3.2.1.3Z轴平移台和B轴旋转台9 3.2.1.4零件材料选择10 3.2.1.5关重件选型设计11 3.2.1.5.1直线导轨11 3.2.1.5.2滚珠丝杠15 3.2.1.5.3光栅尺19 3.2.2三维电控运动机构21 3.2.3底座22 3.2.4载荷安装杆23 3.3电控系统25 3.3.1控制系统原理25 3.3.2电机和驱动器27 3.3.3运动控制器29 3.3.4电控箱30 3.3.5限位保护和复位装置30 3.3.6控制软件31 3.3.6.1软件开发平台31 3.3.6.2功能设计31 3.3.6.3界面设计32 3.4精度测试方法32 3.4.1定位精度测试32 3.4.2重复定位精度测试34 3.5设计结果35 3.6关键技术35 4研制周期及进度安排36

1任务概述及功能 空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置是在空间等离子体环境地面模拟实验中,为测试载荷提供一组六维和一组三维机械运动和伺服控制的装置。任务要求该装置能够安装测试载荷按照用户指令或预先规定程序模式进行机械运动,并实时显示测试载荷的运动状态和位置信息。 该模拟实验是在地面实验舱内进行,要求整个实验过程完全实现自动控制。图11为该装置的整体使用示意图,六维电控运动机构和三维电控运动机构分别装载测试载荷相向安装在底座的两端,并可以正反向安装。通过电缆与实验舱外的控制系统连接,操作人员通过人机接口控制并获取测试载荷的运动状态和位置信息。 图 11 传动与定位装置整体使用示意图 1.1使用条件 该装置要求安装在地面实验舱内使用,实验舱的具体应用条件参数如下: ?实验舱尺寸:φ3000mm?5000mm; ?真空度:5?10-5Pa<极限),5?104Pa<工作); ?温度:-20?C~+50?C; ?等离子体环境:密度109~1012/m3,电子温度0.1~1eV,离子温度0.0 5~0.5 eV; ?磁场:0~1G;

富氧燃烧技术富氧燃烧技术与污染物排放

富氧燃烧技术富氧燃烧技术与污染物排放富氧燃烧是一种新兴的燃烧技术。富氧燃烧能够显著提高燃烧效率和火焰温度,但由于制氧成本较高的问题,在上世纪80年代经历黄金成长期之后,发展速度放缓。而后随着制氧方法的进步,尤其是富氧膜技术的进展,富氧燃烧技术近20年来逐渐推广。而且,富氧燃烧也便于在现有锅炉设备上改造实现,具有可预期的良好发展前景。 与普通的空气燃烧相比,富氧燃烧技术可以显著节约能源,其对环境的影响方面也具有不同特点。其中既有有利的一面,也有不利的一面。本文主要从较为常见的碳排放、粉尘污染、二氧化硫和氮氧化物的排放四个方面来讨论富氧燃烧对环境的影响。 1 富氧燃烧对碳排放的影响 在对CO2排放限制越发严苛的当代社会,节能减排是全社会关注的焦点。常规的燃烧方式都存在着不足之处,局部缺氧会产生不完全燃烧,火焰温度偏低也会产生不完全燃烧,浪费燃料,而作为粉尘排放的未燃烧燃料也会造成大气污染。

富氧燃烧针对缺氧区,局部增氧,可使燃料燃点降低,燃烧速度增快,燃料燃烧更 __,而火焰温度则会提高。根据维恩位移定律,辐射强度与温度的四次方成正比,可使热能的利用率大幅提升。 同时,富氧燃烧可以减少鼓风机进风量和高温烟气的排放量,可降低热能损失。空气中氧气的含量占20.94%,而不助燃的氮气占78.097%。在燃烧过程中,氮气带走了大量热量,采用富氧燃烧后可减少进风量,即减少了热能的流失,并且由于风量的下降,可以使用功率更小的风机。 假设燃料完全燃烧,空气含氧量φ=21%,理论氧气量为Vo,过量空气系数a=1.2,实际空气量为Va,则 Va=a 根据以上公式,设某工况理论氧气量为1 m3/s,可列表1。 对某煤种燃烧的分析,当助燃空气含氧率从21%升高至30%时,理论空气量减少30.0%,理论烟气量减少28.8%,损失减少16.3%。据介绍,日本将23%的富氧用于化铁炉,节能高达26.7%;美国在铸造炉上使用23%~24%的富氧,平均节能44%;国内的武汉钢厂采用富

全氧燃烧、纯氧助燃及富氧燃烧节能技术比较

全氧燃烧、纯氧助燃及富氧燃烧节能技术比较 玻璃熔窑的节能降耗一直是业内关注的重大课题,在能源危机日益加重的今天,玻璃熔窑对高品质能源的过度依赖已经制约了玻璃行业的发展。玻璃熔窑燃烧过程中,空气成分中占78%的氮气不参加燃烧反应,大量的氮气被无谓地加热,在高温下排入大气,造成大量的热量损失,氮气在高温下还与氧气反应生成NOx,NOx气体排入大气层极易形成酸雨造成环境污染。另一方面随着高科技和经济社会的发展,要求制造各种低成本、高质量的玻璃,而全氧燃烧技术正是解决节能、环保和高熔化质量这几大问题的有效手段,被誉为玻璃熔制技术的第二次革命。纯氧燃烧技术最早主要被应用于增产、延长窑炉使用寿命以及减少NOx排放,但随着制氧技术的发展以及电力成本的相对稳定,纯氧燃烧技术正在成为取代常规空气助燃的更好选择,这得益于纯氧燃烧技术在节能、环保、质量、投资等方面的优势。 氧气燃烧的应用分为整个熔化部使用纯氧燃烧的全氧燃烧技术、纯氧辅助燃烧技术以及局部增氧富氧燃烧技术等几种方式。 1、全氧燃烧技术的优点 1)玻璃熔化质量好。全氧燃烧时玻璃粘度降低,火焰稳定,无换向,燃烧气体在窑内停留时间长,窑内压力稳定,有利于玻璃的熔化、澄清,减少玻璃的气泡及条纹。 2)节能降耗。全氧燃烧时废气带走的热量和窑体散热同时下降。研究和实践表明,熔制普通钠钙硅平板玻璃熔窑可节能约30%以上。3)减少NOx排放。全氧燃烧时熔窑废气中NOx排放量从2200mg/Nm3降低到500mg/Nm3以下,粉尘排放减少约80%,SO2排放量减少30%。 4)改善了燃烧,提高了熔窑熔化能力,可使熔窑产量得以提高。玻璃熔窑采用全氧燃烧时,燃料燃烧完全,火焰温度高,配合料熔融速度加快,可提高熔化率10%以上。 5)熔窑建设费用低。全氧燃烧窑结构近似于单元窑,无金属换热器及小炉、蓄热室。窑体呈一个熔化部单体结构,占地小,建窑投资费用低。

湍流燃烧数值模拟研究

湍流燃烧及其数值模拟研究 1. 湍流燃烧 1.1 湍流燃烧基本概念 当流动雷诺数数较小时,由于流体粘性的作用,流体呈层流流态。当流动的特征雷诺数超过相应的临界值,流动从层流转捩到湍流。湍流燃烧是指湍流流动 中可燃气的燃烧,在能源、动力、航空和航天等工程领域,经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程。湍流燃烧实质是湍流,化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加,从而使化学反应速率增加。但气流脉动不会火焰面产生皱褶,只能把火焰变成波纹状。大尺度湍流对火焰内部结构没有影响,但使火焰阵面出现皱褶,增加其燃烧面积,造成火焰表现传播速度增加。当湍流强度及湍流尺度均较大时,火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。 燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀,影响气体的密度和运动速度,从而影响当地的涡旋,湍流强度和湍流结构。 1.2 湍流燃烧分类湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为:湍流非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。在湍流非预混燃烧燃料和氧化剂事先是分离的,燃料和氧化剂一边混合一边燃烧,燃烧速率主要受湍流混合过程控制,而在湍流预混燃烧中,燃料和氧化剂在进入核心燃烧区以前已经充分混合,化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反应区的传播所控制。上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形,很多情况下两种燃烧模式是并存的,称为部分预混燃烧。部分预混燃烧可出现在下列情形中叫:(1) 在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置发牛了局部熄火;(2) 当预混火焰前缘穿过非均匀的混气时;(3) 射流非预混火焰发生抬举,其根部是一。个典型的部分预混火焰。这三种部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等,它们对研究湍流燃烧过程的机理有很大意义。 在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响. 湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流,如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容. 湍流是非常复杂的,它包括湍流问题,湍流与燃烧的相互作用,流动参数与

富氧燃烧技术及工业应用实例分析-2014.2.

一.膜法富氧燃烧技术简介 富氧是应用物理或化学方法将空气中的氧气进行收集,使收集后气体中的富氧含量≥21%。 现有的富氧方式主要有: (1)增压增氧方式 增压增氧主要用在飞机上,通过增加机舱内的压力,使空气密度增加,由于空气中含氧量的比例是一定的(氧在空气中的体积比为20 95%),空气密度增加后,空气中氧的绝对质量也增加,从而达到增加氧的目的。 (2)制氧机制氧方式 制氧机制氧广泛用在各个领域,制氧机有3大类:第一是利用空气为原料,通过物理的方法,把氧气从空气里分离出来。在1个大气压下,液态氧的沸点是-183℃,而液态氮的沸点是-196℃,当控制液态空气的沸点在-183℃以下高于-196℃时,液态氮首先蒸发,留下来的是液态氧,这种方法可制得纯度很高的氧气,再用很大的压力(一般150个大气压)压入钢瓶贮存起来,供工厂、医院使用,贮存在钢瓶的氧气还可向氧气袋充氧,供个人或旅行者使用。平时我们所见的氧气瓶供氧、氧气袋供氧都是使用这种方法制出的氧气。第二种是常压(或叫低压)制氧方法,所需压缩空气的压力在1MPa以内,这是近十几年发展起来的制氧方法,也叫膜制氧方法。膜制氧方法的原理可参见文献。第三种是PSA分子筛制氧方法,PSA分子筛制氧是使用一种变压吸附制氧设备,这种设备主要由空气净化系统,PSA氧氮分离系统,氧气缓冲、检测系统等组成。

(3)化学制氧方式 化学制氧是利用含氧化合物为原料,通过与催化剂的反应,制出氧气。使用的含氧化合物必须具备两个条件:一是这种含氧化合物是较不稳定的,在加热时容易分解放出氧气;二是这种含氧化合物里含氧的百分比是比较高的,能分解放出较多的氧气。一般用氯酸钾(分子式是KClO3),它含氧的百分比达40%,在氯酸钾里加入少量黑色的二氧化锰(MnO2)粉末,氯酸钾会迅速分解,有多量的氧气放出。氯酸钾分解放出的氧气常用“排水集气法”收集,供试验、呼吸等使用。氧立得就是利用这种原理制氧的。 二.富氧燃烧 用比通常空气(含氧21%)含氧浓度高的富氧空气进行燃烧,称为富氧燃烧。它是一项高效节能的燃烧技术,在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域均有应用与用普通空气燃烧有以下优点: 1.高火焰温度和黑度 2.加快燃烧速度,促进燃烧安全。 3.降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间。 4.降低过量空气系数,减少燃烧后的烟气量。 富氧燃烧: oxygen enriched combustion 变压吸附制氧设备在富氧助燃特点: ①节能效果显著 应用于各个燃烧领域均能大幅提高燃烧热效率,如在玻璃行业中平均节油(气)为20%-40%,在工业锅炉、加热炉、炼铁断和水泥厂机立窑等应用节能量为20%-50%,显著提高热能使用效率。

湍流两相流动与燃烧的数值模拟

Tutorial: Modeling Uniform Fluidization in a Two Dimensional Fluidized Bed
Purpose
The purpose of this tutorial is to study the bubble formation and the hydrodynamics of the bed over long times. It also demonstrates how to customize a drag law for granular gas-solid ?ow. The default drag law in FLUENT6.0 is the Syamlal-O’Brien drag law. This law works for a large variety of problems, but has to be tuned properly for predicting the minimum ?uidization conditions accurately.
Prerequisites
This tutorial assumes that you are familiar with the FLUENT interface, and have a good understanding of basic setup and solution procedures. This tutorial will not cover the mechanics of using the models; instead, it will focus on the application of the models. If you have not used these models before, the FLUENT Tutorial Guide will provide you with the necessary experience.
Problem Description
The prediction of pressure drop in uniformly ?uidized bed is a problem of long standing interest in the process industry. The Eulerian models in FLUENT 6.0 provide an important modeling tool for studying dense phase particulate ?ow involving complex inter-phase momentum transfer. Despite rigorous mathematical modeling of the associated physics, the drag laws used in the model continue to be semi-empirical in nature. Therefore, it is crucial to use a drag law that correctly predicts the incipient or minimum ?uidization conditions where the bed of particles is essentially in a state of suspension as a result of the balance between interfacial drag and body forces. The default Syamlal-O’brien will be as follows: The ?uid-solid exchange coe?cient is 3αs αlρl CD 2 d 4vr,s s Res vr,s |vs ? vl |
Ksl =
2 is the terminal velocity coe?cient for the solid phase. where vr,s
c Fluent Inc. May 16, 2002
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富氧燃烧的经济性分析

富氧燃烧的经济性分析 富氧燃烧技术就是通过增加燃料中氧气的比重,进而提高燃料的燃烧效率,提高燃烧后烟气温度,降低污染物排放等的一种新型燃烧技术。在钢铁冶炼行业,采用高风温炼铁,是高炉发展史上的一大革新,提高风温的直接效果是降低焦比。热风温度每提高100 ℃可降炼铁焦比15 kg/t,高风温还可收到提高炉缸温度、稳定生铁质量、提高喷吹燃料效率、有利于间接还原、改善煤气能量利用等效果。国外研究者认为,在现代条件下,可能达到而且经济上合算的风温为1 400- 500 ℃,我国炼铁工作者也提出了将风温提高到1 350 ℃的目标。而从提高助燃空气和煤气的温度方面只能小规模地提高风温,仍然不能达到要求温度。现在,在提高风温方面有两种方法:提高煤气的发热值和提高空气的富氧程度。提高煤气的发热值就是向高炉煤气中加入一定数量的高热值燃料(如焦炉煤气、天然气),使高炉煤气富化,提高其发热值;提高空气的富氧程度就是增加燃烧空气中的氧量。二者相比,对钢铁企业而言,焦炉煤气是生产过程中的副产品,来源有保证,取用方便灵活,所以煤气富化比较容易实现,并得到了普遍应用,其经济性已在实践中得到验证。而氧气的获得需要专门建设制氧设施,制备过程需要消耗大量的电力资源,所以,富氧燃烧的实施难度相对较大,目前尚未在热风炉上得到推广应用。但焦炉煤气的氢气含量较高,是一种理想的化工原料,国内有关专家普遍认为,将焦炉煤气作为工业燃料使用是很不经济的。另外,多数钢铁企业的焦炉煤气并不富余,有些企业根本没有焦炉煤气,煤气富化的实施难度较大。在富氧燃烧的应用实施上,钢铁企业应针对炼铁需要,采用吸附制氧技术建设炼铁高炉专用制氧站,这样既可以降低富氧燃烧的成本,又能够解决使用炼钢氧气存在的供应不稳定的问题,这对炼铁高炉的稳定生产及节焦降耗将大有益处。可以肯定,随着制氧技术的发展及制氧成本的不断降低,与煤气富化相比,用富氧燃烧的方法来提高热风炉风温将具有更大的经济优越性。 在发电领域,富氧燃烧技术又称O2/CO2燃烧技术,或者空气分离/烟气再循环技术,是一种既能直接捕集高浓度CO2,又能综合控制燃煤污染物排放的新一代洁净煤发电技术。火力发电领域应用富氧燃烧技术的目的与重大意义是大规模捕集与封存CO2通常需要将富氧燃烧、CO2捕集与封存有效地整合在电站的热力系统中,以弥补其成本增加,提高发电的整体经济性。但是,富氧燃烧需要大量的氧气,因此,电站必须增设氧气制备设备,需要消耗大量能源。此外,对CO2的回收中,也需要增设压气机、外部冷源等各种设备,也会消耗大量能量,从而使电厂发电效率降低。但富氧燃烧技术依然所展现出很好的应用前景。 富氧燃烧技术由于受到制氧技术的限制,使得制氧成本比较高,对设备整体经济性运行存在影响。随着富氧燃烧技术在钢铁行业的广泛应用和制氧技术的不断进步,富氧燃烧的经济性会越来越好。

富氧燃烧技术的应用

生产技术经验 文章编号:1000-2871(2000)02-0026-04 富氧燃烧技术的应用Ξ 戴树业,韩建国,李 宏 (华北制药股份有限公司玻璃分公司,河北 石家庄050041) 摘要:介绍富氧燃烧在燃油玻璃窑炉上的应用及改进经验。 关键词:玻璃窑炉;燃油;富氧燃烧 中图分类号:T Q171.6+25.3 文献标识码:B Application of Oxyboosted Burning T echnology DAI ShuΟye,H AN JianΟguo,LI Hong 1 概述 富氧燃烧就是采用比空气中含氧量高的空气来进行助燃。两方发达国家及前苏联早在70年代就开始这项技术的研究,并在70年代末80年代初取得了良好的效果。象日本松下电气产业公司和大阪煤气公司开发的富氧装置,其所用的膜材料是聚硅氧烷与聚对羟基苯乙烯的交联共聚体,能生产含氧量为28%的富氧空气。美国通用电气公司UOP公司制造的富氧发生器可生产30%浓度的富氧空气。我国80年代中期开始此项技术的研究,中科院大连化物所自1986年起一直从事国家“七五”和“八五”科技攻关项目:卷式富氧膜、组件、装置及其应用和开发的研究,并且研制成功“LT V-PS富氧膜、<100×1000mm卷式组件及装置Ⅰ型”。 我公司现有4台马蹄焰蓄热室窑炉,面积在23~28m2之间,主要生产药用玻璃管,对玻璃的熔制质量要求较高,熔化率低,能耗高。随着市场经济竞争日趋激烈,能源价格上涨,成本不断提高。节能挖潜、降低成本对于耗能大户玻璃行业来说至关重要,而采用新技术是最佳途径。我公司1992年就开始对富氧燃烧进行调研工作,但当时富氧膜成本高,使用周期短,工艺设备不成熟,故障率高,一些厂家的使用效果不理想。以后几年我们一直在关注该技术的发展。随着时间的推移,技术的成熟,我公司于1996年上马富氧燃烧项目。 2 膜法富氧制取技术 众所周知,空气中的主要成分是氧占20.94%,氮占78.09%。而氧气、氮气在特制的高分子膜中的溶解度大小和扩散速率不同。膜法富氧就是利用空气中各组分透过高分子富氧 Ξ收稿日期:1999-09-16

富氧燃烧的特性及其发展现状

富氧燃烧的特性及其发展现状 摘要本文从火焰温度和燃烧速度改变、燃烧产物的变化和可利用热的变化方面介绍了富氧燃烧的特性,分析了富氧燃烧的节能效果,并总结了富氧燃烧的发展现状,为发展富氧燃烧技术做出一些总结和建议。 关键词富氧燃烧;燃烧产物;氧气浓度;工作原理 在普通空气助燃的燃烧过程中,普通空气的成分氧只占20.94%,氮占78.09%,在燃烧过程中不助燃的氮吸收了大量热量,从废气中排掉,造成热损失,同时在高温下生成氮氧化物,造成大气污染。富氧燃烧技术(简称OEC),即采用一种特殊的高分子膜装置,将吹入加热炉的空气的含氧浓度提高,采用这种氧含量高的空气来助燃。富氧的极限就是使用纯氧。富氧燃烧可以显著提高燃烧效率和火焰温度,使燃料燃烧迅速、完全,从而达到节约燃料、提高生产效率和保护环境的良好作用。 1 富氧燃烧的特性 1.1 火焰温度和燃烧速度改变 富氧燃烧比普通燃烧火焰温度会大大提高,这是因为空气为氧化剂时氮气作为稀释剂使烟温降低。以甲烷燃烧为例:甲烷绝热燃烧中焰温随氧气成分的变化而变化,从空气变化到含60%增氧的氧化剂时,焰温有极大提高,氧气浓度越高焰温升高越慢。30%富氧空气时的绝热火焰温度为2500 K,比通常空气燃烧提高近300 K;氧浓度大于80%时的火焰温度接近3000 K,层流燃烧速度增大到近3 m/s,而普通空气的层流燃烧速度仅为0.45 m/s。通过富氧助燃可以提高燃烧强度,加快燃烧速度,获得较好的热传导,同时温度提高有利于燃烧反应。 1.2 燃烧产物的变化 燃烧产物的实际组份由许多因素决定,包括:氧化剂组成,气体温度等。一般天然气与空气的燃烧中,约70%体积的废气是氮气,而其与氧气的燃烧中废气的体积因氮气的去除而大大减少,纯氧燃烧时的烟气体积只有普通空气燃烧的1/4,同时,烟气中的CO2浓度增加,有利于回收CO2综合利用或封存,实现清洁生产;烟气中高辐射率的CO2和水蒸气浓度增加,可促进炉内的辐射传热。炉窑中的能量损失的大项是排烟损失,排出气体体积的减小使得烟气带出热量减小,这无疑增加了炉窑热效率。 1.3 可利用热的变化 可利用热被定义为燃料总热量减去由排出气体从燃烧过程中带出的能量。空气中的氮气不参与燃烧,随废气带出很多热量。甲烷燃烧中可利用热随氧化剂中氧气浓度变化时,随着废气温度增加,可利用热减少,因为更多热量从烟囱中被

富氧燃烧技术的应用

富氧燃烧技术 一、富氧燃烧可以提高燃烧区的火焰温度。 研究表明,火焰温度随着燃烧空气中氧气比例增加而显著提高,详见图1。富氧燃烧可明显提高火焰温度,提高火焰对配合料和玻璃液的加热效果。燃烧过程是空气中的氧参与燃料氧化,并同时发出光和热的过程。热的传递一般通过辐射、传导和对流三种形式进行。这三种形式何种作用最大主要取决于:火焰类型和形状、加入空气中的含氧量及燃烧设备周围的情况等。由于热传递速率与温度的四次方成正比,所以提高燃烧温度将会大大增加热辐射。 火焰温度与氧浓度的关系图 由火焰温度与氧浓度的关系图可知:A)火焰温度随富氧空气氧浓度的提高而增高;B)随氧浓度的继续提高,火焰温度的增加幅度逐渐下降。为有效利用富氧空气,氧浓度不宜选得过高,一般按空气过剩系数m=1~1.5组织火焰时,富氧空气浓度取23~27%为宜,其中空气含氧量从21%增加到23%时,效果最明显;C)空气过剩系数不宜过大,否则,同样浓度的富氧空气助燃,火馅温度较低。通常在组织燃烧时,控制在1.05~1.1,以达到既能获得较高火焰温度又能燃烧完全的效果。 火焰温度与氧浓度的关系图所示的是理论火焰温度值,实际值要低得多。因为普通燃料燃烧后的最终产物都是二氧化碳和水,它们加热到1500℃时会分解为一氧化碳、氧和氢。也就是说,任何碳氢化合物燃料的高温火焰混合物都将出现CO2、

CO、H2、H2O、O2、CH。由于CO2和H2O高温分解反应是吸热反应,所以实际火焰温度比理论火焰温度要低得多。 (2)富氧燃烧改变了燃料与助燃气体的接触方式,降低燃料的燃点温度,可明显缩短火焰根部的黑区,增大有效传热面积。当用重油作燃料时,它先蒸发成气体,主要是氢气和一氧化碳,其燃点温度为500~600℃,当富氧空气参与助燃时,其燃烧条件得到改善,从而降低重油的燃点温度,使火焰变短,火焰强度提高,释放热量增加。尤其是玻璃熔窑燃料燃烧时,通常将燃料喷枪置于助燃空气的下方,由于不能及时混合,在火焰根部常有低温区存在,形成所谓的黑区。黑区的存在减小了火焰在熔窑内的覆盖区域,降低了传热效果。 (3)富氧燃烧可以加快燃烧速度,改善燃料的燃烧条件,使得燃烧在窑内充分完成,减少了在蓄热室内的残余燃烧,因而能充分地利用燃料。下表中示出各种燃料应用空气和氧气助燃的燃烧速度比较情况,由表可见,各种气体燃料在纯氧中的燃烧速度大大加快。由于加入氧气后提高了火焰温度,因此增加了燃烧速度。燃烧速度实际上是一种定性的说法。如乙炔是一种燃烧速度快的燃料,其火焰短而密实;天然气是一种比乙炔燃烧速度相对慢的燃料,其火焰较长,但只要燃烧完全,都可放出很大热量。因此,要使燃料达到完全燃烧,必须使燃料和空气混合均匀或充分接触。富氧空气参与助燃后,能加快燃烧速度,提高燃烧强度、使火焰变短,获得较好的热传导,同时由于提高了燃烧温度,所以有利于燃烧反应完全。另外,因为1摩尔C在不完全燃烧的情况下比完全燃烧时少释放出约70%左右的热量。排出尾气中的CO含量增加,热损失呈直线增加。CO热损失增加,单位蒸汽的热耗也近似直线增加。所以说富氧燃烧促进燃料燃烧完全,是节约热能的重要原因。 (4)富氧燃烧使燃烧所需空气量减少,废气带走的热量下降。排出废气的容积比与燃烧空气中氧浓度(%)的关系如下图所示。通常的燃烧只有占空气总量1/5的氧气参与燃烧,其余约占4/5的氮气非但不助燃,反而要带走燃烧产生的大量热量,从烟气中排出。使用富氧空气的情况下,燃料燃烧完全,自然排出废气减少,排烟热损失也相应减少从而节能。

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