摘 要

天然气是我国的主要能源之一。相对于天然气燃烧时的效率高、SO₂排放少等特点，其燃烧时产生的高温更易于生成 NO_X。因此天然气燃烧器的优化设计，对于天然气的清洁、高效利用具有非常重要的作用。

本文采用数值模拟的方法，以一给定90kW的陶瓷辊道窑天然气燃烧器为对象，借助FLUENT软件对其进行数值模拟。并通过对其结构的优化计算，为设计出温度均匀性好、氮氧化物生成率低的高效陶瓷辊道窑用天然气燃烧器提供技术指导。本实验通过改变空气过剩系数、燃烧器顶部与侧面的燃料分配及燃烧筒长度三个方面来优化天然气燃烧器结构。主要得到的结论如下：

1. 改变空气过剩系数对燃烧空间温度场分布影响极大。随着空气过剩系数的逐渐增大，燃烧器枪口喷射速度增大，导致燃烧火焰的长度变长，燃烧室整体温度升高，温度分布均匀性逐渐变好，NO_X的生成量先增加后减小。
2. 随着燃料分配比例的逐渐增大，燃烧室内的温度有所增加，但NO_X的生成量减小。燃烧器顶部与侧面燃料分配比例为9:1时改变燃烧筒长度时燃烧室内的温度分布较好，即陶瓷辊道窑天然气燃烧器的燃烧性能好。
3. 在确保火焰有足够长度和刚度的情况下，适当增加燃烧筒能够让燃烧室温度分布更加均匀。

关键词：空气过剩系数；燃料分配；燃烧筒

Abstract

Natural gas is one of the main energies in China. Except for its high combustion efficiency, and low SO2 emission characteristic, the higher temperature generated from burning is suited for NO_X formation. Therefore, optimal design of natural gas burners has important effect on the cleaning and efficient use of natural gas.

In this paper, Using FLUENT we carried out the numerical simulation in the ceramic roller kiln gas burner for 90kW objects.And through the optimization of the structure calculation, to design a good temperature uniformity, low NO_X generation rate of high-efficiency ceramic kiln gas burner to provide technical guidance.This experiment by changing the excess air coefficient, the top burner and lateral distribution of fuel and carbon silicon tube length three aspects to improve the structure of gas burner.The main conclusions are as follows:

（1）Change the excess air coefficient on temperature field distribution of combustion space greatly.As the excess air coefficient increases gradually, the burner muzzle jet velocity increases, the length of the flame combustion in the larger, the whole combustion chamber temperature.And with the increase of air surplus coefficient, NO_X generation first increase then decrease.

（2）As the fuel distribution ratio increases gradually, the temperature of the combustion chamber increases, but the generation of NO_X is reduced.Top burner with side when the fuel distribution ratio of 9:1 unchanged carbon silicon tube length is better when the temperature distribution in the combustion chamber, the ceramic roller kiln gas burner combustion performance is good.

（3）To ensure the flame has enough length and stiffness of cases, increase the combustion tube appropriately can make the combustion chamber temperature distribution more uniform.

Key words: excess air coefficient; Fuel distribution; Combustion tube

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 2

1.1 课题研究背景及意义 2

1.2 NO_X的产生机理 3

1.3 燃烧器及数值模拟研究方法 3

1.3.1 数值模拟研究方法及其特点 3

1.3.2 天然气燃烧器数值模拟研究现状 4

1.4研究内容 5

第2章 实验方法 6

2.1 CFD简介 6

2.2 数学模型和基本方程 6

2.2.1湍流模型 6

2.2.2 基本方程 7

2.2.3 NO_X模型 8

2.3计算模型选择 8

2.4边界条件 8

2.5本章小结 9

第3章 空气过剩系数对天然气燃烧器的影响 10

3.1本实验所用燃烧器结构和特征 10

3.2改变空气过剩系数对窑内燃烧的影响 11

3.3改变空气过剩系数对NO_X的排放的影响 14

3.4本章小结 15

第4章 燃料分配对天然气燃烧器的影响 17

4.1 改变燃料分配对窑内燃烧特性的影响 17

4.2 改变燃料分配对NO_X的排放的影响 21

4.3 本章小结 22

第5章 燃烧筒长度对天然气燃烧器的影响 24

5.1改变燃烧筒长度对燃烧室的影响 24

5.2改变燃烧筒对NO_X生成的影响 26

5.3本章小结 27

第6章 结 论 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

我国是世界上最大的陶瓷生产国、出口国和消费国，多种陶瓷的产量位居世界第一位，如建筑卫生陶瓷和日用陶瓷。统计数据显示，2007年我国建筑卫生陶瓷总产量超过40亿立方米，在全球建筑陶瓷总产量占比高达58%，出口额占国际市场份额的20%^[1]；而美术陶瓷、日用陶瓷产量分别占世界总产量的69%、35%；而到了2009年，我过建筑陶瓷的产量较之2007年翻了将近1倍，全球总产量占比高达65%左右。相关数据表明，随着陶瓷产业持续快速发展，截止到2013年年底，该年度前十个月全国瓷砖产量已达80.8亿平方米^[2]。以上数据表明，在全球陶瓷行业中，我国的地位举足轻重。

与我国在陶瓷行业所占的巨大优势相比，和绝大多数发展中国家一样，在节能减排方面与发达国家相比还有不小的差距。如仅在2010年，全国陶瓷生产年消耗标煤量就高达2300万吨，而二氧化碳的排放量更是超过5600万吨，NO_X的排放量超过20万吨，随着陶瓷行业的发展，能耗、污染物排放更是日益加剧。这对当下能源紧缺、环境污染日益严重的地球来说无疑产生较大的威胁，如此大量的非再生能源的消耗、有害气体的排放已经成为我国陶瓷行业可持续发展前景道路上一只巨大的拦路虎^[3]。

对于人类社会来说，能源是生存与发展的基础之一。20世纪以来，人口增长和经济发展大大增加了对能源的需求。步入21世纪，科技的发展更为迅猛，能源供应的短缺和环境的污染将成为人类面对的主要问题。在我国，大多数工厂中仍以煤炭做为主要燃料，因此我国虽然是煤炭大国但煤炭的消耗量更大^[4]。然而，大量的煤炭燃烧过程中产生的各种污染物，对地球的生态环境造成的威胁日益加剧^[5]。与煤炭等众多非清洁能源燃烧所产生的大量污染物相比，天然气由于燃烧所产生的CO₂、NO_X低于煤炭数倍，在世界各国、各领域的使用越来越广泛^[6]。随着社会的持续发展，人们的环境保护意识也日益增强，世界各国对清洁能源的需求增长迅速，这迫使我国急需对天然气利用技术进行改进^[7,8]。

在陶瓷工业中，窑炉是烧制陶瓷制品的重要设备。目前，由于国家的节能减排政策要求，以及对违法排污的处罚力度的加大，陶瓷窑炉燃用清洁燃料将是陶瓷工业节能减排的有效途径，也是制约陶瓷产业发展的重要因素之一。此类陶瓷窑炉使用的主要燃料为天然气，天然气燃烧器是燃烧的重要设备，因此，优化天然气燃烧器的结构是实现陶瓷窑炉氮氧化物减排的有效途径。

本课题的研究采用FLUENT软件对一陶瓷窑用的天然气燃烧器的燃烧状况进行模拟计算，改变技术参数，对其结构的优化计算，为设计出温度均匀性好、氮氧化物生成率低的高效陶瓷辊道窑用天然气燃烧器提供技术指导。

1.2 NO_X的产生机理

在天然气燃烧过程中，由于产生的其他污染物的量较少，所以如何行之有效的减少NO_X的排放是个比较突出的问题。

NO_X是氮氧化物的总称，通常包括N₂O、NO、NO₂、N₂O₄、N₂O₃、N₂O₅等，均是有害气体。比如，氮氧化物是形成酸雨的重要‘元凶’，而NO会破坏臭氧层；而N0₂是光化学学烟雾的元凶，并对金属和非金属材料也有一定的腐蚀作用；N₂0会引起温室效应等等，不一而足^[9]。

在燃气燃烧的产物中，NO_X主要为NO和N0₂两种。NO_X根据生成机理和生成途径的不同主要可分为三类^[10]：第一类是热力型氮氧化物 (T—NO_X)，它是由于空气中的氮气和氧气在燃烧高温下反应而生成；第二类是快速型氮氧化物(P—NO_X)，它是由于燃料不完全燃烧，而其中所含有的某些离子与空气中的氮发生反应而生成^[11]；第三类是燃料型氮氧化物(F—NO_X)，是由燃料本身所含有的氮元素在高温下被氧化而形成^[12]。

本次设计所考虑的氮氧化物为热力型NO_X。前苏联科学家捷尔德维奇首先提出热力型NO_X的反应机理^[13]。在高温燃烧时，特别是在温度高于1500K时，空气中的氧气和氮气发生反应会生成热力型NO_X，在温度高于1800K时，其生成量迅速增大，随着温度进一步升高，每升高100K热力型NO_X生成速度将会增大6-7倍。因此，热力型NO_X主要受到温度的影响。当然，空气的过剩量也会对热力型NO_X的生成产生影响，究其原因还是由于过量的氧气不能有足够的燃料与之进行燃烧，而通入空气必然会引入大量的氮气，当温度达到一定程度则会与N₂发生反应。因此，在工程实际中，空气过剩系数的选择一般在α=1.05----α=1.20之间。相应的，如果燃烧设备的温度制度设计不合理，导致燃烧区域内温度分布均匀性变差，如出现局部高温，热力型NOX的生成也会随之增大^[14]。

1.3 燃烧器及数值模拟研究方法

1.3.1 数值模拟研究方法及其特点

随着科学的发展，学科间的交叉渗透和综合越来越多，学科之间的界限越来越不明显。而计算机科学、数值计算学、流体力学、传热学等学科的相互融合，使得人们对陶瓷窑炉的研究也有了长足的发展，由传统的相似模拟、原型实体等方面的研究向计算机数值模拟研究方面上发展。

计算机数值模拟是以流体力学基础理论、有限元和有限容积为理论依据，通过数值计算和图像显示的方法，借助电子计算机的图像显示技术以及数值计算技术，建立数学模型，进行数值模拟计算，再通过图像显示输出，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。在对包含有窑炉流体流动和热传导等过程进行系统分析的应用中，计算机数值模拟是一种较为先进的工程研究方法。计算机数值模拟的基本思想是把连续的物理量的场分离成若干有限离散点，然后建立、求解起与这些离散点上场变量相关的代数方程组，得到的解（近似值）以一定的方式输出。