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火炬燃烧器的结构设计与数值模拟

火炬燃烧器的结构设计与数值模拟

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作者：张帅涛陕西科技大学

学位级别：硕士

塑料、化工和炼油等后衍生装置及石化在日常运行、开停车特别是突发事故发生时,会排放出有毒有害的火炬气,为了使装置自身及周边的正常运行生产,需要把火炬气送到火炬中进行燃烧处理。火炬燃烧器是火炬排放系统中最关键的设备,其性能好... 详细信息

塑料、化工和炼油等后衍生装置及石化在日常运行、开停车特别是突发事故发生时,会排放出有毒有害的火炬气,为了使装置自身及周边的正常运行生产,需要把火炬气送到火炬中进行燃烧处理。火炬燃烧器是火炬排放系统中最关键的设备,其性能好坏直接影响到火炬排放系统的性能和是否能达到环保要求。现将本文对火炬燃烧器的研究介绍如下:1)本文首先介绍了燃烧器目前存在的问题、燃烧器的国内外的研究进展,然后按燃烧器的分类方法的不同分别介绍了燃气燃烧器的分类,最后介绍了各类燃烧器的特点。2)先由火炬燃烧器的完全燃烧、火焰稳定性好、安全和对环境无污染的要求提出火炬燃烧器的设计要求。再由火炬燃烧器的设计要求提出燃烧器设计拟采用的方案。最后通过查阅相关资料,设计出火炬燃烧器预混室的初始尺寸是:预混室的直径为218mm,预混室的长度为400mm;燃气喷管的初始尺寸是:燃气喷管的直径为59mm,燃气喷管的长度为200mm;水蒸汽喷管则为:用围绕预混室轴线均匀分布的10根直径较小的水蒸汽喷管代替单根中央水蒸汽喷管,其中每个较小的水蒸汽喷管直径为10毫米,每个较小的水蒸汽喷管的水蒸汽质量流量为0.01175kg/s。3)由于火炬燃烧器的初始尺寸只是一些经验值,可能存在误差,所以需要进行FLUENT模拟。文中先确定物理模型、湍流模型为K-ω模型、组分输运和化学反应模型为通用有限速度模型;然后进行网格划分和边界类型设定,再进行FLUENT计算设置;最后通过FLUENT模拟得出模拟结果为:(1)确定燃气喷管和预混室的合格尺寸,燃气喷管尺寸取直径d=59mm、长 1=200mm,预混室尺寸取直径 D=218mm、长 L=400mm;(2)燃气喷管伸入预混室20mm时,火炬气与空气在预混室的混合效果最好,燃烧器工作性能也最好;(3)蒸汽喷管轴线与预混室轴线的距离为f=80mm。4)先将火炬燃烧器、现有燃烧器1、现有燃烧器2和现有燃烧器3的结构进行对比,分析火炬燃烧器、现有燃烧器1、现有燃烧器2和现有燃烧器3的结构的不同;然后将火炬燃烧器、现有燃烧器1、现有燃烧器2和现有燃烧器3的速度云图、温度云图和丙烯质量分数云图分别进行对比,分析出四种燃烧器的各类云图的相同点和不同点,并对各类云图产生不同点的原因进行分析;最后通过对四种燃烧器进行分析,发现火炬燃烧器在燃烧火炬气时产生的NOx量最少,且能有效消除火炬气燃烧时产生的冒黑烟现象。5)将火炬燃烧器在不同火炬气喷管入口压力下的速度云图、温度云图和丙烯质量分数云图分别进行对比,得出各类云图的相同点和不同点,并对各类云图产生的相同点和不同点的原因进行分析。研究表明,新设计的火炬燃烧器在燃烧火炬气时产生的NOx量少,并且能有效消除火炬气燃烧时产生的冒黑烟现象,对环境污染小,达到了环境保护的要求。而且随着火炬燃烧器的火炬气喷管入口压力的逐渐增大,火炬燃烧器的预混室出口混合气体的速度逐渐增大;火炬燃烧器燃烧火炬气时产生的最高温度增大,火炬燃烧器温度云图中最高温度区域也增大;丙烯质量分数沿中心轴线的分布逐渐变长。本文研究结果为火炬燃烧器设计提供了一定的理论依据。

关键词：火炬燃烧器数值模拟模拟云图结构设计

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