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D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.12.022 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 夏德宏薛根山尚迎春 北京科技大学机械工程学院热能工程系，北京100083 摘要在分析了工业中几种低氧燃烧方式的基础上，将收缩一扩张结构用于燃烧器空气通道，开发出了烟气自循环式低氧 燃烧器，同时借助FLUENT软件对燃烧器进行了大量数值模拟研究·结果表明：喉部的负压是烟气卷吸的驱动力，烟气卷吸 量随喉部面积的缩小而急剧增多：随着烟气卷吸量的增多，炉膛中氧含量越来越低，火焰高温区向燃烧器偏移，火焰逐渐变 短.最后，将烟气自循环式低氧燃烧器用于熔化保温炉进行了实践，取得了预期的效果 关键词低氧燃烧：燃烧器：烟气卷吸：数值模拟 分类号TF066.1:TP391.9 Numerical simulation of a low oxygen burner with self-circulation of flue gas XIA De-hong.XUE Gen-shan,SHA NG Ying"chun Department of Thermal Engineering.School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the analysis of some kinds of low oxygen combustion.a low oxygen burner with self-circulation of flue gas was developed with contracted/dilated air channels.The Fluent software was used for numerical simulation of the burner.The results show that the negative pressure at the throat is the driving force of fume entrainment,and the volume of fume entrainment increases dramatically with the decrease of throat area.Because of the increase of fume entrainment,the oxygen concentration in the furnace decreases,the high-temperature zone of the flame moves to the burner,and the length of the flame also becomes short.At last,the low oxygen burner with self-circulation of flue gas was applied to a melting holding furnace.and the anticipated effect was achieved. KEY WORDS low oxygen combustion:burner:gas entrainment:numerical simulation 低氧燃烧是高温空气燃烧技术的核心内容之 往只是和射流边界上的部分空气进行混合，实际大 一，具有火焰体积成倍扩大、火焰温度场分布均匀、 部分燃烧区域氧浓度依然很高，并不能很好地实现 低NO.排放等显著优点[四.由燃烧理论可知，当采 低氧燃烧，④烟气再循环，即利用炉外排烟来稀 用较高温度的助燃空气时，稳定燃烧所需的氧浓度 释空气中氧浓度，由于风机不能承受高温，导致 较低)，因此实现低氧燃烧的前提是必须先将助燃 蓄热体用量增多和管路复杂，只适合在小型炉窑上 空气预热到较高的温度， 利用，为了能更好地实现低氧燃烧技术，最好能开 工业中为实现低氧燃烧，常用的措施有：①低 发出可以自身组织炉膛中烟气循环来冲淡空气中氧 空气过剩系数，燃烧区域的氧浓度依旧很高，而且潜 含量的燃烧器 力有限[，②二次供风，避免了高温区集中，NOx 的排放浓度显著降低可]，但整个炉膛中氧浓度和 1烟气自循环式低氧燃烧器的开发 常规燃烧差不多，并且这种燃烧器体积庞大，成本较 为了克服以上一些低氧燃烧技术的缺点，本文 高，③高速射流采用高速烧嘴，使炉内大量燃烧产 考虑采用烧嘴砖来组织炉内烟气的回流，使助燃空 物回流，稀释燃烧区的氧浓度，在保证高的喷出速 气在烧嘴砖中就和烟气充分混合，为此提出将收 度时极难兼顾烟气的顺利排出，而且卷吸的烟气往 缩扩张结构用于燃烧器的空气通道，开发出了烟 收稿日期：2009-02-25 作者简介：夏德宏(I963-）,男，教授，Emal:xia@me.ustb-edu-cn烟气自循环式低氧燃烧器燃烧过程的数值模拟 夏德宏 薛根山 尚迎春 北京科技大学机械工程学院热能工程系北京100083 摘 要 在分析了工业中几种低氧燃烧方式的基础上将收缩－扩张结构用于燃烧器空气通道开发出了烟气自循环式低氧 燃烧器同时借助 FLUENT 软件对燃烧器进行了大量数值模拟研究．结果表明：喉部的负压是烟气卷吸的驱动力烟气卷吸 量随喉部面积的缩小而急剧增多；随着烟气卷吸量的增多炉膛中氧含量越来越低火焰高温区向燃烧器偏移火焰逐渐变 短．最后将烟气自循环式低氧燃烧器用于熔化保温炉进行了实践取得了预期的效果． 关键词 低氧燃烧；燃烧器；烟气卷吸；数值模拟 分类号 TF066∙1；TP391∙9 Numerical simulation of a low oxygen burner with self-circulation of flue gas XIA De-hongXUE Gen-shanSHA NG Y ing-chun Department of Thermal EngineeringSchool of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Based on the analysis of some kinds of low oxygen combustiona low oxygen burner with self-circulation of flue gas was developed with contracted／dilated air channels．T he Fluent software was used for numerical simulation of the burner．T he results show that the negative pressure at the throat is the driving force of fume entrainmentand the volume of fume entrainment increases dramatically with the decrease of throat area．Because of the increase of fume entrainmentthe oxygen concentration in the furnace decreasesthe high-temperature zone of the flame moves to the burnerand the length of the flame also becomes short．At lastthe low oxygen burner with self-circulation of flue gas was applied to a melting holding furnaceand the anticipated effect was achieved． KEY WORDS low oxygen combustion；burner；gas entrainment；numerical simulation 收稿日期：2009-02-25 作者简介：夏德宏（1963－） 男教授E-mail：xia＠me．ustb．edu．cn 低氧燃烧是高温空气燃烧技术的核心内容之 一具有火焰体积成倍扩大、火焰温度场分布均匀、 低 NOx 排放等显著优点［1］．由燃烧理论可知当采 用较高温度的助燃空气时稳定燃烧所需的氧浓度 较低［2］因此实现低氧燃烧的前提是必须先将助燃 空气预热到较高的温度． 工业中为实现低氧燃烧常用的措施有：① 低 空气过剩系数燃烧区域的氧浓度依旧很高而且潜 力有限［3］．② 二次供风避免了高温区集中NOx 的排放浓度显著降低［4－5］但整个炉膛中氧浓度和 常规燃烧差不多并且这种燃烧器体积庞大成本较 高．③ 高速射流采用高速烧嘴使炉内大量燃烧产 物回流稀释燃烧区的氧浓度．在保证高的喷出速 度时极难兼顾烟气的顺利排出而且卷吸的烟气往 往只是和射流边界上的部分空气进行混合实际大 部分燃烧区域氧浓度依然很高并不能很好地实现 低氧燃烧［6］．④ 烟气再循环即利用炉外排烟来稀 释空气中氧浓度［7］由于风机不能承受高温导致 蓄热体用量增多和管路复杂只适合在小型炉窑上 利用．为了能更好地实现低氧燃烧技术最好能开 发出可以自身组织炉膛中烟气循环来冲淡空气中氧 含量的燃烧器． 1 烟气自循环式低氧燃烧器的开发 为了克服以上一些低氧燃烧技术的缺点本文 考虑采用烧嘴砖来组织炉内烟气的回流使助燃空 气在烧嘴砖中就和烟气充分混合为此提出将收 缩－扩张结构用于燃烧器的空气通道开发出了烟 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．022