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现如今化石燃料仍然是人类不可或缺的自然资源,与燃煤和燃油相比,天然气燃烧能够大幅度的减少二氧化硫、粉尘以及二氧化碳的排放量,并有助于减少酸雨形成,减缓地球温室效应,从根本上改善环境质量。因此近年来天然气作为一种清洁的替代燃料被广泛的应用于工业上。天然气燃烧过程中最主要的问题就是氮氧化物的排放问题,而我国大气污染物排放标准又日益严苛。因此设计研发出一种新型的天然气低氮燃烧器对工程实际具有重要意义。本文基于以上研究需求,结合低氧弥散燃烧技术,烟气再循环技术设计了一种新型的天然气低氮涡旋燃烧器。在研究中首先进行了天然气成分的选取,计算了低位发热量与烟气组分。然后对燃烧器进行了理论计算工作,计算得到绝热燃烧温度为2073°C。在设计工作中,保证燃烧器维持在1300°C的条件下燃烧,采用了烟气再循环的方式。为准确计算循环烟气量,利用数值模拟的方法确定了燃烧器的基本参数即混合气体中氧气分压力和烟气预热温度。模拟结果表明,燃烧温度与氮氧化物生成量随着燃烧室内氧分压的降低而降低,但是在氧分压下降至13%后,变化不在明显,且一氧化碳质量分数升高。当烟气预热温度逐渐升高时,温度分布趋于均匀,氮氧化物生成量逐渐降低,但当烟气预热至300°C以上时,会使燃烧温度高于1400°C,氮氧化物生成量增加。因此将混合气体氧分压设计为13%,混合气体预热温度设计为300°C。依据基础参数计算结果对各级燃烧室直径、长径比进行了选取,并依据风量风速对各种气体进口尺寸进行了计算,绘制了燃烧器设计图纸。通过数值模拟的方法对燃烧器的结构进行了优化。优化的结构参数包括各级燃烧室之间变径角度和切向低氧分压混合气体入口位置。数值模拟计算结果表明,随着各级燃烧室的级间变径角度的减小,燃烧室中局部损失降低,旋流混合变强,燃烧温度降低。当燃烧室级间变径角度为30°时,燃烧室中心回流区明显,回流速度最大。同时燃烧室中局部高温区域最小,氮氧化物和一氧化碳生成量最少。当切向混合气体入口位置逐渐后移时,燃烧器中心回流速度降低,燃烧温度升高,局部高温区域增加,氮氧化物和一氧化碳生成量增高,燃烧反应区域向后移动,燃烧稳定性降低。因此将各级燃烧室级间变径角度设计为30°,切向混合气体进口设计在各级燃烧室头部最为合理。然后对燃烧器运行时的参数进行了数值模拟研究。包括燃烧器运行时过量空气系数的确定,预混燃料与非预混燃料比例的确定以及不同惰性气体组分下的燃烧特性。数值模拟计算结果表明,过量空气系数的增大对燃烧器的整体温度影响不大,但局部高温区域增多,在过量空气系数为1.1时,氮氧化物生成量最少。改变预混燃料与非预混燃料配比时,燃烧器中的燃烧特性发生了很大改变。当非预混燃料比例增加时,燃烧反应区域向前移动,燃烧温度降低,局部高温区域先减小后增加,当非预混燃料比预混燃料等于8比1时,氮氧化物和一氧化碳质量生成量最低。当混合气体中的CO2含量的增加时,燃烧器中压强峰值下降,燃烧反应速率降低,燃烧温度降低,火焰厚度增大,火焰核心温度降低。表明再循环烟气中CO2的加入,对氮氧化物生成的抑制作用更加明显,但是会使燃烧反应区域向后移动,燃烧不完全,导致一氧化碳生成含量的升高。