自蓄热式高温空气燃烧器的数值模拟

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蓄热体讲义

蓄热体讲义-----强大的热工知识数值模拟假设条件高温空气或煤气燃烧的蜂窝型蓄热体采用方孔蜂窝体砌筑而成。

蓄热体的操作周期由加热期和冷却期组成，如图一所示，在加热期，流过格孔的高温烟气将热量传递给蜂窝体；在冷却期，低温的空气或煤气以相反的方向流过孔格并获得热量。

在高温气体燃烧过程中，蓄热体及流体的温度周期性随时间而变化。

假设条件：各孔格内传热相同，忽略蓄热室内的辐射换热和热损失；流体的热物理性参数恒定不变；蓄热体具有各向同性热特型，其比热是一个关于温度的多项式；蓄热介质的表面积及质量分布均匀；烟气与空气或煤气的入口速度及温度在横截面上的分布均匀，且不随时间变化；不考虑空气与烟气物性的差异对蓄热体特性的影响。

蓄热体条件，壁厚0.5mm，蜂窝体单元间距3mm,蓄热体室长度为600mm，每相邻四个格孔的中心线围成一个正方形区域。

以该区域和延蓄热室长度方向的三维空间的蓄热体作为计算。

采用非均匀网格划分计算区域。

进口采用Dirichlet条件，直接设定进口速度，在一个工作周期中加热和冷却两个阶段具有相同的质量流量，但由于冷热气体的温度差异，使得它们的进口速度差别很大。

结合现场实际加热期烟气入口温度为1500K,冷却期入口温度为305K，还有相应流速和压力。

1、蜂窝体内的流体流动与换热特征计算表明，蜂窝体横截面上的气体的温度与速度具有相似分布，工况2种加热期，温度与速度在蜂窝体中心处横截面上的等值线分布图见3，它们的最大值都位于通道中心处，而靠近壁面处等温线和等速线的分布较密，通道中心处和靠近壁面处的温度相差很大，靠近壁面的流体流速很小，说明蓄热体壁面和气体间的换热强烈，狭长的格孔通道对流动和换热有较大的影响。

流体经过阻力损失最小的地方，流速越大，但换热越不强烈，反之2、换向时间对蓄热效果的影响通常用蓄热体的温度效率E和余热回收率η来评价蓄热体的换热性能：E=（ta1－ta0）／（tf0－ta0 ）η=Ga(Cp,a•ta1－Cp,a•ta0)／{Gf•tf0•Cp,f}式中，ta0，ta1分别为空气进口及出口温度，tf0为高温烟气的进口温度，Ga，Gf分别为空气及烟气的质量流量，Cp，a为空气的比热，Cp，f为烟气的比热。

基于Fluent的甲苯蓄热燃烧过程的数值模拟

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图1 Fig. 1
孔道结构示意图
Schematic diagram of channel structure
Fluent软件对甲苯在堇青石蜂窝陶瓷蓄热体中的蓄 1. 2 数学模型热燃烧过程进行了模拟，考察蜂窝陶瓷蓄热体孔道文中所涉及的控制方程如下：直径、燃烧温度、甲苯混合气体入口浓度和入口流速 ρ + ( ρu j ) = 0 连续性方程：对甲苯转化率的影响。 t x j
Abstract The Fluent software is employed to simulate the regenerative combustion process of toluene in honeycomb ceramic regenerator． The grid accuracy which is required by simulation has been determined thereafter the conversion ratio of toluene has been analyzed through investigating the effect of regenerator channel diameter，combustion temperature，inlet toluene concentration and inlet toluene velocity． The results showed that at high inlet velocity，the diameter of regenerator channel had a significant effect on toluene conversion． Meanwhile，it had been found that toluene conversion rate could also be promoted by increasing the combustion temperature ，or by decreasing the inlet toluene velocity as well as the inlet toluene concentration． When the combustion temperature was fixed at 1 050 K，the toluene conversion rate could be enhanced to 100% ，within a certain range of inlet toluene velocity （ 0. 07 0. 14 m / s） and inlet toluene concentration （ 2 000 4 000 mg / m3 ）． Key words toluene； honeycomb ceramic regenerator； regenerative combustion； Fluent； numerical simulation 蓄热式燃烧技术是 20 世纪 90 年代发展起来的在工业炉上得到广泛应用。与一种新型燃烧技术，直接热氧化相比，蓄热燃烧技术具有较高的热回收率，可以有效地降低运行成本和节约能源，具有突出的节能和环保优势，因此其在挥发性有机化合物（ volatile organic compounds，VOCs）净化领域具有良［1 ］传热好的发展前景。陶瓷蜂窝体具有蓄热量大、速度快、压降低、耐高温高压、抗腐蚀等优点，并可以实现燃烧器蓄热体一体化，因而在蓄热燃烧系统中［25 ］。蓄热式热氧化器（ regenerative 得到广泛应用 thermal oxidizer，RTO）净化 VOCs 废气的热回收率已能达到 95% 以上，在许多行业都已经有应用，如制药厂、印刷厂和涂料精加工等。汽车涂装、一般地，模拟蜂窝陶瓷体结构有多种模型：单孔道、多孔道、整个反应器，针对不同的模拟需求选择单孔道模型是模拟反应过程最不同的模型。目前，常用的模型

蓄热燃烧技术

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炉子产量提高
炉膛温度的均匀性加强了炉内传热，导致同样产量的工业炉和锅炉其炉膛尺寸可以缩小20% 以上，换句话说，同样长度的炉子产量可以提高20%以上，大大降低了设备的造价。
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3 历史发展概况
在二十世纪七十年代以前，余热都没有得到充分的利用，炉子系统的排烟损失很大。
七十年代起，采用回收烟气显热的技术（换热器），排烟温度降低，入炉气体温度提高。缺点是NOX排放增加，保温材料和控制技术没有发展的余地。
热温度非常高的情况下，NOx含量却大大减少了。
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低热值燃料得到有效利用
低热值燃料可用于钢坯加热等
t炉 f (t理 , t金，t废）
t炉 t理
→ 1
室状炉 0.65 ~ 0.7 连续炉 0.7 ~ 0.75
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极限余热回收
传统的预热技术：预热温度<600 ℃ 燃料节约 25-30%
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蓄热体材质和尺寸
蓄热体材质要求：
蓄热体尺寸要求：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
耐高温、良好传热性能、抗热震性好、强度高；
材质的透热深度、单位体积的表面积和结构强度要好；
尺寸过大，会使蓄热室体积庞大，换向时间长；尺寸过小，会使换向时间缩短得很短，电气和机械设备都不能适应，换向的损失也随之增大，还会使蓄热体在气流的作用下漂浮起来，破坏稳定状态。
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蓄热式燃烧系统的构成
燃烧器形状
蓄热体材质
尺寸换向阀
控制系统
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蓄热燃烧关键部件--蓄热体
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高温空气燃烧技术在新型倒焰窑炉中的数值模拟

收稿日期：２０１８－０１－０２作者简介：闫　申（１９８３—），硕士研究生，研究方向：热工设备、耐火材料櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄殮殮殮殮。

化工设计高温空气燃烧技术在新型倒焰窑炉中的数值模拟闫　申１，高　峰２（１．山西经济管理干部学院，山西太原　０３００２４；２．太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原　０３００２４）摘要：高温空气燃烧技术是一种新型节能技术。

针对倒焰窑能耗高的问题，提出引入高温空气燃烧技术，并利用ＦＬＵＥＮＴ软件对新型倒焰窑炉的温度场和组分场进行模拟。

通过改变燃料喷入速度，分析窑炉内部的温度场和组分场情况，从而为新型倒焰窑炉的节能设计提供一定参考。

关键词：倒焰窑；高温空气燃烧技术；数值模拟；温度变化中图分类号：ＹＦ０５５文献标识码：Ａ文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）０４－００８３－０６ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＮｅｗＤｏｗｎＤｒａｆｔＫｉｌｎｗｉｔｈＨＴＡＣＹａｎＳｈｅｎ１，ＧａｏＦｅｎｇ２（１．ＳｈａｎｘｉｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｉｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｓａｎｅｗｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｄｏｗｎｄｒａｆｔｋｉｌｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｉｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｕｓｅｓＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｇｒｏｕｐｆｉｅｌｄｏｆａｎｅｗｄｏｗｎｄｒａｆｔｋｉｌｎ．Ｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｆｕｅｌ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｔｈｅｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｎｅｗｄｏｗｎｄｒａｆｔｋｉｌｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｗｎｄｒａｆｔｋｉｌｎ；ＨＴＡＣ（ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｉｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ高温空气燃烧技术（ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｉｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ（ＨＴＡＣ））是２０世纪９０年代开发成功的一项燃料燃烧领域中的新技术。

高温空气平焰燃烧过程的数值模拟

摘要：高温空气燃烧技术是一种新型高效低污染燃烧技术，而平焰燃烧是一种以辐射传热为主的传统工业炉窑燃烧技术，将二者相结合，进行了高温空气平焰燃烧过程的数值模拟研究，采用燃料深度给人方式成功实现了传统平焰预混或半预混燃烧向非预混燃烧
的转变，并分析了高温空气燃烧技术与平焰燃烧相结合的可行性及其燃烧特性。
维普资讯
｝热能工程
工业加热第３卷２ｏ年第６》５ｏ６期
高温空气平焰燃烧过程的数值模拟
赵增武Ｌ２，苍大强２，武文斐，李义科，陈伟鹏，李保卫１
（．内蒙古科技大学１材料与冶金学院，内蒙古包头０４１；２北京科技大学１００．冶金与生态工程学院，北京１０８）００６
高温空气燃烧（ＴＣ）技术是一种高效低污染燃烧ＨＡ技术，有节约能源、减小设备尺寸、降低污染物排放、减少噪音等效果。目前，国际上所开展的研究主要集中在：（）提高工业炉和锅炉热效率；（）降低ＮＯ１２ｘ等污染物排放；（）缩小设备尺寸等三个方面，在钢铁加热领域３的节能和洁净燃烧的成果尤为显著［。平焰燃烧技术因１］火焰稳定性好、火焰温度均匀、介质加热均匀等优点，在各种工业炉窑上得到了较为普遍的应用。ＨＡＣ技术目Ｔ
关键词：高温空气燃烧；平焰；数值模拟
中图分类号：Ｔ０５Ｆ６Ｆ５；Ｔ０２
’
文章编号：１０ —６９２０）６００・４０２１３（０６０ —０５０
文献标识码：Ａ
ＮｕｅｉａｉｕａｉｎｏｌｔａｔｍｒｃｌｍｌｔｏｆＦａｍｅｗｉｈＨＴＡＣＳＦｌ

蓄热式辐射管中低NO_x燃烧过程的数值模拟

燃烧技术对Ｎ。抑制效果的影响，从而得到不Ｏ
・重庆市科委重点资助项目（ＳＣ２０Ｃ０７。ＣＴ０５Ａ６８）收稿日期）硕士；００５重庆市沙坪坝区。，４０４
研究对象为一支长２的Ｕ型辐射管，使用ｍ燃料为天然气，工作原理如图１示。冷空气先所
经辐射管一侧的蓄热体加热后，与天然气在管内进行扩散燃烧；辐射管中的热烟气加热另一侧的蓄热体后，由烟道排出。经过一定时间，用换向
阀改变辐射管中空气和烟气的流动方向，同时改变燃料通道。研究取辐射管工作段为计算模型，采用三维
数值模拟。网格采用非结构化的四面体网格，并
。
ｉｉｐｐｒ＇ｄｅｓｖｌａｅｘｅｉｎａｌ．１Ｉｆｃｆｉｅｅｔｅｈｏｏｙｏｗｎｔｓａｅ．１Ｉｍｏｌｈ｝ｅｗａａｉｔｄｅｐｒｄｍｅｔｌｙ＇ｅｅｔｆｒｎｃｎｌｇｆｏＮＯｔ — ｝ｅｏｄｔｌｅｍｓｉｎｗａｎｌｚｄｂｈｎｉｇｔｅｉｏｔｔｐｒｍｅｅｓ＇ｔｄｅｕｔｐｏｉｅｅｔｅｒｔａｉｓｏｓａａｙｅｙｃａｇｎｍｐｒａａｔｒ．１Ｉｓｕｙｒｓｌｒｖｄｄｔｏｉｌｈｎａ｝ｅｓｈｈｅｃｂｓｓｆｒｏｔｍｅｉｎｏｕｅｔｃｕ．ａｉｏｐｉｍｕｄｓｂｒｒｓｕｔｒｇｆｎｒｅＫｅｗｏｄｌｗｙｒｓｏＮＯ。ｃｍｂｓｉｎｒｄａｔ—ｔｂｔｇｎｒｔｅｃｍｕｔｒＨＴｎｍｅｉａｏｕｔａｉｎｏｕｅｗｉｌｒｅｅｉｏＩｅａｖｂｓｏＡＣｕｒｃｌ

自蓄热式高温空气燃烧技术的开发

自蓄热式高温空气燃烧技术的开发张建军１,２，邹得球１,２，肖睿１，高日新１，冯自平１（1中科院广州能源研究所，广州 510640 2中科院研究生院，北京 100039）(Tel: 020-********, Email: fengzp@)摘要分析了切换式蓄热燃烧系统的优点与不足，提出了有效补偿这些不足的可实现蓄热连续燃烧的高温空气燃烧技术。

并以此技术为基础开发出了可连续燃烧的自蓄热高温空气燃烧器。

该燃烧器依据蓄热连续燃烧的高温空气燃烧技术，采用陶瓷－金属蜂窝蓄热体作为蓄热介质，并采用了笔者正在申请专利的蓄热燃烧专用高温切换阀技术,可以实现高温烟气余热的“极限稳定回收”以及高温贫氧空气的“连续燃烧”。

关键词高温空气燃烧切换式连续式自蓄热式燃烧器Development of High temperature air combustion of self-regeneratorZhang jianjun１,２, Zou deqiu１,２, Xiaorui１, Gao rixin１, Feng zipping１(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)(Tel: 020-********, Email: fengzp@)Abstract This work is concerned with consecutive combustion in the field of high temperature air combustion on the basis of analyzing the advantages and shortcomings of alternative HTAC systems. The attention is focused on the technology of consecutive combustion which overcomes the shortcomings of alternative HTAC system. A new consecutive combustion form has been proposed here and a new self-regenerative burner invented by us has been introduced too. A new kind of regenerative honeycomb material and our patient valve are used in this new burner. It can burn continually in the HTAC mode with the low NO X result.Keywords high temperature air combustion; alternative form; consecutive form;self-regenerative burner前言伴随经济的高速发展能源的消耗量一定相应的快速增加，这必然导致能源的紧张，环境污染的加剧。

高温空气燃烧技术的研究现状

高温空气燃烧技术的研究现状李鹏辉;王新华;金雷【摘要】In view of the current widely used high temperature air combustion ,basic concepts and charac-teristics of the high temperature air combustion were introduced .Combustion characteristics ,heat storage regenerator ,NOx formation ,reversing device and switch time of research status were described ,which is laid the foundation for the later research .%介绍了目前广泛应用的高温空气燃烧技术的基本原理及其特点，阐述了该技术的燃烧特性、蓄热体、NOx生成及控制和换向装置及换向时间的研究现状，同时为后期的研究提供参考。

【期刊名称】《材料研究与应用》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】7页(P150-155,185)【关键词】燃烧技术;蓄热体;换向时间;换向装置【作者】李鹏辉;王新华;金雷【作者单位】湖南节能评价技术研究中心，湖南长沙 410075;中铁四院集团广州设计院有限公司，广东广州 510600;南华大学，湖南衡阳 421001【正文语种】中文【中图分类】TF055为实现工业炉经济稳健、持续的发展，近年来，国内外学者对高效、节能的高温空气燃烧技术进行了深入的研究并应用于实际工程中，实现了节能与环保的双重效益.本文介绍了高温空气燃烧技术的燃烧特性、蓄热体、NOx生成及控制和换向装置及换向时间的研究现状.1 高温空气燃烧技术的基本原理及特点1.1 基本原理高温空气燃烧技术又称蓄热式燃烧技术，它采用高效蓄热式燃烧系统，采用将气体燃料或助燃空气与烟气交替通过蓄热体的方式来实现“极限余热回收”和气体燃料与助燃空气的高温预热并组织燃烧.其工作原理如图1所示，运行示意图如图2所示.由图1和图2可知，当系统工作在A状态下时，燃料和来自鼓风机的热空气经换向系统分别进入通道2，然后通过蓄热室2.预热后的燃料与空气从通道2经烧嘴A 喷出并混合燃烧.燃烧产物对物料进行加热后进入通道1，右侧烧嘴B变为烟道，在蓄热室1内进行热交换将大部分热传给蓄热体后，以低于200 ℃的温度进入换向系统，经引风机排入大气.一定时间后，控制系统发出指令，换向装置动作，使空气和燃料的流动方向同时换向，此时系统工作在B状态下，燃料和空气从通道1经烧嘴B喷出并混合燃烧，这时烧嘴A作为烟道.在引风机的作用下，高温烟气进入蓄热室2内进行热交换，将大部分热传给蓄热体后低温排出，完成一个换向周期.以上过程循环往复，实现炉窑的连续运行.图1 高温空气燃烧技术的工作原理Fig.1 Principle of high temperature air combustion technology图2 高温空气燃烧技术的运行示意图Fig.2 The schematic diagram of high temperature air combustionoperation and technology1.2 特点高温空气燃烧不同于传统的燃烧，其特点是：将炉子的供热、供风、余热回收和排烟系统通过排烟通道(同时又是燃气和助燃空气通道)、蓄热室、换向系统、煤气接口、空气接口、鼓风机、引风机及其附属的管道和控制系统有机地结合起来，使炉子的热效率提高至70%以上，助燃空气的预热温度提高至1000 ℃以上，而排出的烟气温度可降低至200 ℃以下，接近烟气的露点温度.相对于传统的燃烧技术，高温空气燃烧技术的主要优势在于[1]：(1)热效率高.蓄热体耐腐蚀，可以将烟气温度降低到露点温度以下，回收水蒸气冷凝潜热，实现热量的极限回收.(2)扩大火焰燃烧区域，炉温分布均匀.由于空气温度已经高于燃料的着火温度，因此，燃烧的稳定性提高.贫氧燃烧使火焰扩展到大部分炉膛的边界，从而可使炉膛内的温度分布均匀.(3)NOx排放低.采用空气高速射流卷吸烟气回流，可在燃烧区域形成一个低氧氛围，贫氧燃烧可显著减少氧氮化合物的排放.2 高温空气燃烧技术的研究现状目前，国内外对高温空气燃烧技术的研究主要针对燃烧特性、蓄热体、NOx的生成及控制和换向装置及换向时间等方面进行.2.1 燃烧特性在日本“高性能工业炉发展计划”的支持下，其研究人员对工业炉燃烧特性进行了大量的实验，在实验过程中发现一个现象，当1350 ℃的高温空气以90 m/s的速度喷射入炉内时，燃烧火焰看不到明显的边界，形成一种无焰燃烧状态，整个炉膛的温度均匀性有了显著的提高[2].Yuan J等人[3-4]对湍流燃烧采用PDF模型，对辐射采用区域传热模型，对烟灰形成采用二步Tesner模型来综合分析燃烧的特性.计算结果揭示了空气预热温度和氧浓度对燃烧温度的影响，燃烧温度随空气预热温度的升高和氧浓度的增加而升高. Girardi G等人[5]分别采用标准k-ε模型和雷诺应力模型模拟湍流流动，用DO模型(离散坐标模型)模拟辐射，PDF模型模拟燃烧，研究了在不同温度下的高温低氧燃烧特征.计算结果表明，两种湍流模型的模拟结果基本一致.Kawai K等人[6]对低热值燃料的高温空气燃烧特性做了研究，结果表明，当空气预热到1000 ℃以上时，低热值气体可实现稳定燃烧，且炉内温度场比较均匀. Yang W H等人[7-10]对高温空气燃烧技术的研究结果表明：在一定的预热温度(800 ℃以上)下，随着氧气浓度的降低，火焰的峰值温度明显下降，温度分布更加均匀，平均温度提高，热流密度增强，传热效率大大提高；在低氧浓度的条件下，随着空气预热温度的升高，火焰的稳定性增加，峰值温度随之上升，但上升的幅度减小，温度分布更加均匀，表明在高温低氧的条件下，空气预热温度对火焰温度分布特性的影响没有氧气浓度的显著.同理，在低氧浓度下，随着燃料初始温度的升高，火焰的峰值温度逐渐增加，且平均温度分布改善明显；当氧气浓度大于10%时，氧气浓度的变化对燃烧室内的温度分布的影响不明显.Ishii等人[11]利用数值模拟手段对蓄热式燃烧中NO的生成与排放特性进行了分析，研究了热力型NO、快速型NO及NO回燃三个过程，分析了过剩空气系数及预热空气温度对NO的生成与排放特性的影响，可为蓄热式燃烧器的设计提供理论依据.高温空气燃烧技术传入我国后,我国的一些学者也对其燃烧特性进行了研究.清华大学的祁海鹰等人[12]将高温低氧燃烧与常规燃烧进行了对比，发现高温低氧燃烧全场温差仅为200 ℃左右.蒋绍坚等人[13]也对高温低氧燃烧技术的火焰特性进行了实验研究，观察了丙烷在不同空气预热温度和不同含氧浓度气氛中的火焰特性，发现助燃剂预热温度及氧气浓度是影响火焰体积的主要因素.对于普通空气而言，只提高预热温度并不能使火焰体积明显增大，只有在预热温度提高到一定温度以上的同时降低氧含量，才能得到体积较大的火焰，使得火焰的主体呈浓雾状，其边缘无稳定的形态.随着预热温度的逐渐提高，能保持稳定燃烧的最低氧浓度越小.2.2 蓄热体蓄热体作为蓄热室余热回收设备的核心材料承担着在冷热介质间传递热量的任务.目前常用的蓄热体有陶瓷小球和蜂窝陶瓷(图3).国内外目前对蓄热体的研究主要集中在尺寸、形状和材质等方面.图3 陶瓷球和蜂窝陶瓷蓄热体Fig.3 Ceramic balls and honeycomb ceramic regeneratorZarrinehkafsh等人[14]对陶瓷球蓄热室进行了实验和数值模拟研究，实验中分析了气体流速和换向周期对热效率的影响.将数值模拟与实验结果对比分析发现，模拟结果略高于实验值，主要原因是实验测量误差，但计算模型也需要进行必要的改进.Park等人[15]建立了陶瓷球和外界流体耦合传热一维模型，对陶瓷球蓄热室的非稳态传热过程进行了研究.分析了陶瓷球的填充长度、陶瓷球的直径、烟气与空气流速等参数对蓄热式换热器的热效率及阻力损失等的影响.该研究有助于为蓄热室的设计提供一种可行的计算方法.Rafid等人[16]通过数值模拟分析了蜂窝陶瓷内部和外部流体的动态温度及速度分布.模拟中采用二维计算模型，并且考虑了蓄热体内部与气流平行和垂直方向的导热，流体及蓄热体热物性随温度的变化，另外还考虑了烟气和蓄热体之间的辐射传热，结果表明，蜂窝陶瓷蓄热体有良好的蓄热性能.尚永红等人[17]通过建立陶瓷蜂窝蓄热体传热过程的数学模型，把数值计算得到的气体温度与某炼钢厂的蓄热式钢包烘烤器的实测数据作对比，分析了高温燃烧系统中蜂窝陶瓷蓄热体和气体间的热量交换，对于由温度分布不均匀及陶瓷蓄热体膨胀或收缩受限制所产生的热应力进行了计算和分析，得出了蜂窝体的应力分布情况以及结构参数对蜂窝体横截面上的热应力和传热过程的影响.贾力等人[18]用CFX软件对蜂窝陶瓷蓄热体的传热过程进行了模拟研究，分析了蓄热体与气体的轴向温度分布及其随时间的变化规律.针对蓄热式换热器的启动过程，分析了换向时间、气流温度、蓄热体总长度及材料热物性等对热饱和时间的影响.在数值模拟的基础上，通过实验分析了换向周期对蓄热式燃烧系统的影响，实验结果表明，模拟结果与实验结果相吻合.王皆滕等人[19]采用理论分析和实验相结合的方法，研究了蜂巢蓄热体的传热机理、换热特性、温度特性及热回收率等性能参数及其随几何尺寸和换向时间的变化规律，并且通过对实验结果的分析得出了最佳换向时间，总结了流动阻力的计算公式.艾元方等人[20]用基于单参数摄动的半解析数值计算法研究薄壁蓄热器的结构参数对传热性能的影响.其研究结果表明，存在最大相对温度和最佳切换时间，最大相对温度与气流通道的长度成正比.通道的内周长的变化，会导致最大相对温度的改变.最佳切换时间与间壁厚度成正比，最佳切换周期解析值和试验值基本吻合，证实了用半解析数值法进行蜂窝陶瓷蓄热器结构设计和操控优化的可行性.此外，艾元方等人[21]提出了一种蜂窝陶瓷蓄热体气固耦合周期传热的数学解析研究方法.该方法忽略沿气流流动方向的固体导热，建立了薄壁蓄热体周期传热数学模型，并对线性偏微分方程组进行了无量纲化处理，在Matlab软件上利用拉普拉斯变换法，求出蜂窝陶瓷蓄热体的气固温度连续分布函数的精确解，并获得了温度分布数值解，与纯数值计算结果进行了对比.结果表明，两者吻合较好，说明高效、经济、准确地获取蜂窝陶瓷蓄热体传热半解析数值解是可行的.针对蜂窝体和球状体这两种陶瓷蓄热体形式，欧美以球状体为多，日本以蜂窝体为多.而我国由于受燃料结构、换向系统及成本等多方面因素的影响，主要以球状体为多.表1为陶瓷球体和蜂窝陶瓷蓄热体的性能比较[22].由表1可见，陶瓷球与蜂窝陶瓷蓄热体各有特点，在实际应用中，应根据特定的工况合理选用.表1 陶瓷球与蜂窝陶瓷蓄热体的性能比较Table 1 The performance comparison of ceramic balls and honeycomb ceramic regenerator蓄热体性能蓄热体形式陶瓷球蜂窝陶瓷体比表面积小大堆积密度大小蓄热能力低高换向周期/s180～30030～60气流方向任意直通流动阻力大小温度均匀性不均匀均匀使用寿命长较短对材质要求低高积灰积渣易难价格低高除了常用的陶瓷球和蜂窝陶瓷体外，有学者对一些非常规蓄热体进行了研究.其中Choudhury等人[23]对以鹅卵石为蓄热体的蓄热式换热器进行了实验和数值模拟研究.其数学求解、模型计算结果与实验结果吻合比较好.Duprat等人[24]分别将陶瓷球、岩石和编织网划分为一定数目的区域，对每个区域建立能量守恒、质量守恒方程，并对蓄热体进行数值模拟研究，结果表明，陶瓷球蓄热体的结构紧凑但阻力大，编织网蓄热体的蓄热性能与孔隙率有关，孔隙率低时热效率高但压力损失也大，孔隙率高时与整块岩石的性能相似.从工程应用的角度分析，这些非常规蓄热体没有统一的规格和标准，难以大规模使用，因此，真正适合工业应用的蓄热体还是陶瓷球和蜂窝陶瓷.2.3 NOx的生成及控制从NOx的生成机理可看出，NOx主要有热力型和燃料型，分别简称为T-NOx和F-NOx.其中T-NOx是由空气中的N2在高温下氧化生成的，而F-NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中分解氧化而形成的.气体燃料在燃烧时主要形成的是热力型NOx，因此只要合理控制炉内的氧浓度分布和最高温度，就可有效地抑制热力型NOx的生成.Dugue J等人[25]研究了燃料与空气射流之间的相对距离对NOx排放的影响规律，认为燃料与空气射流之间的相对距离对烟气的回流、卷混和稀释程度有很大的影响，相对距离越大，稀释程度越大，NOx的排放就越少.但相对距离增大到一定程度后，NOx的排放减少的幅度会降低.Wei D等人[26]采用标准k-ε模型、混合燃烧模型、Zeldovich的热力型NOx生成机理和DO Soete快速型NOx生成机理，用离散坐标法模拟辐射，采用对数率壁面函数，对IFRF提供的实验炉进行研究，发现高温空气燃烧过程主要是受空气-燃料-已燃烧气体的混合程度的制约.为了抑制NOx的生成，国内外开发了许多低NOx燃烧器，其中以日本研制的FDI燃烧器、德国研制的FLOX燃烧器和中国神雾公司研制的自身蓄热式燃烧器为代表.2.4 换向装置及换向时间由于高温空气燃烧技术需要在一定的时间间隔内实现空气与烟气的按时切换，因此，换向阀是其关键部件之一.目前使用的换向阀主要有阀体直线运动和阀体旋转运动两种，有两位三通阀、四通阀、五通阀及其组合等.其换向动力系统主要有气动系统、电动系统、液压传动系统和电-液传动系统等.表2为几种换向阀的性能对比.表2 几种不同的换向阀性能对比Table 2 The performance of several different reversing valve性能指标换向阀种类五通阀四通阀三通阀动作时间安全性密封性控制方式成本使用寿命慢差差集中低较长较好较差较好分散较高短很好较好较好分散较高长从表2可以看出，三通阀的综合性能相对较好，在实际应用中使用较多，其结构和工作原理如图4和图5所示.换向时间影响着蓄热体的温度效率和热效率，同时对炉温波动幅度和火焰燃烧状况也有很大影响.延长换向时间，一方面会使蓄热体的蓄热量增加，蓄热体的温度相应升高，进而强化放热阶段冷空气与蓄热体的对流换热，促进余热回收率的升高；另一方面使流过蓄热体的空气总质量升高，在蓄热量一定的情况下，单位质量空气所能带走的热量必然降低，不利于维持较高的余热回收率.因此，选取合适的换向参数是非常重要的.图4 三通换向阀结构Fig.4 Tee joint reverse valve structure图5 换向装置的工作原理Fig.5 Reversing device working principle张先珍等人[27]实验研究了换向时间对蓄热式燃烧炉的炉温波动性、炉温分布均匀性，蓄热体换热效率及炉子热效率的影响，最后确定了在实验工况下的最佳换向时间为40 s，在此换向时间下，温度效率可达98.5%，炉子的热效率可达88.29%. 陶曙明等人[28]通过数值模拟和实验的方法，重点研究了换向时间对蓄热式均热炉能耗的影响.结果表明：蓄热式均热炉存在最佳换向时间，蓄热式均热炉在最佳换向时间下工作时可以显著降低能耗；换向时间影响煤气损失量，如根据均热炉的实时烟气流量和排烟温度动态调节换向时间，还可进一步降低均热炉的能耗.刘慧等人[29]分析了换向时间与余热回收效率之间的关系，建立了一个数学关系式.通过此关系式找出合理的换向时间，可获得最大余热回收效率.并验证了在某一特定的工况下，考虑预热温度和蓄热室空隙体积对换向时间的影响，将所计算的理论换向时间与小球的透热时间作比较，最终得到最佳换向时间.刘映辉等人[30]应用数值模拟对两种不同蓄热室模型进行了最佳换向时间的预估研究，得出在两种工况下的最佳换向时间分别为40 s和39 s，为工程实际应用提供了参考数据.3 结语高温空气燃烧技术应用于工业炉，大大降低了冶金企业的能耗，是一种节能、环保的技术，因而被广泛应用.但目前国内对高温空气燃烧技术的研究与国际先进水平之间还存在不小的差距，如何设计出节能、低污染、高效率且运行可靠的蓄热式燃烧炉还有待热工技术人员作进一步研究.【相关文献】[1] 彭好义，蒋绍坚，周孑民.高温空气燃烧技术的开发应用、技术优势及其展望[J].工业加热，2004，33(3)：11-15.[2] TSUJI H, GUPTA A K, HASEGAWA T, et al. 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高温空气燃烧(HTAC)关键技术概述

doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2019.05.002高温空气燃烧（HTAC）关键技术概述□同济大学机械与能源工程学院（201804）杨钧秦朝葵摘要：高温空气燃烧（HTAC）技术可在工业炉中同时提高燃烧强度并抑制NOx排放：本文简要综述了HTAC的基本原理和设备，讨论了该技术的高效与减排特性，并介绍了蓄热室设计优化与燃料适应性研究方面的新趋势：关键词：高温空气燃烧（HTAC）蓄热体优化抑制NOx机理燃料适应性随着人口增长和经济发展，能源需求量急剧增加，目前80%，的能源消费均由化石燃料的燃烧转化而来叫工业炉是众多燃烧设备中的耗能大户，其热效率的提高往往以高污染为代价。

上世纪90年代，日本的研究人员在实验中发现：高速喷射（90m/s）的燃气与由蓄热室预热到1600K的空气混合燃烧时，火焰变得不可见了，但可根据烟道中极低的氧浓度推断出燃烧反应已完成；虽然预热温度很高，但烟道内NOx 浓度却不高（低于80ppmv）,这种新的燃烧方式被命名为高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion,HTAC）叫另外也有研究人员将其称为“无焰燃烧”（Flameless Combustion）、"无焰氧化"（Flameless Oxidation,FLOX）⑴、“中度或重度低氧稀释”燃烧（Moderate&Intense Low Oxygen Dilution,MILD）141o 本文简要介绍HTAC的系统组成、原理及研究与应用动态。

1HTAC工作模式如图1所示，一个简单的HTAC系统由成对的燃城市燃气2019/05总第531期9烧器、蓄热体和换向阀以及相应的控制系统等组成。

当B燃烧器工作时，室温下的助燃空气被B燃烧器内已预热的高温蓄热体加热，喷入炉内，与燃气混合燃烧。

经炉内换热以后，由A燃烧器排出炉外，同时加热A燃烧器内的蓄热体。

经过适当时间后，通过换向阀的切换，转为A燃烧器工作、B燃烧器排烟，如此循环往复，完成蓄热、放热过程。

高温空气燃烧技术在铝矾土煅烧窑炉中的数值模拟

０３００２４；２．太原理工大学材料科学与工程
学院，山西太原，０３００２４；３．山西移动有限公司，山西太原
０３００２４）
摘要：采用计算机数值模拟的方法，研究采用高温空气燃烧技术的铝矾土煅烧窑炉内的温度分布及炉内气体甲烷、氧气、二氧化碳
（１．ＳｈａｎｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃＭａｎａｇｅｎｅｎｔ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｉａｒｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
ｉｎｔｈｅｃａｌｃｉｎｉｎｇｂａｕｘｉｔｅｋｉｌｎｗｉｔｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｉｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｉｂｒｕｔｉｏｎｏｆｋｉｌｎｇａｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍｅｔｈａｎｅ，ｏｘｙｇｅｎ，ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅ．Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙ，ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｉｄｅａ
近年以来，我国耐火材料工业迅猛发展，国。但由于我国耐火材料工业起点较低，装备水平较落后，还有相当数量的竖窑和倒焰窑。落后的窑炉存在的主要问题是能源消耗较高，且环境污染十分严重、操作环境恶劣等。竖窑的燃料消耗量为８０ｋｇ标煤／ｔ高铝矾土】，回转窑的燃料消耗量为２００— ２３０ｋｇ标ｔ高铝矾

AOD蓄热式烘烤过程热行为与NO排放的数值模拟

维普资讯
第２９卷第５期
２００８年１０月
特殊钢
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Ｏｃｏｅ２０ｔｂｒ０８・１・与ＮＯ排放的数值模拟
２ＳａｒｅｓＳｅｌＢａｃｆＢｏｔｅ．Ｓａｇａ０９０）ｔｉｓｔｅｒｎｈｏａｓｅ１ｈｎｈｉ１０ｄ２
ＡｂｔａｔＴｅｎｍｅｃｉｌｔｎｏｍｐｒｔｒｉｔｂｔｎａｄＮＯｅｓｉｎｉｍａｅｄｒｇｂｋｎｆａ２ｓｒｃｈｕｒａｓｍｕａｉｆｔｉｌｏｅｅａｕｅｄｓｒｕｉｍｉｓｏｎｆｉｏｎｕｃｕｎａｉｇｏｎ１０ｔｉＡ０ＤｕｉｂｓｎｅｅｅｅａｉｅｂｋｒｆｒＡＯＤｈｓｂｅａｒｄｏｔＡｎｈｆｃｓｏｅｅａｕｅｏｒｈａｅｉｎｔｙｕｉｇｎｗｒｇｎｒｔａｅｏｖａｅｎｃｒｉｕ．ｅｄｔｅｅｅｔｆｔｍｐｒｔｒｆｐｅｅｔｄａｒ
ＹｕｎＬｎｈａｙｎ ‘ ａｉｇ，ＺｕＭｉｏｏｇ，ＣｈｎＪｅｅｉ
（ｃｏｌｆＭａｅａｓａｄＭｅａｌｒｙ１Ｓｈｏｔｒｌｎｔｌｕｇ，ＮｏｔｅｓｍｉｅｓｔｏｉｒａｔＵｎｖｒｉｈｅｙ，Ｓｅｙｎ１０４；ｈｎａｇ１００
ＮＯｅｓｉｎａｅａａｙｅ．ＲｅｕｔｈｗｔａｉｎｒａｉｇＬｖｌｅ。ｔｅｈｇｅｔｔｍｐｒｔｒｎｆｍａｅｄｃｅｓｓｈｍｉｓｒｌｚｄｏｎｓｌｓｏｈｔｗｔｉｃｅｓｎａｕｓｈｈｉｈｓｅｅａｕｅｉｕｃｅｒａｅ。ｔｅ

空气燃烧火焰空间的数值模拟

空气燃烧火焰空间的数值模拟一、引言随着科技的不断进步，计算机技术的发展已经使得数值模拟成为了现代科学研究的重要手段之一。

在许多领域中，数值模拟已经取代了传统的实验方法，成为了一种更加精确、高效、经济的研究方式。

而在空气燃烧火焰空间的研究中，数值模拟也扮演了不可或缺的角色。

二、空气燃烧火焰空间的数值模拟空气燃烧火焰空间是一个复杂的物理系统，其中包含了许多不同的物理过程，如燃烧、传热、流动等等。

在过去，人们通常使用实验方法来研究这些物理过程，但是实验方法存在着许多问题，如成本高、时间长、难以控制等等。

因此，数值模拟成为了一种更加可行的研究方式。

在数值模拟中，人们通常使用计算机模拟的方式来模拟空气燃烧火焰空间的物理过程。

这种模拟方法可以根据物理方程和边界条件来模拟真实的物理系统，从而得到系统的各种性质和变化规律。

这种方法不仅可以减少实验成本，还可以得到更加精确的结果。

在空气燃烧火焰空间的数值模拟中，人们通常采用CFD （Computational Fluid Dynamics）方法来进行模拟。

这种方法可以将空气燃烧火焰空间看作是一个流体系统，通过求解流体动力学方程和热传导方程来模拟系统的物理过程。

这种方法可以模拟出空气燃烧火焰空间中的流动、温度、压力等各种物理量的变化规律，从而为研究者提供了更加精确的数据。

三、数值模拟在空气燃烧火焰空间研究中的应用数值模拟在空气燃烧火焰空间研究中有着广泛的应用。

其中，最为重要的应用之一是对燃烧过程的研究。

通过数值模拟，人们可以模拟出燃烧过程中的温度、压力、速度等各种参数的变化规律，从而更加深入地理解燃烧过程的机理和规律。

此外，数值模拟还可以用于研究燃料的燃烧性能。

通过模拟不同类型燃料在空气燃烧火焰空间中的燃烧过程，人们可以得到不同燃料的燃烧特性，为燃料的开发和利用提供更加精确的数据。

四、结论空气燃烧火焰空间的数值模拟是一种重要的研究手段，它可以为研究者提供更加精确的数据和更加深入的认识。

飞机发动机燃烧室温度分布的数值模拟 2

飞机发动机燃烧室温度分布的数值模拟 2飞机发动机燃烧室是飞机动力系统的重要组成部分。

燃烧室内的燃料与空气混合后，被点燃燃烧，使得燃料能够释放热能，推动涡轮机转动，驱动飞机前进。

但是，燃烧室内的高温和高压环境导致对结构和材料的稳定性提出了更高的要求。

为了提高燃烧室的效率和稳定性，需要对燃烧室温度分布进行数值模拟。

燃烧室内的温度分布影响到涡轮机的性能和寿命，而燃烧室内的温度分布受到多个因素的影响，如燃料喷射和混合、空气进口速度、燃烧速率等。

因此，精确模拟燃烧室的温度分布并不是易事。

燃烧室温度分布的数值模拟方法有很多，其中最常见的是通过计算流体力学方法（computational fluid dynamics，简称CFD）模拟，CFD 方法的基本理念是利用数值算法对流体流动进行离散化。

在CFD 方法中，通过对燃烧室的几何形状和运动状态进行建模，确定边界条件，利用流体动力学和热力学方程，计算出燃烧室内各个位置的温度分布。

当然，为了准确计算温度分布，在模拟中应精确确定多个参数，并利用实验数据验证模型。

燃烧室的温度分布可分为水平方向温度分布和垂直方向温度分布。

水平方向的温度分布受到燃料混合和燃烧的影响较大，燃热量的释放会使得温度呈现出一个明显的分布规律。

垂直方向的温度分布受到排气温度和空气流量的影响较大，在垂直方向上温度分布具有明显的梯度。

同时，燃烧室内的湍流，也是燃烧室温度分布的重要影响因素。

湍流会加剧燃烧室内气体的混合度，增强燃烧过程的强度，同时也会增加燃烧室的热负荷，使得燃热释放更加集中，从而对燃烧室和涡轮机产生不利影响。

因此，燃烧室温度分布模拟的过程中，需要综合考虑湍流对温度分布的影响。

除了模拟燃烧室的稳定性和高温环境，数值模拟还有助于指导燃烧室更好地设计优化。

在燃烧室的设计中，温度分布的对称性、局部均值、燃料和空气混合规律等特性都会影响性能。

通过精确的燃烧室温度分布模拟，工程师可以更好地指导燃烧室结构、材料和喷射系统设计，使得发动机性能更稳定。

煤粉高温富氧无油点火的数值模拟

煤粉高温富氧无油点火的数值模拟郑建祥;李时光;朱秀丽【摘要】Simulate the ignition process of oil-free pulverized-coal in high-temperature oxygen-enriched by using Fluent software. Compare the oxygen-enriched condition with air condition in the difference flow rate of high-temperature air,as well as in different flow rate of primary air,and in different temperature of high-tem-perature air when igniting the pulverized coal. The results show that the temperature of oxy-enriched condition is higher than in the condition of air. Carbon monoxide content from burner exit is higher in air condition than in oxygen-enriched condition,and it could be seen that pulverized coal could completely burned in the oxygen-enriched condition. Ignition distance of pulverized coal increase after decrease as the rate of high-temperature is increasing. High temperature of primary air could decrease the ignition distance of pulverized coal.%高温空气无油点火技术对贫油的我国来说是一种较好的弥补，而我国火力发电又以劣质煤为主，导致高温空气点火时会使煤粉着火不稳定。

航空煤油HiTAC燃烧特性的数值分析

航空煤油HiTAC燃烧特性的数值分析刘喜岳;齐东东;吴环云;王力军【摘要】采用合理的气-雾两相流流动、混合、燃烧、传热和NOx生成数学模型,对模型燃烧室内航空煤油的高温空气燃烧(HiTAC)特性进行了CFD数值模拟.数值模拟结果表明:通过合理组织燃烧,能使航空煤油实现HiTAC燃烧特性.燃烧室内温度梯度明显降低；燃烧温度场趋于均匀；有效降低污染物NOx的排放.计算结果与相同条件下的重油HiTAC燃烧试验结果有相同规律.【期刊名称】《沈阳航空航天大学学报》【年(卷),期】2012(029)001【总页数】5页(P21-25)【关键词】航空煤油;高温空气燃烧;模型燃烧室;数值模拟;燃烧特性【作者】刘喜岳;齐东东;吴环云;王力军【作者单位】沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳110136;沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳110136;沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳110136;沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TP391.7;V261.2高温空气燃烧 (High Temperature Air Combustion)简称HiTAC，又称为无焰燃烧，MILD燃烧。

是采用高温助燃空气(Tair＞1 000℃)稳燃和低氧浓度(平均氧浓度3% ～15%)均匀燃烧的新燃烧技术。

日本的FDI烧嘴，德国的FLOX烧嘴，意大利的Dilute Flame燃烧技术等，都采用高温、高速空气射流，使助燃空气与燃烧射流混合前，卷吸大量高温烟气，降低空气射流中氧气浓度，使传统燃烧过程中的火焰锋面燃烧变为空间体积燃烧。

即将燃烧过程扩展到更大的燃烧室空间，使局部燃烧趋向均匀化，避免局部高温区的出现，降低氮氧化物的生成。

Ryugo Fuse，Hideaki Kobayashi等人［1］研究了甲烷高温空气燃烧的氮氧化物生成规律，试验和数值模拟结果都揭示了助燃空气中的低氧气浓度和均匀的燃烧温度场能大量减少氮氧化物的生成量。