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论文针对目前热处理行业中辐射管存在热效率低、壁面温度分布不均匀、NOx排放高等问题,采用实验和CFD模拟相结合的方法,对双P型辐射管热过程及性能进行研究。首先,根据双P型辐射管热过程,开发双P型辐射管内热过程数学模型。研究辐射管热性能指标随结构和工艺参数的变化规律。结果表明,减小燃烧器喷口直径能显著增大烟气循环倍率;增大辐射管支管直径既能提高热效率又能改善壁面温度均匀性;增大扁形度可以提高热效率。基于非化学当量燃烧原理,提出双P型辐射管分阶段燃烧方法,研究三种分阶段模式下辐射管热性能特征。结果表明,分阶段燃烧使辐射管壁面温度均匀性得到改善;燃气分阶段模式在二阶段气体比例小于10%时热性能优于空气分阶段模式。其次,实验研究燃烧器喷口位置对辐射管热性能和NOx排放的影响,验证辐射管热过程数学模型的可靠性。结果表明,模型和实验数据吻合较好,辐射管热效率均大于70%;喷口位置位于三管中心交汇位置时壁面温度均匀性最好;喷口外移对壁面温度均匀性不利;在烟气回流管出口位置时NOx排放最低。之后,基于非化学当量燃烧理论和燃气分阶段燃烧模式热性能特性,将燃烧器优化为燃气二级燃烧器,对双P型辐射管燃气二级燃烧器NOx排放和壁面温度分布进行实验研究,结果表明燃气分级燃烧方式使双P型辐射管NOx排放量减少56%,壁面温度均匀性得到改善。最后,研究双P型辐射管燃气三级燃烧器NOx排放特性。增大空气预热温度、减小空气消耗系数,使热效率增大,但NOx排放升高;增大二次空气量和二次燃气量,可减小NOx排放。采用正交实验设计方法,数值研究燃气三级燃烧器NOx排放及热性能参数影响因素的显著性。研究表明,空气预热温度和二次空气配比显著影响出口 NOx浓度;增大燃气二次喷口直径,可以减少NOx排放,改善壁面温度均匀性,提高热效率。在此基础上,开发了新型燃气弥散燃烧器,并研究弥散管结构对热性能的影响。研究表明,弥散燃气管直径10mm、弥散燃气喷孔间距60mm和弥散燃气喷孔直径5mm时NOx排放量可降至最低45.6ppmv。本文研究成果为开发高效低NOx排放燃烧器提供理论指导,启示燃烧器结构的优化方向,为加速双P型辐射管的工业应用提供理论基础和技术支撑。