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随着国内燃气锅炉NO_x排放标准的逐渐严格和多种低氮燃烧技术联合使用的技术路线的开发应用,越来越多的燃气锅炉采用了耦合烟气再循环的天然气预混燃烧器。而烟气再循环天然气预混燃烧器在应用过程中存在着燃空掺混不均匀、烟气预混气掺混不均匀和火焰不稳定的关键问题。基于原型天然气预混燃烧器,本文研究了它的燃空掺混均匀性并从结构优化的角度对其燃空掺混不均匀进行了优化。借鉴国内外低氮燃烧器的结构设计特点,本文在原型燃烧器的基础上设计出了烟气内循环结构,并对其烟气预混气掺混不均匀和火焰不稳定进行了相关结构设计优化。最后,对原型燃烧器和优化了的燃烧器进行了对比分析。根据本文要解决的三个关键问题,简化了原型燃烧器的几何模型,并对其流体域做了结构网格。为了获得精确的数值模拟结果,对需要用到的数学模型进行了分析和选择。将本文选择的数值模拟方法和前人做过的相似研究的数值模拟方法进行了比较,确保了本文的数值模拟方法是可行的。使用本文建立的完整结构网格和选择的数值模拟方法做了网格无关性验证。为了解决燃空掺混不均匀问题,本文研究了原型燃烧器在不同负荷下的掺混特性,从预混段长度、燃料喷孔孔径和角间距三个方面分别对燃空掺混特性进行了优化研究。研究结果表明,混合不均匀度随着预混段长度的增大而逐渐降低,降低速率越来越慢;混合不均匀度分别随着燃料喷孔孔径和角间距的增大先减小后增大,存在最佳值。为了解决烟气预混气掺混不均匀问题和火焰不稳定问题,本文分别对烟气内循环结构的形状和自循环率,旋流片安装角和偏心距以及稳燃碟中心通孔直径进行了优化研究。研究结果表明,圆形内循环孔的混合不均匀度相对最低;混合不均匀度随着自循环率的增大而增大;随着旋流片安装角的增大,混合不均匀度先增大后减小,中心回流有较小幅度的增强;随着旋流片偏心距的增大,混合不均匀度降低很少,中心回流略有增强;随着中心通孔直径的增大,混合不均匀度先减小后增大再减小,中心回流有较小幅度的减弱。本文对优化了的燃烧器从掺混特性、燃烧特性和排放特性三个方面进行了分析。分析结果表明优化了的燃烧器的燃料混合不均匀度降低了,火焰结构更合理了,燃烧效率更接近100%了,NO_x排放量明显降低了。