新型零碳氨燃料的燃烧特性研究进展

介绍了国内外对氨燃烧特性的最新研究成果,分析了氢气、合成气、甲烷等各种燃料掺混对氨火焰在点火延迟时间、层流火焰速度和NO_x排放特性方面的影响,阐述了近年来包含NH3组分的化学反应动力学机理模型的研究现状,并总结了现阶段的氨燃烧的工业化应用探索,为之后的相关研究提供参考．氨作为新型零碳燃料替代传统化石能源燃烧供能是可行的,未来发展纯NH3、NH3与各种气液固燃料的掺混燃烧技术及低NO_x燃烧技术,最终有望在内燃机、燃气轮机、锅炉等动力装置中大规模使用．     

氨燃烧特性及稳燃技术研究进展

针对当前氨燃烧存在着火困难、燃烧稳定性差及NO_x排放高等问题,从氨的基础燃烧特性出发,总结了现有的稳燃技术,包括氨、氢、甲烷混合燃烧,高压富氧等手段强化热质传递,以等离子为代表的外部辅助技术等．探讨了氨在不同动力设备如内燃机、燃气轮机及锅炉中的燃烧稳定性问题．未来氨燃料研究的重点应集中在稳燃技术发展、氨/氢混燃、氨/固体燃料混烧等方面：结合不同应用场景,采用不同稳燃技术,优化氨燃烧过程;氨/氢燃料掺混燃烧系统发展前景巨大,亟待研究开发;氨/固体燃料混烧试验数据较少,可开发领域众多;开发新兴辅助燃烧技术,为氨燃料应用服务．     

氨燃烧污染物特性的实验研究及动力学分析

在旋风无焰燃烧炉中研究了空气预热温度、热负荷及当量比对氨气无焰燃烧污染物生成特性的影响,通过Chemkin分析了NO_x生成的动力学原因．实验和模拟结果表明：无焰燃烧可以显著拓宽氨气的可燃极限,稳定的无焰燃烧可以在1 300 K以上实现．贫燃条件下,当量比?=0.6～0.8时NO_x排放量达峰值,H₂ 排放和氨逃逸几乎为零．热负荷升高使远贫燃极限点的炉温升至1 400 K以上,NH+O₂==NO+OH和HNO+OH==NO+H₂O这两种主要NO生成路径的反应速率明显提高,促使远贫燃工况点的NO排放量迅速增加,NO_x排放峰值向远贫燃工况偏移．在富燃条件下,NO和N2O的排放量几乎为零,H₂ 排放和氨逃逸迅速增加．在微贫燃工况下(?=0.96～0.97),最终实现了最低体积分数为5.6×10^-5的NO_x排放和3.7×10^-5的氨逃逸．     

甲烷/空气燃烧NOx排放数值模型对比

为明确不同NO_x数值模型对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性的适用性和差异性，以射流扩散火焰、旋流预混火焰、燃气轮机燃烧室为研究对象，分析了NO_x后处理模型法、解耦详细反应机理法和附加NO_x输运方程法对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性模拟的适用性和差异性。结果表明：火焰后方N₂O的生成量较少，NO₂的生成量极少，NO含量占总NO_x的95.00%以上；NO_x后处理模型法可准确模拟火焰附近的NO_x生成位置和火焰后方的NO_x生成速率，但该模型低估了火焰位置的NO_x生成量和生成速率，并且不能再现火焰锋面附近N₂O浓度先升高后下降的变化规律；附加NO_x输运方程法对火焰锋面处的NO_x生成位置、生成量和生成速率的计算精度最高，但该模型低估了火焰锋面后方的NO_x生成...     

氢燃料微预混火焰燃烧不稳定性实验研究

该文针对一种自主设计的氢燃料微预混燃烧器，开展了常压下掺氢甲烷燃料微预混火焰燃烧不稳定性实验研究。从纯甲烷到纯氢气，研究了不同氢含量下NO_x排放、动态压力、火焰结构等燃烧特性，结果表明：该预混燃烧器具有较优异的低排放燃烧性能，可适应较宽氢含量燃料并实现稳定燃烧，其中纯氢燃料在绝热火焰温度1 850 K时NO_x不高于5μmol/mol(干基，15%O₂摩尔浓度);在氢含量为10%和20%时，氢燃料微预混火焰出现振荡燃烧现象，且激发更高阶的谐波；在更高氢含量下微混火焰出现高频脉动，但幅值较低。利用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)方法对振荡工况进行分析，提取其模态的时间系数和空间分布特征，发现一阶模态都表现为与整体脉动主频相同的体积振荡，二阶模态都表现为轴向脉动，脉动频率是主频的2倍。随着氢含量进一步升高，轴向模态渐渐转变为火焰间相互作用。     

石灰石对循环流化床燃烧NOx排放影响及粒度优化研究

污染物排放标准日趋严格的背景下，如何解耦循环流化床(circulating fluidized bed, CFB)燃烧炉内石灰石高效脱硫与低NO_x排放之间的矛盾，是研究热点之一。该文利用一维两相混合CFB燃烧整体数学模型，对某550 MWe超超临界CFB锅炉燃烧和污染物排放情况进行了预测，计算值与现场实测值吻合良好。模拟结果表明，由于CaO对各含氮反应的显著催化作用，投放石灰石脱硫会直接或间接影响NO_x的生成及还原过程，导致NO_x原始排放升高。但在相同钙硫比下，采用脱硫反应活性更高的细颗粒石灰石，其表面快速包覆的惰性产物层可以降低炉内总CaO有效反应面积，进而直接影响相关催化反应总体速率，既能有效提高炉内脱硫效率，又能缓解石灰石对NO_x减排的负面作用。     

柴油机SCR尿素喷射方式研究

鉴于柴油机选择性催化还原系统尿素喷射特性与氮氧（NO_x）转化效率密切相关,本文搭建SCR系统小样试验台,NO和NH₃作为主要试验用气,研究了不同氨氮比和不同温度条件下V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂的氨存储、氨泄漏以及NO_x转化效率的影响.结果表明:氨氮比越大,氨存储量的建立时间越短,NO_x转化效率的提升就越快;氨氮比为0.22时,15 s内NO_x转化效率从0增大到4.3%;当氨氮比为0.30时,15 s内NO_x转化效率从0增大到8.7%;随着氨氮比的增大氨泄漏会提前出现;氨氮比先大后小的喷射方法有利于改善NO_x转化效率.采用氨氮比先大后小的喷射方法,进行ETC标准循环测试,NO_x比排放从8.26 g/（kW·h）减少到1.91 g/（kW·h）,NH₃泄漏均值为5×10-6,峰值为18×10-6,满足国V排放法规要求.      

纳米SiO2和CeO2对柴油/生物柴油掺混燃料燃烧与排放的影响

文章在ZS1100柴油机上对比研究柴油、B20(20%生物柴油+80%柴油)、B20Si25Ce25(B20+25 mg/kg SiO₂+25 mg/kg CeO₂)、B20Si50Ce50(B20+50 mg/kg SiO₂+50 mg/kg CeO₂)、B20Si100-Ce100(B20+100 mg/kg SiO₂+100 mg/kg CeO₂)的燃烧和排放特性。结果表明：柴油中掺混生物柴油会导致发动机缸压和放热率下降,油耗升高,热效率降低,同时CO、NO_x和碳烟排放下降,但会引起HC排放升高;纳米SiO₂和CeO₂混合添加剂能够优化B20的燃烧,提高缸压和放热率峰值,缩短滞燃期,同时使油耗降低5.9%,热效率提高4.9%;在排放方面,B20中添加纳米添加剂后能使CO、HC、碳烟排放分别降低67.7%、41.9%、66.7%;B20中添加少量的纳米混合添加剂可以使NO_x     

淬熄高度和空气分配比例对RQL燃烧室燃烧特性的影响

基于富油/淬熄/贫油(RQL)技术原理,设计一种燃气轮机低排放燃烧室.在保持燃烧室进口参数不变的前提下,研究不同淬熄结构高度及空气流量分配比例对燃烧室内流场、温度场及污染物生成特性的影响.结果表明：淬熄结构高度和空气分配比例是影响燃烧室燃烧性能的重要参数,随着淬熄结构高度的降低,燃烧室出口氮氧化物NO_x的排放量增加;随着富油区主燃孔与淬熄空气质量流量的空气分配比例降低,燃烧室出口NO_x的排放量先降低后增加,存在一个最佳的空气分配比例使NO_x排放量最低;热力型NO_x的生成量与温度高于1 900 K的区域大小和最高燃气温度存在直接关系.基于此设计的燃烧室在所研究的工况下,最低NO_x排放量可低于35 mg/m³,达到了低污染燃烧室排放标准.     

重型柴油机燃用改性柴油的排放污染物研究

在一台重型柴油机上燃用3种不同理化特性的柴油,分别为国五柴油与2种改性柴油,用来探明改性柴油对排放污染物的影响。分析了工况、空燃比及改性柴油对重型柴油机常规污染物NO_x、CO₂、THC的影响;用XAD-2吸附管采集气相多环芳香烃污染物,活性炭吸附管采集单环芳香烃污染物,DNPH吸附管采集醛酮类化合物,探讨工况、空燃比与改性柴油对非常规污染物排放影响;用石英滤膜采集颗粒物进行碳质组分分析,讨论了工况、空燃比与改性柴油对颗粒物碳质组分的影响。结果表明:相比于低转速25%负荷工况,额定转速25%负荷工况下空燃比更高,常规污染物排放更低,醛酮类化合物与芳香烃排放更高,醛酮类化合物上升约13%,有机碳与元素碳排放略微升高;相比于国五柴油,在较高空燃比工况下,低芳香烃的柴油NO_x排放上升15%左右,CO₂排放略微上升,THC排放略微降低,较低汽化潜热的柴油NO_x排放上升30%左右,CO₂排放上升13%左右,THC排放降低28%左右,较低芳香烃的柴油多环芳香烃排放下降约...     

S-CO2煤粉锅炉NOx超低排放设计与优化

为了实现超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环燃煤发电的NO_x超低排放,首先对一台1 000 MW级S-CO₂煤粉锅炉进行了热力系统分析与燃烧数值试验,以获得尾部烟道温度分布以及炉膛出口烟气特性;在此基础上,构建了NO_x超低排放设计方案,采用数值模拟与正交试验相结合的方法研究了结构参数对脱硝性能的影响规律,并对SCR脱硝系统的内部结构进行优化.结果表明,S-CO₂煤粉锅炉炉膛出口温度比传统水蒸气锅炉高,需将该锅炉的空气预热器分为2级,将SCR脱硝反应器置于2级空气预热器之间,SCR脱硝反应器前端的空气预热器吸热量为215.83 MW.催化剂上游结构对催化层入口速度偏差影响最大.优化后的脱硝系统第1层催化剂入口相对标准偏差系数为10.19%.     

生物质燃料与煤混燃时NO_x/N_2O排放的研究

为寻找一种能够有效抑制流化床中NOx和N2O排放的途径．在一个实验室规模的小型鼓泡流化床上进行了生物质燃料（木屑）与煤混燃的研究．结果表明：木屑与煤混燃可以有效地降低NOx和N2O的排放,并且还发现,对NOx和N2O的削减能力与混合比例有关．掺入木屑的比例越大,削减的程度越强,但随温度的升高．削减程度有所下降．对木屑与煤混燃能降低NOx／N2O排放的原因进行了讨论．     

基于神经网络的电站锅炉燃烧诊断方法研究

根据电站锅炉燃烧过程的特点,利用图像处理技术提取了表征火焰燃烧特性的特征量,提出了基于BP神经网络的锅炉炉膛火焰燃烧状态的模式识别方法.针对锅炉燃烧诊断实时性强的要求,设计开发了一套PC机加信号处理系统(DSP)的实时图像采集与燃烧诊断系统,在200MW锅炉上进行试验.结果表明,该系统简便实用,可实现锅炉运行过程的燃烧诊断,为电站锅炉的安全、经济运行提供可靠的依据,具有一定的工程应用前景.     

燃煤链条炉掺烧半焦NOx生成特性及配风优化数值模拟研究

针对煤炭分级分质转换过程中产生的过剩副产品热解半焦，为更加高效清洁的利用煤炭资源，本文提出在链条炉中掺烧热解半焦。使用Fluent软件对链条炉中烟煤与半焦的掺烧工况进行了数值模拟，研究了炉膛内流场、温度场和组分场的变化规律以及配风优化的影响，探讨了掺烧过程中NO_x的生成特性以及配风优化对炉内燃烧性能的影响。结果表明，提高半焦的掺混比例，炉膛中NO的体积分数升高，炉膛出口平均烟温降低。推迟配风有助于炉内形成贫氧程度更深的局部还原性区域，从而抑制NO_x原始生成，减少炉膛NO_x最终排放。层燃室燃复合燃烧时，烟煤在炉排上燃烧的同时将半焦粉末喷入炉膛，半焦比例每增加5%,炉膛出口平均温度约增加30℃;半焦粉末在炉中喉口位置喷入时，炉膛出口烟温最高。本文的研究结果能够为链条炉高效低污染掺烧利用热解半焦等低挥发分煤基固体燃料，提供一定的理论依据和科学指导。     

氨/氢燃料射流点火船用发动机燃烧特性

为突破氨在发动机中的燃烧局限性,促进氨燃料高效快速燃烧,提出了一种利用氢气射流火焰点燃氨燃料的方案。通过向主动式预燃室供给氢气,进气道内预混氨/氢燃料,实现氨在大缸径船用发动机上的稳定高效燃烧。基于数值模拟计算方法,在改进了Otomo氨/氢机理基础上,探究了进气温度、掺混氢气的质量分数和主燃室当量比对氨/氢燃料着火与燃烧特性的影响。研究结果表明,射流火焰可以在主燃烧室形成燃烧所需的热力学环境和高活性热射流。在当量比为0.4、不掺混氢气的条件下,450 K进气温度可以实现氨燃料发动机的稀薄燃烧,在掺混氢气的质量分数较低时,射流点火对火焰发展促进作用更显著;掺混氢气的质量分数提高至10.0%可以使燃烧相位提前18°,但爆震风险增加;在进气温度为320 K和掺混氢气的质量分数为2.5%条件下,主燃室在当量比最小为0.45时可正常着火,但随着更接近理论空燃比的燃烧,指示热效率略有提升,主动预燃室氢射流点火的燃烧模式在实现氨发动机高效快速燃烧方面具有良好的潜力。     

PODEn引燃天然气发动机燃烧特性研究

聚甲氧基二甲醚(PODE_n)的十六烷值和含氧量较高,是一种极具应用前景的柴油机代用燃料。为了减少低负荷工况下天然气双燃料发动机的THC和CO排放,在总循环油量不变与天然气替代率为80%的条件下,采用CONVERGE三维仿真模型,研究当量比和喷射时刻(SOI)对PODE_n引燃天然气发动机低负荷时的燃烧与排放性能的影响。结果表明：随着当量比的升高,发动机滞燃期延长,瞬时放热率峰值和发动机指示热效率均先升高后降低,当量比为0.63时,发动机指示热效率最高;当量比在一定范围内升高有利于天然气预混合气的燃烧,可有效降低HC、CO和soot的排放,延长燃烧持续期可兼顾NO_x排放;SOI为-10°CA ATDC时的缸压和放热率峰值均较高,CO和HC排放均较低。     

燃气轮机天然气掺氢燃烧及排放特性数值模拟研究

为了解掺氢对贫预混燃气轮机的性能影响,采用数值模拟的方法研究了某燃气轮机天然气掺氢比(体积分数0～30%)对其燃烧及排放特性的影响,对比了燃料体积流量恒定和热负荷恒定的情况下,掺氢对燃烧温度、NO_x、CO和CO₂排放的影响规律。结果表明,在燃料体积流量恒定的情况下：如果固定燃料当量比,掺氢会降低燃烧室热负荷,并能够降低燃气中CO和CO₂浓度,但会导致出口燃气超温和NO_x排放超标;如果固定掺氢比,随着当量比的降低,燃烧温度降低,NO_x和CO₂浓度降低,CO浓度先降低后升高,当掺氢比为30%时,推荐的燃料当量比为0.48。在热负荷恒定的情况下,如果固定燃料当量比,掺氢能够降低燃气中CO和CO₂浓度,并导致出口燃气超温和NO_x排放超标;如果固定掺氢比,随着当量比的降低,燃烧温度降低,NO_x和CO₂浓度降低,CO浓度先降低后升高,当掺氢比为30%时,推荐的燃料当量比为0.47。...     

对混燃高铝煤提高除尘效率的分析探讨

能源是影响经济发展的重要因素，煤的品种和燃烧方式是直接影响着火力发电的经济效能。本文对配煤和混燃进行了阐述。并分析了其对锅炉效率和除尘效率的影响，进一步确定了配煤混燃的重要性和必要性。     

我国NOx污染状况与环境效应及综合控制策略

分析了我国当前NO_x相关污染问题现状,包括由NO_x排放造成的臭氧、酸沉降、颗粒物等相关环境问题;讨论了我国NO_x相关环境空气质量标准存在的问题;最后针对NO_x及相关污染问题,提出了多目标综合控制和管理的建议： 执行O₃标准,建立区域光化学烟雾评价监测网络;开展城市地区空气质量模拟和控制;加强电厂和机动车尾气NO_x的控制;针对NO_x相关污染问题开展深入的科学研究。     

低负荷下天然气-二甲醚RCCI发动机燃烧和排放的仿真研究

利用发动机仿真专用软件CONVERGE,研究低负荷工况下当量比、二甲醚喷射比例以及发动机转速对天然气-二甲醚双燃料在分隔式燃烧室中反应活性控制压燃(RCCI)燃烧和排放等性能的影响。以单缸Ricardo E6/MS配备MK.V预燃室的发动机为对象建立仿真模型,通过文献中的实验结果验证了模型的有效性。仿真结果表明,当量比为0.28～0.35时,放热率曲线表现为单个主峰,当量比为0.4～0.5时,放热率曲线表现为双峰;当量比为0.45时,发动机的动力性和经济性较好,NO_x、soot、HC和CO这4类污染物的排放量总体处于较低水平;发动机指示热效率和IMEP都随着二甲醚喷射比例的降低而增加,但二甲醚喷射比例过低时又会出现失火现象,二甲醚喷射比例为15%时,发动机的动力性和经济性最好,且NO_x排放量最低,但HC的排放量较高;在低负荷工况下,转速升高会导致燃烧相位推迟以及燃烧效率降低,甚至出现失火现象,转速为800 r/min左右时,双燃料发动机的燃烧和排放性能都表现得更好。