多孔陶瓷材料中的预混火焰

本文实验研究了在一种专门设计的具有多孔惰性介质燃烧器中预混火焰的燃烧特性.初步结果已经表明,在多孔介质中,热辐射对其火焰结构和燃烧速度有较大影响.燃烧速率比无惰性介质时提高了若干倍,最大火焰温度比普通的绝热预混火焰温度也高许多,火焰稳定性亦明显增强.     

空气槽对微型Swiss-Roll燃烧器工作特性的影响

为了解空气槽对平板微型Swiss-roll燃烧器工作特性的影响,采用甲烷-空气预混气,在带有空气槽和没有空气槽的平板Swiss-roll燃烧器中进行燃烧实验,得到了不同甲烷流量时两种燃烧器的熄火极限和壁面温度.结果表明:甲烷-空气预混火焰能够稳定在两种燃烧器的中心;空气槽的存在有助于扩展微燃烧器的可燃极限,使燃烧器在更大的空气过量系数和更小的甲烷流量下工作;有空气槽的燃烧器中心壁面与边缘壁面存在较大的温度梯度,而没有空气槽的燃烧器外壁温度相差不大,更适合作为平面热源.     

甲烷在具有隔热通道的微燃烧器中的燃烧特性

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,用平板Swiss-roll燃烧器进行CH4/空气预混气的燃烧实验,获得了不同甲烷流量时燃烧器的熄火极限,分析了燃烧产物成分.结果表明:该燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心;当存在回热时,未燃气体被加热,燃烧器的可燃极限范围增大,但上下极限并不对称,富燃极限比较小,而富氧极限比较大,预混气体能够在较大的空气流量下稳定燃烧;燃烧器最高的壁面温度在理论当量比附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降;空气过量时甲烷可实现较完全燃烧,空气不足时过剩的甲烷转化为H2和CO,减小了燃烧放热量,使燃烧器容易熄火.     

多孔介质燃烧的二维数值模拟

利用商业软件FLUENT6 2结合用户自定义标量和用户自定义函数,采用二维稳态模型和简单化学反应机理,对堆积床内丙烷/空气预混燃烧进行了数值模拟,并与实验结果进行对比.结果表明,由于壁面粘性和壁面散热的影响,多孔介质燃烧火焰呈现明显的二维结构.所以在实际的燃烧器设计中应考虑壁面带来的影响.     

内置多孔介质Swiss-roll燃烧器的启动和贫燃特性

在常规尺度Swiss-roll燃烧器的中心区填充多孔介质,并对其进行实验研究.通过监测燃烧器的温度和燃烧产物的变化,分析了燃烧器在不同条件下的点火启动过程特性,并得到了燃烧器的贫燃极限.结果表明:相比于在入口处点火,在中心区点火启动时达到充分燃烧的时间更短,多孔介质的温度分布更均匀;多孔介质材料性质和预混气流量对启动特性影响很大;在中心区温度为950～1200K时,可处理1.3%的天然气/空气预混气.说明该燃烧器能显著拓展燃料的贫燃极限,对低热值气体具有良好的适用性.     

环形微细腔内甲烷催化转化效率的数值模拟

甲烷在微燃烧器内存在燃烧效率不高、燃烧不稳定等问题。为了研究微尺度下甲烷持续稳定燃烧的性能,采用催化燃烧方式对环形微细腔内甲烷与空气混合物在铂催化表面上的催化燃烧进行了数值模拟,研究了甲烷当量比、壁面温度对微通道内甲烷与空气混合物催化燃烧的甲烷转化效率的影响。结果表明,甲烷当量比、壁面温度对甲烷转化率有重要影响,通过催化可以促进甲烷在环形微细腔内的稳定燃烧。为了获得较高的甲烷转化效率,微燃烧器入口的甲烷当量比在0.8~1.0范围内较为合理,温度是影响环形微细腔内甲烷催化燃烧的主要因素,尤其在甲烷当量比较低时,温度的提高对甲烷的催化转化有更好的促进作用。甲烷的质量流量为6.5 g/h时,甲烷催化转化效率可达77%。     

随机堆积床内甲烷/空气预混燃烧过程的数值模拟

通过离散元软件LIGGGHTS重现球体的重力堆积过程,建立三维随机堆积床几何模型.利用大涡方法结合双温度模型以及EBU-Arrhenius燃烧模型,模拟了甲烷/空气预混气体在堆积床内预混合燃烧过程.通过将模拟结果与实验数据对比验证了模型的有效性,在此基础上对随机堆积床内部的火焰分布结构、火焰面形状及温度分布规律等进行了分析.模拟结果表明:在燃烧后期,堆积床内的小球温度要高于同一高度上气体的温度,这体现了多孔介质良好的蓄热能力;壁面与轴线间的火焰面高度差远远小于无多孔介质的管内燃烧情况,表明随机堆积床可以通过分割火焰来提高燃烧的均匀性和稳定性.     

预混气体在多孔介质中燃烧火焰面倾斜的演变

为研究多孔介质中火焰面倾斜演变及出现倾斜演变的原因,建立了二维碳化硅堆积小球的多孔介质燃烧器双温模型,对预混气体在燃烧器内的流动、传热和燃烧进行模拟.分析火焰面倾斜演变,并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变现象进行分析.结果表明:给定初始倾斜角的火焰面会持续发展,出现更严重的倾斜现象;温度场、气体流速场、动压场通过影响燃烧化学反应速度、气体流动方向、壁面散热等间接影响火焰面的倾斜演变,导致火焰面倾斜的持续发展.     

固体氧化物燃料电池尾气在多孔介质中的燃烧特性

通过配置不同组分和温度的混合气体来模拟固体氧化物燃料电池（SOFC）阴极和阳极尾气,并通过搭建双层多孔介质燃烧器实验台来研究SOFC模拟尾气的燃烧特性。结果表明：设计的多孔介质燃烧器可实现SOFC过渡和稳定阶段阳极尾气的稳定燃烧,但启动阶段的阳极尾气容易发生回火,燃烧器内烟气温度随SOFC工作阶段变化不大;阳极尾气中可燃组分的减少和惰性组分的增加都将使火焰面向燃烧器的下游移动并降低稳定燃烧温度,减小入口气流速度会使稳定燃烧温度先升后降,火焰面向燃烧器的上游移动;在无背压工况下,燃烧器的稳定燃烧极限随电堆燃料利用率的增加而减小。     

泡沫陶瓷材料及其微观结构参数对多孔介质燃烧特性的影响

基于Kelvin模型,建立了泡沫陶瓷多孔介质的微观结构参数(孔筋长度、孔筋半径、微立方体节点边长)与其孔隙率、导热系数等宏观特性参数的关系式;利用FLUENT软件,就材质种类及其微观结构参数对双层多孔介质燃烧器内甲烷/空气预混燃烧性能的影响进行了数值模拟。结果表明,在入口速度为60cm/s、当量比为0.6的条件下,燃烧区材质为SiC时,气、固相温度最高,稳定操作范围以SiC、ZrO2、Al2O3的顺序依次降低;无量纲参数d(微立方体节点边长与孔筋长度之比)的增加会降低气、固相温度且会改变火焰面驻定的位置,而e(孔筋半径与孔筋长度之比)的改变对气、固相温度分布影响不大。因此,在实际燃烧器多孔材料选型中,应优先考虑微观结构中微立方体节点边长和孔筋长度的合理选择。     

燃料电池-燃气轮机混合动力系统的燃烧与系统性能分析

对熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机（Molten Carbonate Fuel Cell/Micro-Gas Turbine, MCFC/MGT）混合动力系统中催化燃烧室(Catalytic Combustion Burner, CCB)的反应特性及影响因素进行了分析,并基于燃气轮机的设计方法进行了混合动力系统的设计.在对催化燃烧室的数值模拟中采用了塞子流模型及CH4在催化剂Pt上的详细反应机理,在实验中对3种不同催化剂的反应特性进行了分析.混合动力系统设计中,以燃料电池的温度为限制条件,采用基于现有燃气轮机对燃料电池进行匹配的设计方法,确定了混合动力系统的设计点参数.分析结果表明,所建立催化燃烧室模型可以反映燃烧室的特性,以钙钛矿和金属氧化物为助剂的催化剂活性要比贵金属的差,基于燃气轮机设计的混合动力系统虽然效率低但更具有实际意义.     

多孔介质内气/液燃料过滤燃烧的试验

摘要： 研究了小球自由堆积型多孔介质内丙烷/空气混合气的低速过滤燃烧过程,分析了燃烧室内温度、燃烧波传播速度和排放特性,以及当量比、入口气体速度等参数对过滤燃烧与排放特性的影响;实现了常压下柴油在多孔介质内的预蒸发自维持过滤燃烧,并研究了液体燃料过滤燃烧的温度特性.结果表明：在燃烧的不同阶段,预混合气燃烧波的传播速度与燃烧室内高温区域的范围差别较大;随着当量比增加,燃烧波的平均传播速度降低,燃烧温度升高,排放量增加;随着入口气体速度增大,燃烧波的传播速度增大,排放量降低;液体燃料过滤燃烧的最高温度低于气体燃料的最高温度,且燃烧器的中心温度与壁面温度差异较大.     

基于文丘里的预混气体多孔介质燃烧特性

多孔介质燃烧因其燃烧稳定性好而具有广泛的应用前景。结合工业预混领域应用广泛的文丘里混合器,采用预混不均匀度（SMD）对经文丘里混合的CH4/air预混气体的非均匀性进行评估。在入口速度为0.8 m/s,过量空气系数1.4条件下,研究了预混不均匀度SMD对多孔介质燃烧稳定性的影响。结果表明： SMD小于2.5%对多孔介质燃烧火焰的稳定性影响较小;随着SMD的增大,燃烧高温区域面积进一步变大,最高温度随着SMD的增加呈线性增加;稳燃范围随着SMD的增大逐渐减小。     

In situ time-resolved FTIR investigation on the reaction mechanism of partial oxidation of methane to syngas over supported Rh and Ru catalysts

In situ time-resolved FTIR spectroscopy was used to study the reaction mechanism of partial oxidation of methane (POM) to synthesis gas and the reaction of CH4/O2/He (2/1/45, molar ratio) gas mixture with adsorbed CO species over Rh/SiO2, Ru/γ-Al2O3 and Ru/SiO2 catalysts at 500-600℃. It was found that CO is the primary product of POM reaction over reduced and working state Rh/SiO2 catalysts. Direct oxidation of CH4 is the main pathway of synthesis gas formation over Rh/SiO2 catalyst. CO2 is the primary product of POM over Ru/γ-Al2O3 and Ru/SiO2 catalysts. The dominant reaction pathway for synthesis gas formation over Ru/γ-Al2O3 catalyst is via the reforming reactions of CH4 with CO2 and H2O. For the POM reaction over Rh/SiO2 and Ru/γ-Al2O3 catalysts, consecutive oxidation of surface CO species is an important pathway of CO2 formation.     

基于过渡金属氧化物载氧体的煤矿通风瓦斯处理性能

采用反应管对基于过渡金属氧化物载氧体的煤矿通风瓦斯(VAM)处理性能展开了研究.结果表明,经活化后的三种载氧体均能将CH4完全转化为CO2,其活性顺序为CuO60/γ-Al2 O3>NiO60/γ-Al2 O3>Fe2 O360/γ-Al2 O3;基于CuO60/γ-Al2 O3的CH4转化率随空速的增加而减小,随CuO负载量和床层温度的升高而增大;煤矿通风瓦斯中的CH4浓度越低,CH4转化率达到90%所需的床层温度就越低;对活性物质低分散高负载的CuO60/γ-Al2 O3和活性物质高分散低负载的CuO5.5/γ-Al2 O3两种CuO/γ-Al2 O3系载氧体进行了比较,发现两种载氧体的CH4转化机理均包含有化学链燃烧和催化燃烧两种机理,基于催化燃烧机理的CH4转化率在一定温度下存在极大值,当床层温度高于该极大值温度时,化学链燃烧对CH4转化率的贡献明显大于催化燃烧对CH4转化率的贡献;相同条件下,CuO5.5/γ-Al2 O3的初期活性优于Cu60/γ-Al2 O3,但CuO60/γ-Al2 O3的活性稳定性优于CuO5.5/γ-Al2 O3.     

催化燃烧方法净化丙烯腈废气的催化剂的实验研究

制备了用于催化燃烧净化含丙烯腈废气的金属氧化物－－贵金属、金属氧化物、贵金属三种类型的催化剂。初步评价了其对丙烯腈(ACN)的催化氧化效果,并与现有的国产负载贵金属催化剂进行了比较。实验结果表明,所制备的催化剂具有较好的催化氧化性能。     

天然气低碳催化燃烧特性与应用

催化燃烧反应较低的活化能容许反应在贫碳氢化合物浓度下发生,因此绝热反应的温度低于NOx形成的限制,并完全氧化,不形成CO和未完全燃烧的碳氢化合物,燃烧发生在常规气相易燃极限之外,因此燃烧更加稳定。根据分步化学机理方法模拟出的结果可以得出,铂表面的异相反应抑制了气相氧化反应的程度,并且提高了单相点燃的表面温度。在此理论的指导下,进行了多种天然气催化燃烧装置的设计和研究,催化燃烧过程可达到近零污染排放。作为低碳战略,对天然气催化燃烧锅炉、烤箱和炉窑的应用前景进行了讨论。