多联产系统中弛放气的燃烧特性研究

为了保证燃气轮机的稳定运行,对弛放气的基本燃烧特性进行了研究.采用实验方法,研究弛放气的燃烧特性.将H2、CH4和CO按照不同的体积比配制混合气来模拟弛放气,在保证容积热负荷不变的情况下设计出实验工况,分别在不同的过量空气系数下进行燃烧实验,最终获得过量空气系数和燃料配比对弛放气扩散燃烧温度分布的影响规律.为多联产系统中设计燃用弛放气的燃烧器和燃烧室提供了依据.     

稀释气/天然气燃烧及NO_x排放特性

以甲烷/空气/稀释气预混火焰为研究对象,研究了CO_2和N_2这两种稀释气对天然气燃烧NO_x排放的影响;借助反应路径分析方法,揭示了CO_2的化学效应和热效应对NO生成的影响机制。研究结果表明:1)CO_2降低NO_x排放的效果比N_2更显著,其化学效应主要是通过在火焰面区内消耗大量CH_2(s),降低了区内CH的浓度,从而减少NO的生成。2)热效应的减排作用比化学效应更大,通过降低绝热燃烧温度实现。3)稀释气会轻微增大混合物着火延迟时间和大幅度降低层流火焰速度,表明引入稀释气降低污染物排放的同时还存在明显抑制燃烧反应进行的作用。     

燃烧模型对甲烷/空气非预混数值模拟的影响

对甲烷-空气的钝体燃烧进行了数值模拟,考虑了流体的湍流流动和扩散火焰燃烧的相互作用.模拟分别采用化学平衡模型和GRI - Mech 3.0反应机理的非预混燃烧稳定层流小火焰模型.通过与文献实验数据的比较,分析了上述两种模型的模拟结果和Mobini等人的条件矩平衡封闭模型的模拟结果的准确性.研究表明,上述3种燃烧模型的计算结果与实验结果均存在不同程度的误差,说明现有的燃烧模型尚需进一步完善.     

考虑传质作用时炭粒燃烧反应动力学参数测定方法

为解决传质作用不能忽略时炭粒燃烧反应动力学参数不易精确测定的问题，修改了扩散反应速率计算式和燃烧速率表达式，在此基础上，提出了处理燃烧失重数据的方法。采用此方法，能同时整理出燃烧反应动力学参数和扩散反应速率系数，本方法主要适用于气体温度低于１３００Ｋ的燃烧情况。     

选择性催化还原（SCR）烟气脱硝的热力学计算及分析

选择性催化还原烟气脱硝技术是工业上国内外目前对NOX处理最为有效的一种技术方法。本文介绍了计算热力学参数化学平衡系数、吉布斯自由能变、化学反应焓变的方法;分析了SCR系列反应的热力学参数,在化学热力学的原理上分析了反应能够进行的温度条件。绘制热力学参数同反应温度的曲线,可以得到任意温度的热力学参数数值,从而为反应能否进行提供了理论依据。     

狭缝孔内水煤气变换反应平衡的蒙特卡罗模拟

采用反应蒙特卡罗(RCMC)方法模拟了狭缝孔内水煤气变换反应的化学平衡。模拟中,CO和H₂描述成球形LJ分子,H₂O和CO₂的分子势能分别采用TIP4P和EPM2模型计算。孔壁分子与L J点位之间的相互作用采用Steele的10-4-3模型计算。采用经典热力学方法得到主体相的平衡组成,并与RCMC的计算结果比较。两者的一致表明可以通过RCMC方法来计算预测狭缝孔内的化学平衡组成。进一步探讨了压力、温度、孔宽以及进料气摩尔组成等因素对孔内化学平衡的影响。计算表明,尽管孔内H₂摩尔分数低于主体相,但是在压力为1MPa、温度723.15K、孔宽H=3.652nm和进料水汽比n(H2O)∶n(CO)=1∶1条件下,可以得到较大的孔内H₂产量。     

非平衡等离子体对CH4／空气混合物燃烧的影响

为了研究非平衡等离子体的助燃作用,以CH4/空气混合气为燃料,对单管燃烧器中的燃烧过程进行了数值研究。在3种电离度条件下,分析了非平衡等离子体中起主要作用的活性粒子(O,H)和活性基(OH)对CH4/空气混合气燃烧的影响。计算结果发现,与传统燃烧技术相比,等离子体可以提供燃烧开始的自由基,加快连锁反应的进行,从而提高燃烧温度、降低污染物排放,等离子体助燃技术还可以改善燃烧室出口流场(包括温度场和速度场)的分布。     

CH_4-H_2混合燃料在HCCI中燃烧的数值模拟

为了研究初始参数对不同掺氢比CH_4-H_2混合燃料的均质压燃(HCCI)燃烧性能的影响,采用燃烧软件包Chemkin进行了数值模拟,并利用生成速率(ROP)分析法研究了掺氢比和过量空气系数对NO排放主导机理的影响.研究表明,掺氢比、压缩比、进气温度、空气过量系数通过影响发动机内的温度继而影响NO_x排放;高掺氢比时可以通过适当降低压缩比和进气温度并增大空气过量系数从而控制NO_x的排放.分析表明,掺氢比增大,热力型机理贡献率随之增大,占主导地位;过量空气系数增大,热力型机理贡献率减弱,N_2O中间体机理贡献率增大,过量空气系数为2.5时,两种机理的主导地位大致相当.     

稀释气对离子电流影响的试验研究与机理分析

针对稀释气体影响离子电流前锋区特征峰的研究比较缺乏,以甲烷/空气/稀释气体为对象,通过在定容燃烧弹内布置离子电流测量电极,获得了稀释气种类N2/CO2/Ar和0%、5%、10%、15%几种不同稀释比条件下离子电流的特征峰值,结合CHEMKIN化学反应动力学数值模拟结果,分析了主导离子电流前锋区信号生成的带电组分的数密度、敏感性系数及其生成路径。试验结果表明:相同的稀释比下,CO2稀释对离子电流信号的抑制作用最大;在不同的稀释气体种类下,离子电流前锋区峰值均在过量空气系数λ为0.95时达到最大。数值计算结果表明,对离子电流前锋区信号贡献最大的组分是H3O+和电子e,链分支反应R38、链终止反应R52和离子化初始反应R326对这两种组分浓度的影响较大。在过量空气系数λ为0.95时,O和CH数密度都较大且反应区温度最高,导致化学离子化程度最大,离子电流值前锋区峰值也达到最大值。该结论为研究稀释气体对燃料燃烧的离子电流信号影响和火焰锋面电学特性提供了一定的机理支撑。     

乙醚与丙酮燃烧反应机理

利用公式△H=-0．1196n／A计算了乙醚和丙酮分别在氧气和空气中燃烧反应的温度,并推测了乙醚和丙酮燃烧反应的机理．乙醚在氧气中燃烧反应的火焰温度理论值为3272K,与测定温度3134K接近,误差为4．40％．丙酮在空气中燃烧反应的火焰温度理论值为1292K,与测定温度173K接近,误差为1．49％．根据乙醚和丙酮燃烧反应的火焰温度,推测乙醚和丙酮燃烧反应机理为：（1）O2＋hv→2O·;（2）（C2H5）2O→4C＋4H2＋H2O（乙醚）,CH3COCH3→3C＋2H2＋H2O（丙酮）;（3）H2＋O·→H2O＋hv;（4）C＋O·→CO＋hv;（5）2CO＋O2→2CO2．     

空燃比对离子电流信号的影响机理

在一台高压定容燃烧弹上,以甲烷为燃料,研究了空燃比对离子电流信号的影响.结果表明,当过量空气系数为0.90时,离子电流信号峰值最大,峰值时刻最为提前.通过建立甲烷预混离子反应机理模型,对离子形成过程、浓度及分布情况进行了数值模拟,结果表明,化学电离发生在火焰前锋面,最主要的离子产物为H3O~+,热电离发生在焰后高温区,最主要的离子产物为NO~+.化学反应路径分析表明,当过量空气系数为0.90时,H3O~+和NO~+的净生成速率最大,浓度最高,化学电离峰和热电离峰值最大.     

Swiss-roll燃烧器传热特性的模拟和试验研究

建立了用于处理煤矿通风瓦斯的Swiss-roll燃烧器的二维湍流热平衡模型,求解模型方程得到了换热通道的温度分布,分析了进口流速、通道尺寸、燃烧室直径对传热特性的影响,并通过试验验证模型的合理性.结果表明,在甲烷体积分数为1%时,反应区温度达1346 K;通道宽度对反应区温度的影响最大而进口流速的影响最小;改变进口流速和换热通道尺寸能改善燃烧器的部分性能同时又会不利于另一些性能,在燃烧器的设计中,应根据实际情况,综合考虑温度、流阻、成本等因素来选择合适的参数.     

不同加湿模式下甲烷湍流燃烧特性数值模拟

为研究水蒸气对甲烷燃烧的影响,基于简化的24步甲烷气相反应动力学机理,通过数值模拟的方法研究了在助燃空气和燃料中分别添加同体积的水蒸气对甲烷同轴湍流扩散火焰流场、组分浓度分布及污染物生成的影响,重点分析了中间产物OH基团对燃烧温度、污染物生成的影响.结果 表明:添加水蒸气后,两种加湿方式下整体燃烧室温度均降低,燃料预混水蒸气燃烧方式下降低幅度较大;该模式下对控制污染物排放效果优于空气预混水蒸气,最后基于燃烧稳定性和控制污染物排放确定了一种最优的蒸汽燃料预混比例为71.4％ CH4/28.6％ H2O.     

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.     

三元复合驱化学反应平衡模型及其应用

针对三元复合驱过程中化学反应的特点及我国油田地层的实际情况 ,通过合理简化 ,在分清主要反应和次要反应的基础上 ,提出了新的化学反应平衡物理模型和数学模型 ,并运用新模型进行了实验室岩心驱替的数值模拟。与国外化学驱软件UTCHEM的计算结果对比 ,该模型的计算速度及稳定性有所提高 ,并有一致或相似的规律。针对我国油田地层水中镁离子含量少的特点 ,利用新模型讨论了地层水中镁离子对化学反应平衡及驱油效果的影响 ,分析了碱耗的原因 ,提出在实际油田数值模拟过程中 ,当镁离子浓度比钙离子浓度低一个或一个以上数量级时 ,可以不考虑镁离子的相关反应 ,这样既能提高运算速度又能保证计算精度。     

甲烷催化燃烧NOx排放特性的数值模拟

采用详细表面反应机理与气相反应机理GRI 3.0对甲烷-空气混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行二维数值模拟,讨论了不同甲烷浓度对NO_x排放量的影响,并对不同孔径内的浓度场、温度场与流场进行了研究。模拟结果表明：甲烷浓度的提高增加了反应器的排烟温度和NO_x排放量;孔道内径通过影响气相反应速率和催化反应速率改变了孔道内的温度场和速度场,进而影响了NO_x的生成;孔径的减小使得反应器的单位面积放热量和NO_x排放量均降低。以上结果可为优化催化反应器设计、降低其NO_x排放量提供参考。     

LES investigation of swirl intensity effect on unconfined turbulent swirling premixed flame

A finite reaction rate model is presented as a closure of large eddy simulation （LES） to numerically study an open premixed methane/air swirling flame. The resultant model is firstly validated by comparing with reported data and then employed to investigate the effect of swirling intensity on flow field, flame characteristics and combustion instability of the swirling flame. Three differ- ent swirl numbers are considered. The LES results show that as swirling intensity increases, the vortex entrainment and micro-mixing are enhanced, leading to more lean equivalent ratios at flame front; consequently, higher swirling number causes lower flame temperatures and slower CO oxidization; for all simulated swirl numbers, flame fronts are completely located out of the recirculation zones and anchored at the inner surface of the annular swirling steams; swirl number has a crucial effect on swirling flame extension toward radial and tangential dimensions and then significantly affects streamwise flame length, which is a great influencing factor on combustion instability; vortex-induced disturbance on flame in streamwise plays a critical role in combustion instability.     

蓄热式燃烧器内等温射流流场分析

为了解高温空气燃烧机理,建立计算机仿真模型,通过试验对仿真模型的有效性进行验证后进行蓄热式燃烧器内等温射流流场分析。结果表明,空气入口高速射流是产生回流卷吸和实现高温空气燃烧的主要因素,可采用一次燃料消耗空气中大部分氧气实现低氧燃烧来降低NOx产量,二次燃料入口距离与空气入口存在最优距离且其入射角度不宜过大,仿真计算结果与实验结果一致,验证了模型可靠性。研究成果对蓄热式燃烧器设计具有指导意义,也为热态射流流场分析奠定了基础。     

燃空当量比对液体燃料无焰燃烧影响的研究

以微型燃气轮机为应用背景,设计了基于液雾无焰燃烧的模型燃烧室,以实验为主、数值模拟为辅的手段研究了0#柴油/空气的燃空当量比对模型燃烧室的流场结构、燃烧模式、无焰燃烧范围、燃烧温度及分布和污染物排放的影响.结果表明:燃烧室流场呈现明显的环形回流涡,为高温烟气循环提供了流体动力学基础;燃料喷孔附近的混合情况对整个燃烧模式的转变具有重要影响;该燃烧室工作在无焰燃烧模式的燃空当量比Φ范围为0.25～0.50,无焰状态下燃烧室内温度分布均匀;燃烧室平均温度Tavg和污染排放受到Φ和输入功率的影响,在实验范围内,输入功率相同时,随Φ减小,燃烧室平均温度降低,CO和NOx排放浓度增加,另外,Φ相同时,输入功率越低,Tavg越低,CO排放浓度越大,且输入功率越低CO排放浓度增长越快,NOx受输入功率的影响相对小得多.从实验结果分析,适当提高空气预热温度是增强低燃烧室热密度时的贫燃稳定性、拓展贫燃极限和强化燃烧的有效措施.