铝/乙醇基纳米浆体燃料的着火燃烧特性研究

为了明确纳米铝粉从低浓度到高浓度变化对液体碳氢燃料着火燃烧特性的影响,采用液滴悬挂法研究了不同温度下(700~800℃)乙醇液滴和添加不同浓度(2.5wt%, 10wt%, 15wt%和20wt%)纳米铝粉的铝/乙醇基纳米浆体燃料液滴的着火燃烧特性。利用高速摄影系统捕捉了液滴整个燃烧过程,分析了其液滴寿命。通过热电偶对液滴附近气相温度的测量,获得了其着火性能参数。结果表明,添加纳米铝粉可以改善乙醇液滴的着火性能。不同铝粉浓度改善效果不同,低浓度时效果较好,着火延迟时间显著缩短,点火温度明显降低。随温度升高,乙醇及添加纳米铝粉的铝/乙醇基纳米浆体燃料液滴着火延迟时间及着火温度均明显降低。纳米铝粉(S2)对乙醇(S1)着火延迟时间和液滴寿命的降幅在750℃最大,其降幅分别达42.20%和18.43%。纳米铝粉(S3)着火温度降低,其最大降低幅度也出现在750℃,相对于乙醇(S1)降低幅度达28.57%。一定铝粉浓度范围内,液滴微爆炸程度和微爆炸时长随铝粉浓度升高而增大,但铝粉浓度超过10wt%后趋势变得平稳。     

铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴着火燃烧特性

采用液滴悬挂法研究了正庚烷液滴、油酸/正庚烷混合燃料液滴、含20wt%纳米铝粉的铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴在不同温度下(600~800℃)的着火燃烧特性。用高速摄像机观测液滴进入管式电阻炉后的着火燃烧过程,使用热电偶记录液滴周围的气相温度变化,同时通过对应的温度曲线计算液滴的着火延迟时间。结果表明,纳米铝粉和油酸的添加均能降低正庚烷液滴的着火延迟时间。随温度升高,正庚烷、油酸/正庚烷混合燃料、铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴的着火延迟时间显著降低,但变化趋势逐渐趋于平缓。铝–油酸/正庚烷基纳米浆体燃料液滴的着火延迟时间与环境温度满足阿累尼乌斯方程。与纯正庚烷、油酸/正庚烷混合液滴的燃烧过程相比,铝–油酸/正庚烷基浆体燃料液滴的燃烧过程有显著差异,其燃烧经历3个阶段：正庚烷稳定燃烧阶段、正庚烷微爆炸阶段和表面活性剂微爆炸阶段。铝–油酸/正庚烷基浆体燃料液滴燃烧时间延长,火焰熄灭后又复燃,且燃烧过程中发生剧烈的火焰形变和铝颗粒溅射现象,大部分铝以团聚体形式在第三阶段完成氧化还原反应。     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数：21%、30%和50%,研究了O₂/Ar和O₂/CO₂气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O₂/CO₂气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O₂/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O₂/CO₂燃烧的表观活化能明显低于O₂/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O₂/CO₂气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O₂/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

七台河地区低热值煤矸石理化特性及燃烧特性分析

采集七台河市勃利县的低热值煤矸石样品进行理化特征分析,并且利用热重法分析了该地区不同粒径低热值煤矸石的着火及燃尽特性。结果表明,该地区煤矸石矿物组成以石英为主,对水体环境危害较大的有害物质氟化铍含量相对较高。化学成分主要为Si O₂和Al₂O₃,含量占比分别约为49.78%～66.75%和13.53%～21.06%,Fe₂O₃含量约为1.91%～3.07%,含硫量约为0.10%～0.18%,属于铝硅型低硫煤矸石。该地区低热值煤矸石的燃烧分为三个阶段。1mm以下煤矸石样品均是较易稳定着火的。随着煤矸石粒径增大,燃烧结束时样品残留量增加,燃尽时间增加,着火温度逐渐升高,达到最大燃烧速率时的温度也随之升高,而最大燃烧速率有所下降。     

煤/生物质流态化富氧燃烧的CO2富集特性

流化床富氧燃烧是具有重要应用前景的燃烧中碳捕集技术。为更深入认识固体燃料的流态化富氧燃烧行为,构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统,反应器直径10 mm,燃烧温度700～900℃,探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法,以烟煤和花梨木为对象,研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为,重点考察了氧浓度、燃烧温度、煤与生物质质量比对CO₂谱峰曲线形态、反应总时间、起始反应时刻、烟气中富集CO₂体积分数、颗粒燃烧产生CO₂量、CO₂相对生成率等特性的影响。结果表明,在O₂/CO₂燃烧气氛下,随着氧体积分数增加,燃烧总反应时间缩短,颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加,但烟气中富集的CO₂体积分数减小;提高燃烧温度,缩短了燃烧过程所需的时间,可以促进CO₂的富集,烟气中CO₂浓度、颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加;生物质比例增大,起始反应时间提前,燃烧反应所需总时间减少,烟气中富集的CO₂浓度和颗粒燃烧产生的CO₂均减少,但CO₂生成速率增加。     

生物质三组分在O2/CO2气氛下的着火行为研究

生物质的富氧燃烧技术结合了生物质燃烧与富氧燃烧的优点,既能减少化石燃料的使用,又易实现CO₂捕集。富氧燃烧的最显著特点是气氛中的氧气体积分数大于21%,其对生物质着火行为的影响至关重要。纤维素、半纤维素和木质素是生物质的3种主要组分,研究其在富氧条件下的着火及燃烧行为,可为生物质的着火及燃烧行为研究提供重要依据。利用滴管炉结合高速摄像机,研究了粒径74~154μm的纤维素、半纤维素和木质素在温度1273 K,氧气体积分数21%、30%、50%、70%和100%的O₂/CO₂气氛中的着火行为,并利用辐射能测温技术计算着火图片中的颗粒温度。结果表明,随着O₂体积分数增加,纤维素、半纤维素由联合着火以及木质素由均相着火均转为非均相着火,纤维素、半纤维素、木质素着火机理发生转化的O₂体积分数分别为30%、70%和50%。纤维素着火对O₂体积分数变化敏感,氧气体积分数超过30%时,纤维素焦率先发生着火。半纤维素和木质素的升温速率随氧气体积分数的升高而提高,半纤维素是由于挥发分在燃烧过程中随着氧气体积分数的增加,其燃烧比例减弱,焦燃烧比例增加,而木质素因为氧气体积分数的升高强化了木质素焦燃烧。半纤维素和木质素燃烧时间均随氧气体积分数的升高而缩短,两者都是由于氧气体积分数升高强化了焦的燃烧。另外,在较高氧气体积分数下木质素焦会发生熔融并膨胀,形成明显的膨胀火焰。     

铝粉-空气混合物的燃烧转爆轰过程

利用自行设计的长29.6 m、内径199 mm配有40套喷粉扬尘装置的大型水平爆轰管,研究了细片状铝粉-空气混合物在40 J弱点火条件下火焰从发生到加速、最后实现爆轰转捩的全过程,探讨了铝粉浓度和点火延迟时间对爆轰参数的影响.结果表明,铝粉-空气混合物燃烧转爆轰(DDT)过程可分为慢速反应压缩阶段和快速反应冲击阶段.当点火延迟时间为370 ms,铝粉质量浓度为300 g/m~3时,在管道中距离点火位置83倍长径比处峰值超压为9.8 MPa,爆速为1 670 m/s,发生了DDT过程.在铝粉-空气混合物自持爆轰波的传播过程中,由于呈现螺旋爆轰波结构,爆速和峰值超压随着传播距离振荡.     

AP和铝粉对AP-CMDB推进剂燃烧性能的影响

通过测定推进剂不同压强下的燃速和压强指数,研究了高氯酸铵(AP)和铝粉的粒度及含量对AP-CMDB推进剂燃烧性能的影响.结果表明,减小AP粒度和增大铝粉粒度均能有效提高AP-CDMB推进剂的燃速,推进剂在10～20 MPa压强范围内的燃速压强指数随AP和铝粉粒度的减小而明显增大;铝粉的质量分数低于14%时,调节不同比例的AP和铝粉含量对AP-CMDB推进剂的燃烧性能影响不明显,铝粉的质量分数高于14%时,由于铝粉燃烧不完全导致推进剂的燃速降低.     

Fe2O3和MnO2催化半焦燃烧与脱硝的试验研究

研究Fe₂O₃和MnO₂两种添加剂对半焦燃烧过程的影响,使用热重分析仪(TGA)测定了在100～900℃下半焦的燃烧特性。利用氮气吸附法(BET/BJH)测定了半焦灰渣的结构参数,并通过扫描电镜(SEM)观察其表面形貌。利用X射线光电子能谱(XPS)测定其表面离子浓度。结果表明,当分别添加5%Fe₂O₃和5%MnO₂时,半焦着火温度分别增加了9.04℃和13.55℃,燃尽时间分别缩短22.62 s和54.18 s, NO生成量分别下降了49%和36%,CO生成量分别下降10%和18%。然而,加入5%Fe₂O₃-5%MnO₂复合添加剂,半焦着火温度降低了约7.77℃,燃尽时间缩短了9.03 s,半焦燃烧的NO和CO生成量大幅下降(NO 68%,CO 39%)。5%Fe₂O₃-5%MnO₂复合添加剂对半焦燃烧和脱硝具有一定的协同作...     

低温烘焙提质对褐煤着火燃烧特性的影响

褐煤高水分和高挥发分不利于运输和储存，且会降低锅炉燃烧效率，低温烘焙提质作为一种褐煤提质常用技术，能有效降低燃料中水分并提升燃料品质，显著改变褐煤燃烧特性。为研究低温烘焙提质对褐煤着火特性的影响，利用平面火焰燃烧系统并结合CMOS相机研究了不同热协流温度(1 473、1 673和1 873 K)和O₂体积分数(5%、10%和20%)下低温烘焙预处理(200、250和300℃)对褐煤着火燃烧特性的影响，并分析低温烘焙提质对着火延迟距离和火焰亮度的影响。结果表明，经低温烘焙预处理的褐煤颗粒在相同热协流温度和O₂浓度条件下的着火延迟距离稍大于原始褐煤颗粒；O₂体积分数为5%时，200℃烘焙褐煤的着火延迟距离在热协流温度1 473、1 673和1 873 K时较原始褐煤颗粒分别增加了0.24、0.28和0.13 cm;此外，不同烘焙温度下煤粉颗粒的着火位置较褐煤均有所延迟，且升高烘焙温度会降低褐煤着火距离，在1 673 K、O₂体积分数5%下，烘焙温度200、250和300℃时对应的着火延迟距离较褐煤的增加...     

富氧燃烧烟气压缩净化及高浓度CO2制备工艺研究

富氧燃烧技术是目前最有可能大规模推广和商业应用的碳捕集与封存技术之一,其中,烟气压缩净化及CO₂提纯对于整个富氧燃烧系统至关重要。然而,目前研究多聚焦于富氧燃烧后烟气压缩净化的工艺验证,而对烟气压缩纯化各单元运行特性的研究仍不深入,特别是烟气压缩净化过程杂质污染组分的迁移转化、系统运行参数与污染物脱除效率的关联仍不明确。且现有研究对净化后烟气的深度提纯及高浓度CO₂制备的关注也相对较少,直接关系到富氧燃烧系统运行经济性。因此,针对富氧燃烧烟气净化及CO₂提纯需求,系统探究了富氧燃烧烟气压缩纯化过程SO₂、NO_x吸收脱除以及CO₂深度提纯等各子系统的运行特性,其中SO₂与NO_x脱除采用压缩-酸液吸收,CO₂深度提纯采用低温精馏。结果表明:通过烟气净化可实现SO₂脱除效率达100%,NO脱除效率达99%,同时实现纯度为99.99%的食品级液态CO₂制备。烟气净化过程中,气相反应占据主导,提高压力可缩短反应时间;当SO₂吸收塔运行压力超过0.8 MPa时,SO₂脱除效率可达100%;当NO吸收塔运行压力超过3.0 MPa时,NO排放浓度可达超低排放标准。CO₂提纯过程中,提高压力会降低液体CO₂纯度。SO₂吸收塔运行压力为1.6 MPa、NO吸收塔运行压力为3.0 MPa、CO₂提纯塔运行压力为3.8 MPa时,系统整体功耗最低,为0.37 MJ/kg。     

KF对微米铝粉在水蒸气中着火燃烧特性的影响

为改善微米铝粉在水蒸气中的着火特性和燃烧效率,采用自行设计的管式炉实验平台研究了KF对30 ?m铝粉在1000℃水蒸气中着火燃烧特性的影响。用高速摄影系统记录了样品着火燃烧过程,并通过X射线衍射、扫描电镜技术和化学分析方法分析了产物组分、形貌和燃烧效率。结果表明,加入KF可显著降低30 ?m铝粉的点火延迟时间,与加入5wt% (0.003 g) KF相比,加入15wt% (0.009 g) KF后,样品的点火延迟时间减少了47.58 s;微米铝粉在1000℃水蒸气中不能着火,加入KF后能着火,这是因为KF与水蒸气反应生成KOH,KOH与Al2O3反应会破坏铝粉的氧化壳,加快铝与水蒸气的反应,促进铝粉着火。随KF加入量提高,样品的燃烧效率显著上升,最高为82.24%,比未添加KF样品的燃烧效率提升了38.75%。提高KF加入量,可产生更多的KOH,对氧化壳的破坏效果更显著,进一步促进铝与水蒸气反应,提高铝粉燃烧效率。     

金属/AP颗粒混合物燃烧特性的光谱分析

为了使Al/AP双组元粉末火箭发动机密度比冲最大化,将燃烧室特征长度由2.31 m增至 12.62 m进行了Al/AP粉末火箭发动机点火测试.采用光谱仪、CCD 相机、CO2 激光点火器等对 Al/AP 混合物在 1.0132 5 × 105 Pa的氮气环境中的点火延迟、燃烧时间、燃烧平稳性等燃烧性能进行了研究.测量了Al颗粒的表观堆积密度.作为一种替代燃料,对镁颗粒也进行了研究.结果表明,增加燃烧室特征长度至 12.62 m 时,可以得到最大燃烧室压强振荡幅度±2 .43%的平稳燃烧性能.含粒径 1μm 铝粉的 Al/AP 混合物其燃烧过程的光强远大于含粒径10μm铝粉的样品,并且其在波长 568 nm 发射光谱的光子数强度超过了光谱仪检测上限(65 000 数).而含粒径10μm铝粉样品燃烧过程的568 nm发射光谱信号出现间断且其全程强度低于 19 036 数.粒径 10μm 铝粉点火延迟时间为粒径1μm铝粉点火延迟时间的3.65 倍,燃烧时间为3.03 倍以上,最大RAlO却比 1μm铝粉少 14.3%,密度低21 .3%,说明粒度小的铝粉具有更好的燃烧性能,但是其堆积密度也更低.虽然Mg/AP的理论比冲为Al/AP的95.6%,但是其堆积密度比粒径1μm铝粉高8%,其点火延迟时间比粒径10μm铝粉短 90.3%.火焰照片也表明镁粉可在很大程度上减少凝相沉积.     

二甲醚在低到中温的着火延迟特性

在上止点温度656～814 K,上止点压力1.2～3.5 MPa,当量比（φ）0.83～1.25实验条件下,利用快速压缩机（RCM）研究了上止点压力和燃料浓度对二甲醚着火延迟期的影响及二甲醚三阶段燃烧现象。利用CHEMKIN-PRO软件在更宽广温度范围内对混合气着火延迟进行了同等条件下的模拟计算及反应动力学分析。结果表明：随着上止点压力及燃料浓度的增加,第1阶段着火延迟期均略有缩短,总着火延迟期明显缩短;二甲醚总着火延迟期存在明显的负温度系数（NTC）现象,且在较低上止点压力和燃料浓度下NTC现象更加明显;在稀燃条件下（φ=0.83）二甲醚混合气出现低温放热和高温两阶段放热的三阶段放热现象,其高温第1阶段放热主要由CH₂O生成大量CO引起,高温第2阶段放热主要由生成燃烧最终产物CO₂和H₂O引起。     

O2/CO2气氛下多种碳基随机孔模型的建立

传统随机孔模型基于简单一步反应建立,不适用于处理O₂/CO₂气氛下焦炭颗粒复杂气固反应。针对此问题,基于焦炭本身具有多种碳基的特点,以及焦炭颗粒在O₂/CO₂气氛下燃烧的特性,建立复杂气固反应下的多种碳基随机孔模型和孔隙结构模型。模拟直径为100 μm的焦炭颗粒在O₂/CO₂气氛下燃烧的过程,使用FORTRAN语言自主编程计算并分析结果。研究表明,燃烧初期颗粒呈现竞争效应,孔隙内部气体浓度产生剧烈波动。波动的生成原因是化学反应与物理扩散之间的竞争,可以通过增加环境氧浓度和减小焦炭颗粒粒径来改善。所提出的多种碳基随机孔模型对于表征O₂/CO₂气氛下焦炭颗粒的燃烧特性有着良好的适应性。     

高浓度丙酮VOCs高温预热近极限贫燃预混火焰特性的数值分析

为进一步对一种丙酮挥发性有机化合物（VOCs）焚烧炉进行设计优化和运行参数调节,本文对其在不同的燃料当量比、预热温度下的火焰特性进行了数值模拟,分析了其绝热火焰温度、着火延迟时间、火焰传播速度和一维火焰产物分布特性。研究结果表明：典型当量比（约0.113）下的绝热火焰温度为850~900℃,属于中低温燃烧,绝热火焰温度随预热温度和当量比（0.06~0.4）的升高均线性升高。预热温度和化学当量比对着火延迟时间的影响十分敏感。在其典型贫燃条件下,层流火焰传播速度随预热温度升高呈指数函数关系增大,随化学当量比增大而缓慢升高,且其层流火焰传播速度不超过150cm/s。反应过程首先发生丙酮的分解和部分氧化,并持续时间较长,仅当混合物的温度升高一定程度后才发生较剧烈的CO氧化。     

双级燃料反应器的煤化学链燃烧特性

在5 kW_th双级燃料反应器的化学链燃烧装置上,开展煤化学链燃烧特性研究,重点考察反应温度和气化介质对燃烧补偿率、碳增补率、出口气体组分浓度、额外耗氧率以及碳捕集效率的影响规律。实验结果表明,较高的反应温度能显著提高燃烧效率,900℃时出口烟气中CO₂浓度可达92.1%;随着反应温度升高,碳捕集率和燃烧补偿率分别上升至99.6%和83.4%,额外耗氧率和碳增补率下降至12.1%和4.8%。以CO₂为气化介质时,整体反应效率有大幅下降,额外耗氧率提高至23%。此外,在Ⅰ级FR反应器内发现有少量的团聚颗粒,但并未对流化产生影响。     

水蒸气纯氧条件下合成气燃烧特性

水蒸气纯氧燃烧技术因具有高效零污染物排放的特点而备受关注,对合成气在水蒸气纯氧条件下的燃烧特性进行了实验研究。在扩散燃烧实验台上测量了H₂O/O₂为2.0时,燃烧室中心气体成分和火焰温度随停留时间的变化规律,分析了过量氧气系数对合成气水蒸气纯氧燃烧过程的影响。研究结果表明:过量氧气系数为0时,H₂和CO的燃烧主要在前28 ms内,H₂的燃烧速率较快,能够快速燃尽;CO燃烧较慢,燃烧室出口含量依然很高。过量氧气系数从0增大到10%时,CO的浓度整体降低,燃烧速率提高,燃烧前期火焰温度提高。燃烧室出口CO浓度随过量氧气系数的增加逐渐降低,氧气微过量时CO浓度迅速下降,继续增大时,燃烧室出口CO的浓度下降缓慢。     

加压循环流化床富氧燃烧中试研究

二氧化碳捕集和封存技术(CCUS)是减少温室气体排放,实现全球环境可持续发展的有效技术手段。加压富氧燃烧技术是一种低成本CCUS技术。循环流化床燃烧技术(CFB)是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一,加压循环流化床富氧燃烧耦合了加压富氧燃烧和循环流化床燃烧的诸多优点,具有很强的工业应用前景。但加压循环流化床富氧燃烧系统结构复杂,燃烧工况的切换和烟气再循环导致其在启动、控制、运行等方面面临巨大挑战。目前对于加压循环流化床富氧燃烧的研究大多处于理论建模、机理研究和小试试验阶段。为了更深入地探究加压循环流化床富氧燃烧的启动和运行方法,中国科学院工程热物理研究所在MW级加压循环流化床富氧燃烧中试试验平台上进行了中试研究,实现了加压富氧燃烧的稳定运行,获得了中试尺度加压富氧燃烧运行模式,以及启动和运行过程中温度、压力、给煤量和风量的变化曲线。加压富氧燃烧工况运行中整体O₂体积分数为29%,压力为0.30 MPa,功率为0.84 MW,尾部烟气中CO₂体积分数达91%,可较好地实现CO₂产品的捕集和压缩纯化。中试尺度加压富氧燃烧启动和运行的主要流程为:启动阶段-常压O₂/N₂燃烧阶段-常压富氧燃烧-加压富氧燃烧阶段,各阶段切换平稳。     

用于燃烧的富氧工艺

利用热天平研究了煤在不同的氧气浓度条件下的燃烧行为,利用中空纤维膜组件进行了氧气富集试验,研究了操作工况对富氧空气通量和氧气浓度的影响。结果表明随着氧气浓度的增加,煤的着火温度及燃烬温度提前,燃烧速度增大,富氧空气的体积分数为30%左右较为合适。用于燃烧的富氧工艺的温度为20 ℃,压力为0.9 MPa,回收率应控制在90%左右。