CO2稀释对甲烷-高温空气扩散燃烧及NO生成特性影响的化学动力学分析

基于GRI-Mech 3.0详细化学反应机理,利用OPPDIF Code研究了CO2稀释比、预热温度及拉伸率对甲烷-高温空气层流对冲扩散火焰温度、热释放率、组分摩尔分数及NO生成特性的影响.研究结果表明,CO2稀释助燃空气能有效降低火焰中H、O及OH等基团摩尔分数,抑制燃烧过程链传播及链引发反应,从而减缓CH4氧化速率.随着助燃空气中CO2稀释比的增加,火焰最高温度逐渐降低,主氧化区及第二氧化区放热峰值变小,燃烧反应高温区变窄,NO生成指数E显著降低.当稀释比大于20%时,热力型NO随助燃空气温度升高规律并不明显.随着CO2稀释比的增加,快速型NO对NO生成量影响逐渐增强,成为高CO2稀释比下甲烷-高温空气扩散燃烧NO生成的主要路径.     

零碳燃料对燃气锅炉燃烧过程调控作用

利用小型化模拟炉膛开展了零碳燃料氢气对燃气锅炉燃烧过程调控作用实验研究,研究了掺氢比对炉膛内部预混火焰宏观形态、炉膛温度均匀性、炉膛污染物排放规律的影响,并总结了CO及NO_x的排放规律。实验结果表明：随着预混当量比增加,纯甲烷火焰长度逐渐缩短;对于20%掺氢火焰,随着预混程度的提高,火焰长度降低明显;不同火焰条件下,炉膛温度只由燃烧功率控制;改变燃烧条件时,处于壁面附近位置的温度变化较为平稳,而靠近火焰处温度变化较大;天然气中掺入氢气,燃烧时可以有效降低未燃CO排放;在相同预混程度下,全局当量比减小导致未燃空气增加,热量被稀释,火焰温度降低,热力型NO_x的生成降低;随着掺氢比的增加,燃烧时火焰温度升高,导致热力型NO_x排放增加。     

添加氢气的甲烷/空气预混火焰结构的数值预测

针对添加氢气的甲烷/空气预混火焰的重要特性进行了计算研究.不同含氢比、稀释比以及不同当量比下的绝热燃烧速率模拟结果与目前国际上相关的研究结果相吻合.从稀燃到等当量比范围,采用的模型较好地重构了NO浓度变化,但在浓混合气时,预测结果与Coppens等的研究结果不同.计算结果表明,添加氢气对炭黑生成无明显的作用;同时,以反向对称双火焰为模拟背景,计算获得了不同含氢比下的熄火拉伸率和对应的燃烧温度,证明了添加氢气可以增强稀薄燃烧的稳定性以及扩大稀燃极限.     

CO2和H2O气氛下甲烷MILD富氧燃烧NO和CO生成机理

利用 Chemkin 软件中对冲火焰模型对 CO₂和 H₂O 气氛下甲烷 MILD 富氧燃烧进行详细数值模拟,对比了两种气氛下 NO 和 CO 的排放规律和生成机理．结果表明,MILD-CO₂燃烧模式下 CO 排放浓度约为 MILD-H₂O 燃烧模式下的 3 倍．敏感性分析发现 CO₂的分解会增加 CO 排放浓度,而 MILD-H₂O 燃烧模式下 H₂O 分解生成的 OH 基团促进了 CO 的氧化,降低了 CO 的排放浓度．同时,MILD-CO₂燃烧模式下 NO 排放浓度约为MILD-H₂O 燃烧时的 4 倍,且 MILD-H₂O 燃烧模式下 NO 生成对氧化剂进口温度的变化不敏感．通过分离 NO 生成路径发现,两种气氛下 N₂O 中间体路径主导了 NO 的生成,NO 再燃可以消耗 20%以上生成的 NO,其余路径相对不重要．结果表明 MILD-H...     

氧质量分数对高温空气下火焰氮氧化物生成影响

揭示高温空气燃烧过程中的火焰结构和氮氧化物生成机理.以对向流扩散火焰为对象,利用基于详细基元反应动力学模型的燃烧数值解析方法研究了氧质量分数对高温空气(温度为1 300 K)/甲烷扩散火焰火焰结构和氮氧化物生成的影响.结果表明,随着氧质量分数的逐渐减小,火焰结构和NO的生成机理发生显著变化,扩散火焰的NO生成主要由热力...     

旋流燃烧氮氧化物生成的研究进展

通过实验研究和所提出的双流体两相湍流模型以及湍流反应的二阶矩模型的数值模拟,对不同旋流数下的轴对称甲烷-空气湍流扩散燃烧和旋流煤粉燃烧的氮氧化物生成进行了研究。实验中为了研究旋流数对燃料型NO的影响,在燃料中加入少量氨模拟燃料氮。实验和数值模拟结果表明,随着旋流数的增大,热力型NO的排放先上升后下降,而总NO和燃料型NO的排放则先下降后上升,有一个使NO排放最低的旋流数;旋流数的增大先使湍流强度下降然后又使其稍有上升;而使进口附近的温度先上升然后稍有下降;热力型NO的生成受温度的影响更大,而燃料型NO的生成受湍流混合的影响更大。研究结果对旋流燃烧室或燃烧器的设计中如何通过控制湍流来降低NO排放有应用意义。     

梯度磁场对甲烷层流燃烧时NO_x生成特性的影响

天然气燃烧过程中NOx的控制是燃烧洁净优化的关键指标之一。以甲烷层流扩散火焰为研究对象,通过在火焰周围安放电磁铁的方法在火焰区产生梯度磁场,开展在四种甲烷流量工况下改变梯度磁场对热力型NOx的生成特性的研究。研究发现,当梯度磁场增加时,较大磁场梯度对应的25mm高度火焰区的温度随之升高,而热力型NOx的生成量却不受温度升高的影响存在着明显减少的变化规律,与无磁场梯度工况相比,NOx最大时至少减少60%以上。经分析认为,梯度磁场施加给氧气顺磁力直接改变火焰周围氧气的流动传输特性,氧气的流运作用使得OH自由基向火焰区流动,生成HCN、HCCO抑制热力型NOx的生成。     

预热温度对高温空气/甲烷扩散火焰中NO生成的影响

NO生成机理的基础研究对利用高温空气燃烧技术非常重要.本文以对向流扩散火焰为对象,利用基于详细基元反应动力学模型的燃烧数值解析方法研究了预热温度对高温空气(630～1 800 K)/甲烷扩散火焰中氮氧化物生成的影响.结果表明,随着预热温度的逐渐升高,NO的生成机理发生显著变化,扩散火焰中的NO生成主要由快速型机理控制变...     

空气分级燃烧下NO_x生成特性的研究

利用数值模拟方法对空气分级燃烧下NOx的生成特性进行了研究,分析了燃烧器附近局部区域和炉膛整体区域NOx的反应速率,得到了不同燃尽风率下NOx的生成特性.结果表明:NOx主要产生于燃烧初期,当燃料与O2混合不充分时会发生NOx的还原反应;从炉膛整体来看,燃料型NOx的生成速率明显大于热力型NOx,主燃区和燃尽区均生成燃料型NOx,而热力型NOx几乎只在温度很高的主燃区生成,且对O2体积分数的敏感性弱于燃料型NOx;主燃区和燃尽区NOx反应速率的主要控制因素分别为O2体积分数和焦炭燃烧速率;燃尽风率增大,主燃区NOx生成速率和生成区域减小,还原区域增大,NOx排放质量浓度明显减小.     

低氮改造对四角切圆锅炉NO_x生成特性的影响

对某300 MW四角切圆锅炉低氮改造前后NOx的生成特性进行了数值计算,分析了低氮改造对NOx生成特性的影响.结果表明:原有双通道自稳燃型燃烧器稳燃腔的设计明显加速了热力型NOx的生成;新型水平浓淡燃烧器浓侧和淡侧煤粉均处于偏离化学当量比条件下燃烧,喷口附近火焰温度明显降低,有利于控制热力型NOx的生成,缺氧燃烧降低了煤粉的燃烧效率,冷灰斗区域及三次风以上区域燃料型NOx的生成速率有所增大.     

富氧空气/甲烷扩散燃烧的NO抑制机理的数值研究

为了开发适用于富氧燃烧的NO抑制技术,以对向流扩散火焰这一扩散燃烧的典型形态为对象,利用所建立的基元反应动力学模型研究了燃料稀释（CO2为稀释剂）以及速度梯度的改变对富氧空气/甲烷扩散火焰中NO生成的影响.用CO2稀释燃料甲烷得到的计算结果表明,随着燃料中CO2浓度的增大,火焰结构和NO生成的机理发生了显著变化,NO排放指数EINO（Emission index of NO）单调减少.改变速度梯度发现,随着速度梯度的增加,热力型NO质量生成速率以及EINO快速下降.这些研究表明,用CO2稀释燃料以及增加速度梯度可以减少富氧火焰中NO的生成.     

N2和CO2稀释对氢气-空气湍流扩散燃烧及NO生成特性的影响

采用18组分47步H2-N2-CO2反应机理模型、可实现k-ε模型及涡流耗散概念(EDC)模型研究了N2和CO2稀释作用对氢气-空气同轴射流湍流扩散燃烧过程的影响.结果 表明:2种稀释剂均能有效降低氢气燃烧温度,降低NO质量分数,且NO峰值质量分数随着火焰峰值温度的升高而上升;与稀释剂N2相比,CO2对降低氢气燃烧温度和NO质量分数的效果较好;2种稀释剂对火焰峰值温度及NO峰值质量分数的影响是非线性的,随着稀释率的增大,稀释剂降低火焰峰值温度的效果明显增强,而抑制NO生成的效果逐渐减弱;当稀释剂为N2、稀释率为0.5或稀释剂为CO2、稀释率为0.3时,能使火焰峰值温度处于中等水平情况下NO峰值质量分数依然较低,有利于实现氢气的高效低污染燃烧.     

甲烷和氢气在亚毫米微燃烧室内燃烧的试验对比

在碳化硅材料的亚毫米尺度微燃烧室内,针对甲烷和氢气两种不同燃料进行了燃料与氧气预混合燃烧的试验。利用热电偶测出燃烧室壁面温度并进行了分析。结果表明:在燃料和氧气的总体积流量相同时,燃用甲烷时燃烧室的壁面平均温度更高,但氢气的燃烧室壁面温度更加均匀,梯度更小;氢气比甲烷有更宽的可燃范围,试验时甲烷/氧气在总体积流量为700mL/min、混合比为化学当量比时燃烧不能进行,而氢气和氧气在相同条件下能够燃烧。     

入口压力对某环形燃烧室内燃烧及NO_x生成的影响

通过数值模拟方法研究了燃烧室入口压力P对某环形燃烧室内的燃烧及热力型NO_x生成特性的影响。分析表明:增大入口压力P使得流体密度ρ增大,流速U减小;回流区范围减小,火焰温度T有所降低,高温区范围缩小;主燃级O原子摩尔浓度升高,热力型NO_x生成速率增大。热力型NO_x生成速率最大的区域位于凸台后回流区附近,火焰温度T的降低在一定程度上抑制了该区域热力型NO_x生成速率的增长。不同入口压力P条件下,外壳侧NO_x生成速率均高于轮毂侧。     

点燃式氨氢燃料发动机燃烧与排放模拟研究

通过三维数值仿真方法研究了化学当量比下掺氢比和点火时刻对点燃式氨氢燃料发动机燃烧与排放的影响。结果表明,增加掺氢比可加速火焰传播,缩短燃烧持续期,提高缸内压力和温度峰值。随着掺氢比增加,未燃氨和N₂O排放减少,燃料型和热力型NO生成增多。点火时刻的适当提前可有效改善燃烧特性,平衡NO、N₂O和未燃氨的排放。随着点火时刻的推迟,NO排放减少,N₂O和未燃氨排放呈相反趋势。然而,过于推迟点火会造成较多未燃氨排放,导致放热不完全,指示热效率下降。     

氢气对超低体积分数甲烷催化燃烧的影响

搭建了催化燃烧实验台,在保证催化燃烧室入口气体温度、流速相同的情况下,通过改变气体中甲烷和氢气的体积分数,得到不同体积分数甲烷气体在加入不同体积分数氢气情况下的催化燃烧特性.结果表明:在保证催化燃烧时入口气体温度为520℃条件下,加入低体积分数的氢气可有效加快甲烷催化燃烧的反应速度,降低甲烷的起燃温度,提高甲烷转化率;加入的氢气体积分数越高,对甲烷的催化燃烧助燃效果越好;而甲烷体积分数越高,氢气对甲烷的催化燃烧效果也越显著.     

低气压条件下甲烷预混燃烧CO和NO生成机理研究

为研究低气压条件对甲烷预混燃烧中CO和NO_x生成特性与生成路径的影响,采用Chemkin软件进行详细数值模拟研究。通过采用Python语言自编程序调用最新光谱数据计算普朗克平均吸收系数,并导入Chemkin软件中来提升辐射传热的计算精准度。结果表明：采用Konnov0.6化学反应机理与所提出的辐射模型中普朗克平均吸收系数计算方法可以准确预测低气压条件下甲烷燃烧的温度、NO和OH质量浓度分布;随着气压的降低,甲烷与空气预混燃烧时炉膛前部温度逐渐降低,而炉膛后部温度逐渐增加;气压降低导致CO生成速率增加和消耗速率减小,两者共同作用导致CO生成量增加和燃尽率降低;甲烷与空气预混燃烧生成的NO主要来自快速型和NNH型,且快速型和NNH型路径的贡献随着气压降低略有增加。     

辊道窑烧成带火焰空间在富氧气氛下NO_x生成的研究

采用FLUENT软件对气烧明焰陶瓷辊道窑烧成带的火焰空间进行数值模拟研究,对在富氧气氛下以天然气和炉煤气为燃料时辊道窑烧成带的NO_x生成进行分析,并与空气气氛下进行对比。数值模拟结果表明:当燃料种类和燃料量一定时,富氧燃烧可以提高燃烧的火焰温度,w(O_2)由23%升至35%时,各截面温度均升高200～250K,燃烧发生炉煤气时比天然气平均温度高、增幅大。随w(O_2)增加,以发生炉煤气为燃料时炉内NO生成先增后减然后缓慢回升,燃用天然气时,NO持续缓慢增加,但两者w(NO)均持续增大,相比于空气气氛下,分别增长了141.48%和107.73%。以天然气为燃料时炉内NO生成以快速型为主导,以发生炉煤气为燃料时以热力型为主导;富氧燃烧时气氛中的w(NO_x)增加而烟气量减少,采用不同燃料时出口处NO_x生成速率有不同变化。     

氢气和水蒸气对甲烷/空气层流火焰传播速度的影响

为了较为系统地认识氢气和水蒸气对火焰传播的影响，应用CHEMKIN-Ⅱ程序计算了甲烷/空气层流预混火焰传播速度，并就水蒸气和氢气对火焰传播速度的影响做了定量计算与分析．结果表明：氢气能使火焰传播速度大幅提高，且当初始温度升高时，氢气对火焰传播速度的提高作用增大；水蒸气的加入会使甲烷/空气层流预混火焰传播速度降低，并且在空气过量时燃料越少其影响越弱；当氢气和水蒸气同时加入预混气时，水蒸气的加入会使氢气对火焰传播速度的提高作用减弱．     

内置多孔介质卷式反应器内甲烷富燃制氢的数值模拟

为了解甲烷在内置多孔介质卷式反应器内超绝热富燃制氢特性,采用计算流体力学与详细的化学反应机理相结合的方法,对甲烷在该反应器的富燃制氢过程进行了数值模拟,研究当量比和预混气体流速对燃烧区峰值温度、合成气组分和甲烷转化效率的影响,并和实验值进行对比。结果表明,多孔介质内甲烷的燃烧温度远超过其绝热火焰温度,实现了超绝热条件下富燃制氢;在研究范围内,甲烷-氢气的转化效率随当量比和气体流速的增大而增大,数值模拟结果与实验值基本吻合。