含颗粒甲烷/空气预混燃烧的51步简化机理

基于含颗粒甲烷燃烧详细化学动力学机理Gri-Mech3.0,采用层流预混火焰模型计算含颗粒甲烷/空气预混燃烧过程。通过对详细机理的计算结果进行敏感性分析以及产物速度分析提取骨干机理,再根据准稳态假设进一步简化,最终得到一套包含27种组分和51个基元反应的简化机理。将该51步简化机理与详细机理进行对比,结果表明:该简化机理在预测燃烧速度方面具有较高精度,能够在较大热力学参数变化范围内较好地预测含颗粒和不含颗粒2种情况的甲烷/空气预混燃烧现象。     

锥形反应器内甲烷空气预混燃烧数值研究

基于CFD组分输运有限速率化学反应模型,对锥形反应器内甲烷-空气预混燃烧化学反应过程进行数值计算。得到了预混燃烧过程反应器内混合组分的速度场、流函数、温度场、湍动能及甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、一氧化氮、水蒸气的相态分布云图。预测了化学反应机理,并给出了反应方程式。计算结果可为进一步深入探究复杂燃烧反应机理提供一定的理论指导。     

燃料流速对焦炉煤气燃烧特性的影响

利用计算流体动力学(CFD)对焦炉煤气燃烧室内的燃烧特性进行数值模拟,分析了燃料流速对燃烧室内温度场及各组分质量分数的影响。研究结果表明:燃料流速对燃烧室内温度场及各组分质量分数的分布影响较大,适宜的燃料流速能提高焦炉煤气的燃烧效率。在空气流速一定的情况下,随着燃料流速的增大,炉内氧气的质量分数减小,甲烷、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽的质量分数增大。当空气速度为0.5 m/s,燃料速度为60 m/s时,焦炉煤气燃烧最优。     

焦炉煤气直接氧化制合成气工艺条件优化

为进一步优化焦炉煤气非预混燃烧直接制备合成气的工艺参数,对焦炉煤气在贫氧条件下发生非预混燃烧的过程进行数值模拟研究,得到了反应器内温度及产物组成分布的详细分布状况.模拟结果表明,反应在靠近氧气入口的区域内发生.从数值模拟的结果来看,反应器壁温对反应结果有非常重要的影响:提高反应器壁温有利于提高合成气的选择性,但是煤气中甲烷的转化率有所降低.因此,反应器壁温是能够控制本工艺总体反应效果的重要参数,工艺优化过程中应该特别注意.     

微型燃烧器内甲烷预混催化燃烧的数值研究

微尺度燃烧存在热量损失大、易熄火、燃烧不完全、转化效率不高等问题,因此对微型燃烧器内甲烷的燃烧采取预混催化燃烧方式来提高燃烧的稳定性和转化效率,为微型发动机碳氢燃料燃烧技术奠定基础。采用连续介质层流有限速率模型和二阶离散方法对微型燃烧器微流道内的催化燃烧、流动和传热进行了三维数值模拟。结果表明,甲烷质量流量和过量空气系数对催化转化效率有一定影响,壁面温度是影响催化转化效率的主要因素。甲烷质量流量、壁面温度与最佳过量空气系数之间具有一定的变化关系。可根据催化温度选择富燃料或富氧燃烧方式来提高微尺度催化转化效率。恒壁温边界条件下,催化燃烧主要发生在燃烧腔的下壁面。     

爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性

在水平封闭的直管中,采用自主研制的阻爆实验系统(包括传感器系统、配气系统、数据采集系统、点火系统等)对不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄过程进行了实验研究。结果显示当可燃气体接近当量浓度时(丙烷4.2%、乙烯6.6%、氢气28.5%,均为体积分数),预混气体从点燃到火焰淬熄过程历时非常短,总体可分为4个阶段,缓慢燃烧阶段、快速燃烧阶段、加速燃烧阶段和超压振荡阶段。丙烷-空气、乙烯-空气预混气体在D=80 mm的管道阻火器中,爆炸压力峰值较高。当管道直径增加至400 mm时,爆炸压力峰值逐渐降低,其中乙烯-空气预混气体的爆炸压力峰值仅为3 MPa左右;氢气-空气预混气体的爆炸压力峰值随管径的增加呈递增趋势。对爆轰速度的研究结果表明,丙烷-空气、乙烯-空气预混气体爆轰速度数值相差不大,丙烷-空气预混气体甚至稍高些;而氢气-空气的爆轰速度数值较高。而且随着管径的增加,管壁热损失增大及其阻力因素等原因影响使预混气体爆轰速度趋向平稳。最后,从经典传热学理论出发,推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系。并结合实验数据,提出了爆轰安全阻火速度的计算方法,为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。     

催化燃烧中表面反应-气相反应间相互作用及其对均质压燃发动机着火特性的影响

通过对微元管中甲烷在铂表面的催化燃烧过程的数值计算,分析了当混合气入口压力很高时气相反应对整个催化燃烧过程的影响;通过敏感度分析,找出了对异相着火及气相着火起主要作用的基元反应步.结果表明,在异相着火过程中起主要作用的基元反应步为甲烷与氧气在催化剂表面的吸附反应及氧气的解吸反应,在气相着火过程中起主要作用的基元反应步为OH·及水的吸附与解吸反应.对活塞顶涂有铂催化剂的均质压燃（HCCI）发动机的燃烧过程进行了数值模拟,分析了催化效应及关键表面反应基元步对HCCI发动机着火时刻以及燃烧过程中中间组分的影响,结果表明,催化反应能促进混合气的着火,缩短着火延迟时间,对HCCI发动机着火时刻起主要影响的表面反应为OH·及水的吸附与解吸反应.     

扩散过滤燃烧火焰特性

扩散过滤燃烧是新的燃烧技术,具有扩散燃烧和预混过滤燃烧的某些特性。通过二维双温模型,使用单步总包反应,数值研究氮气稀释的甲烷和氧气同轴同平板扩散过滤燃烧特性。模型中考虑热弥散和组分弥散效应。研究小球直径、气体混合物速度和甲烷质量分数对火焰高度和火焰形态的影响。结果表明,与预混过滤燃烧不同,气体和固体高温区存在于燃烧器的不同位置;而在高温区域之外,气体和多孔介质固体的温差很小。当填充床小球直径从6.66 mm减小到2.02 mm,火焰高度从0.048 m增大到0.12 m。增大混合物速度,甲烷的质量分数导致火焰变宽,火焰高度增大。数值模型的有效性得到了实验验证。     

O2/CO2气氛中水蒸气预混CH4燃烧特性与烟气余热梯级利用方案

对O2/CO2气氛中甲烷预混水蒸气燃烧特性及主要污染物生成进行了数值模拟研究,在加湿燃烧的基础上提出一种全新的清洁燃烧方式,即在保证甲烷流量一定时,通过改变入口处水蒸气的质量分数,研究水蒸气预混比Rf(0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4和0.5)对燃烧流场、燃烧组分和污染物浓度的影响。结果表明,随Rf增大,燃烧反应速率上升、燃烧效率提高且污染物排放量降低。模拟所得甲烷预混水蒸气的最优气氛为81%CH4/19%H2O,提出了一种高效节能的O2/CO2气氛下水蒸气预混CH4燃烧与烟气余热梯级利用方案。     

微通道内低浓度甲烷催化燃烧的数值模拟

矿井通风瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体,它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体,如今催化燃烧技术已成为处理矿井瓦斯最为有效的处理方法。文章模拟了不同入口预热温度、不同入口流速、不同甲烷体积分数以及不同通道尺寸大小对低浓度甲烷转化率及出口烟气温度的影响,发现提高入口温度、甲烷体积分数、降低入口流速以及减小通道尺寸可以提高甲烷转化率及出口烟气温度。     

煤层气燃烧器流动及NO_x生成特性数值研究

针对煤层气热值低的特点,设计了一台煤层气旋流燃烧器,采用数值模拟方法研究了不同热负荷及过量空气系数对燃烧性能的影响,并计算了燃烧污染物的生成.结果表明,在燃烧区域存在逆压梯度,加强了烟气的扰动,有利于形成稳定的高温区,提高燃烧效率.燃烧器负荷调节范围大,低负荷时仍能保持较高的燃烧温度和燃烧效率.过量空气系数为1.05时燃烧温度最高,此时NOx生成最多,仅为25.1 mg/m3.     

Burning velocity of methane/diluent mixture with reformer gas addition

The motivation of this study is to explore the feasibility of extending the EGR (exhaust gas recirculation) diluent tolerance for methane/air mixtures with reformer gas (CO and H₂). A preheated cylindrical combustion chamber was used to measure the laminar burning velocity of methane/air mixture with variations of EGR diluent, reformer gas, temperature and pressure. The experiments were carried out at the range of initial temperature from 298 K to 498 K and initial pressure from 1 atm to 5 atm. The maximum EGR fraction is 40%. Reformer gas was introduced to raise the burning velocity of methane/EGR mixture to the undiluted level. Results indicate that the reformer gas has potential to improve the burning velocity while reducing the nitric oxide emission.     

煤和焦炉气联供制烯烃过程的建模模拟与分析

由于煤富碳少氢,煤制烯烃过程生产1 t产品将排放约5.8 t CO₂.与此同时,中国焦炭工业每年产生约7×10¹⁰ m³的副产物焦炉气,这些富氢的焦炉气大多被燃烧或直接排放进入大气,对环境造成严重影响的同时还浪费了巨大的经济价值.本文对焦炉气辅助煤制烯烃的新过程进行了建模模拟与系统分析.焦炉气与煤元素互补,焦炉气中的H₂可用来调节合成气的氢碳比;CH₄可通过甲烷水蒸气重整和甲烷干重整两个过程,提高合成气的氢碳比的同时降低煤制烯烃过程排放的CO₂,提高碳元素利用率,实现节能减排.这个新的联供过程的能效比煤制烯烃过程提高了约10个百分点,而CO₂排放量则减少了约95%.     

Experimental and computational study of a lifted,non-premixed turbulent free jet flame

The results of an experimental and modelling study of a lifted, non-premixed methane turbulent free jet flame issuing into still air are presented. Detailed in-flame measurements, including the gas temperature, oxygen and NO concentration distributions, are made. In a parallel computational study, a radiative mixedness–reactedness flamelet combustion model is employed to simulate the experimental flame. A comprehensive radiation heat transfer model based on the discrete transfer method of solution of the radiative transport equation, together with the wide-band model for gas absorption coefficients, was used. The NO formation and emission was also calculated using a post-processing approach. Validation of the numerical results against the experimental data shows generally good quality combustion predictions in the near burner region. However, predictive difficulties are encountered in the downstream region, particularly for the oxygen concentration. The NO predictions reveal discrepancies when compared with measurements in the fuel rich part of the flame. The in-flame experimental data, with the aid of the predictions, has provided an enhanced understanding of combustion and NO characteristics of the lifted, non-premixed turbulent free jet flame.     

含NaCl荷电细水雾对甲烷爆炸火焰传播的抑制特性

为进一步提高细水雾抑制甲烷爆炸的效率,搭建了小尺寸细水雾抑制甲烷爆炸实验平台,在普通细水雾中添加NaCl添加剂,并对其荷电,进行含NaCl添加剂荷电细水雾抑制甲烷爆炸火焰传播特性的实验研究。结果表明,含NaCl添加剂荷电细水雾对甲烷爆炸火焰传播的抑制效果,优于普通细水雾单独添加NaCl添加剂和荷电作用的抑制效果之和。随着NaCl浓度和荷电电压的增大,甲烷爆炸火焰传播速度明显减小;其中荷电8 kV、NaCl浓度12.5%的工况抑制效果最佳,甲烷爆炸火焰传播速度二次峰值较普通细水雾作用时下降了10.747 m·s^-1,下降比例高达60.26%;分析认为,在细水雾抑制甲烷爆炸火焰传播的过程中,NaCl添加剂和荷电作用之间存在相互促进抑制效果的耦合作用。     

甲烷催化燃烧反应工艺研究进展

甲烷催化燃烧是一种清洁高效的甲烷燃烧技术,在节能减排中具有重要的应用价值。从催化剂、反应工艺和过程强化等方面对近年来甲烷催化燃烧技术进行综述,重点介绍颗粒催化剂固定床反应工艺、整体式催化剂反应工艺、流化床反应工艺和吸放热耦合反应工艺研究进展。用于固定床反应器的颗粒催化剂主要为负载型贵金属催化剂和非贵金属氧化物催化剂。贵金属催化剂活性好,起燃温度低,适合低浓度甲烷的催化燃烧。非贵金属氧化物催化剂耐高温性好,适合较高浓度甲烷燃烧体系。整体式催化剂的甲烷催化燃烧反应工艺中,最常用的是蜂窝陶瓷和金属合金等整体式催化剂的多段式催化燃烧反应器的设计。设计直接采用多段式整体催化剂,催化剂的位置不同,发挥的催化作用也不同。流化床催化燃烧装置具有燃烧过程接触面积广、热容量大和换热效率高等特点,可有效避免传统的固定床催化燃烧反应工艺存在的问题,非常适合应用于低浓度甲烷的催化燃烧过程。利用甲烷催化燃烧强放热的特点,将催化燃烧产生的热量进行时间或空间的耦合,可以开发出吸-放热耦合反应工艺。其中,固定床催化反应器中的流向变换强制周期操作作为一种高效的过程强化技术,在节约反应器成本的同时,可以提高反应热量的利用率。     

煤矿瓦斯发电实践与探索

介绍了鹤壁煤业集团利用高浓度和低浓度瓦斯发电的工艺流程;其中高浓度瓦斯发电机组采用电控燃气混合器调控空气和燃气比,低浓度瓦斯发电机组采用瓦斯与细水雾混合输送技术,解决了关键的瓦斯安全输送问题。     

乏风瓦斯流向变换催化燃烧试验研究

为实现低浓度瓦斯气体的高转化率,满足实际工程低温排气的要求,设计制作一套新型流向变换蓄热催化燃烧反应器,并利用模拟气体进行催化燃烧实验研究。结果表明,气体流量为70 L·min^-1、燃烧反应温度控制在500 ℃和甲烷体积分数为0.2%时,甲烷催化燃烧转化率超过80%,出口气体温度低于60 ℃。该系统能满足工程低温排气要求。     

风速对骨料烘干煤粉燃烧器排放特性的影响

基于煤粉燃烧机理,结合骨料烘干工艺,建立了骨料烘干煤粉燃烧器内部场的控制模型,采用Fluent软件模拟煤粉燃烧器内部燃烧状况,考察了一、二、三次风的风速对煤粉燃烧器中心轴线处CO, CO2, NO和SO2浓度的影响。结果表明,在研究的风速范围内,一、二、三次风风速越大燃烧越充分,一、二、三次风风速越小,产生的NO越少;三次风风速为40 m/s时,SO2浓度最低;较合理的控制参数为一次风风速30~35 m/s,二次风风速45~50 m/s,三次风风速30~40 m/s。     

覆盖层氧气消耗通量模型及甲烷氧化能力预测

填埋场覆盖层生物气扩散规律和甲烷氧化能力的评估是甲烷减排研究的重要组成部分。以数值模拟方法分析了氧气在覆盖层中的扩散规律,得到了指数方程形式的氧气扩散模型(R²范围0.8941～0.9975);通过检测有机碳和甲烷浓度变化进一步考察了模拟覆盖层不同深度的甲烷氧化能力,证实了在0.05～0.25 m范围内甲烷氧化活性最高;以Fick定律和轴向扩散模型推导了模拟覆盖层中氧气消耗通量模型,该模型计算得到的氧气消耗通量与覆盖层中微生物甲烷氧化经验方程相比无显著差异;结合以上模型推演出覆盖层甲烷消耗通量模型,与实际检测值相比,预测结果理想(R²=0.9983)。该成果可为揭示填埋场覆盖层生物气扩散规律、强化甲烷氧化能力以及预测甲烷排放提供新的思路和理论依据。