甲烷/富氧扩散火焰的燃烧特性和NO_x排放的研究

【摘要】：富氧燃烧具有很多优点，如提高热效率、提高处理速率、减少烟尘排放、减小装置尺寸等，是一种高效节能的燃烧技术，在冶炼、玻璃制造这些需要高温工况的行业已有大量应用，近来，作为助燃技术在垃圾焚烧、锅炉助燃、陶瓷窑炉上的应用也取得了很大的进展。但是，富氧火焰的高温化会引起NO_x生成大幅度增加，根据富氧扩散燃烧的数值计算预测，30％-40％的富氧空气时NO_x的生成比空气燃烧增加4倍以上，即使是氧浓度为99％时，NO_x排放也是普通空气燃烧的6倍。NO_x是主要大气污染物之一，在环保要求日益严格的今天，它的大量产生制约了富氧燃烧技术进入更多的应用领域。因此，高温富氧燃烧过程的NO_x生成特性以及抑制方法的研究对于富氧燃烧的推广应用有重要意义。 目前用来降低燃烧NO_x排放的方法如分段燃烧、烟气再循环或喷射水蒸气等多是以降低火焰温度或避开利于NO_x生成的空燃比来达到目的，这些思路对于抑制富氧燃烧中NO_x生成有很大的参考价值。但是，富氧燃烧最大的优点在于其高燃烧效率和高温火焰的形成，因此，必须针对富氧燃烧的特点来研究其NO_x的抑制问题。NO_x的生成机理分为热力型、快速型和燃料型，针对不同的氮氧化物生成机理，采用的抑制方法不同，本研究采用了包含氮氧化物生成的详细基元反应动力学模型的数值解析方法和燃烧实验研究方法，对甲烷／富氧扩散火焰燃烧特性和NO_x生成特性进行了系统的研究，在此基础上提出了针对富氧燃烧的低NO_x技术。 本文的数值研究采用详细反应动力学模型，通过解析温度、热释放率的空间分布可以了解富氧火焰的空间构成，通过解析与NO_x生成相关的重要组分和重要反应在火焰中的分布可以准确把握富氧NO_x生成机理；实验研究通过对火焰形态、温度、浓度以及速度场等的测量，从火焰特性出发可以揭示各参数对富氧燃烧NO_x生成和排放的影响。除了采用常规的火焰特性测试手段外，本文还成功采用激光粒子图像测速技术(PIV)测量了燃烧场的速度分布，获得了火焰中的二维流动特性分布。以上多种先进的研究和测试手法，为本论文的研究提供了丰富和可靠的实验数据。本文摸索的燃烧场PIV测试方法对发展燃烧测试技术也具有很好的借鉴价值。 【关键词】：富氧燃烧 扩散燃烧 对向流火焰 氮氧化物 数值模拟
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-11
• 目录11-15
• 第一章 前言15-21
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.1.1 富氧燃烧15-16
• 1.1.2 NO_x的生成及危害16-17
• 1.2 低NO_x富氧燃烧技术17
• 1.3 本论文的结构17-18
• 参考文献18-21
• 第二章 文献综述21-55
• 2.1 富氧燃烧的经济性与可行性21-27
• 2.1.1 富氧燃烧技术的应用21-22
• 2.1.2 富氧制备技术22-23
• 2.1.3 富氧燃烧技术的能效23-27
• 2.2 富氧燃烧特性及NO_x生成特性27-33
• 2.2.1 富氧燃烧特性27-29
• 2.2.2 富氧燃烧NO_x生成特性29-33
• 2.2.2.1 NO_x生成机理29-31
• 2.2.2.2 富氧燃烧NO_x生成特性31-33
• 2.3 富氧燃烧NO_x抑制方法和应用33-38
• 2.3.1 富氧分段燃烧34-36
• 2.3.2 纯氧燃烧36-37
• 2.3.3 稀释氧气燃烧37-38
• 2.4 射流燃烧NO_x生成研究38-42
• 2.5 NO_x生成特性与机理的数值解析42-46
• 2.5.1 考虑详细化学动力学的NO_x数值模拟42
• 2.5.2 NO_x生成机理简化预测NO_x生成42-43
• 2.5.3 NO_x生成机理与燃烧反应结合预测NO_x生成43-46
• 2.5.3.1 TSL模型43-44
• 2.5.3.2 RNA方法44-46
• 2.6 本论文研究内容和目的46-47
• 参考文献47-55
• 第三章 数值模拟和实验测量方法55-67
• 3.1 对向流燃烧数值模拟方法55-58
• 3.1.1 数值计算模型55
• 3.1.2 基本假设及控制方程55-57
• 3.1.3 边界条件57
• 3.1.4 网格划分和数值解法57
• 3.1.5 反应动力学模型及物性参数选择57-58
• 3.1.6 评价指标58
• 3.2 同轴射流燃烧数值模拟方法58-61
• 3.2.1 数值计算模型58
• 3.2.2 基本假设及控制方程58-60
• 3.2.3 边界条件60
• 3.2.4 网格划分和数值解法60-61
• 3.3 实验测量方法61-65
• 3.3.1 气体采样61
• 3.3.2 浓度测量61-62
• 3.3.3 温度测量62-64
• 3.3.4 气体供给与控制64-65
• 3.3.5 火焰形态65
• 参考文献65-67
• 第四章 燃烧场流动特性的PIV测试技术67-79
• 4.1 PIV在燃烧流场中的应用67
• 4.2 PIV测速原理及流程67-70
• 4.3 实验用PIV系统70-71
• 4.4 PIV图像处理与数据后处理71
• 4.5 测量问题与分析71-76
• 4.5.1 示踪粒子选择与引入71-73
• 4.5.2 火焰与示踪粒子发光73-74
• 4.5.3 光强不对称74-75
• 4.5.4 温度梯度的影响75-76
• 4.6 扩散燃烧流场测量举例76-77
• 4.7 结论77
• 参考文献77-79
• 第五章 甲烷/富氧对向流扩散燃烧火焰结构和NO_x生成79-101
• 5.1 对向流扩散燃烧火焰结构和NO生成特性79-85
• 5.1.1 数值模拟条件79
• 5.1.2 结果与分析79-85
• 5.1.2.1 火焰结构和基元反应的特性79-81
• 5.1.2.2 NO生成特性81-85
• 5.2 CO_2稀释对火焰结构和NO生成的影响85-91
• 5.2.1 数值模拟条件85
• 5.2.2 数值模拟结果与分析85-91
• 5.2.2.1 燃烧特性及火焰结构85-88
• 5.2.2.2 NO生成特性88-90
• 5.2.2.3 NO排放指数EI_(NO)90-91
• 5.3 拉伸率对火焰结构和NO生成的影响91-98
• 5.3.1 数值模拟研究91-93
• 5.3.1.1 数值模拟条件91
• 5.3.1.2 结果与分析91-93
• 5.3.2 实验研究93-98
• 5.3.2.1 实验装置93-95
• 5.3.2.2 实验条件95
• 5.3.2.3 实验结果与分析95-98
• 5.4 小结98-99
• 参考文献99-101
• 第六章 速度差对甲烷/富氧射流扩散火焰燃烧特性和NO_x生成特性的影响101-119
• 6.1 实验装置102-103
• 6.2 燃料与氧化剂速度差对燃烧特性和NO_x生成的影响(一)103-108
• 6.2.1 实验条件103-104
• 6.2.2 结果与分析104-108
• 6.2.2.1 NO_x排放104-106
• 6.2.2.2 温度分布106
• 6.2.2.3 火焰形态106-108
• 6.3 燃料与氧化剂速度差对燃烧特性和NO_x生成的影响(二)108-117
• 6.3.1 实验与数值模拟条件108-109
• 6.3.2 结果与分析109-117
• 6.3.2.1 速度差对NO_x排放指数的影响109-115
• 6.3.2.2 燃料流速对NO_x排放指数的影响115-116
• 6.3.2.3 氧化剂流速对CO排放影响116-117
• 6.4 小结117
• 参考文献117-119
• 第七章 旋流对甲烷/富氧射流扩散火焰燃烧特性和NO_x生成的影响119-131
• 7.1 旋流燃烧喷嘴结构119-120
• 7.2 实验条件120
• 7.3 结果与分析120-128
• 7.3.1 火焰形态120-121
• 7.3.2 可见火焰高度121-123
• 7.3.3 NO_x排放特性123-124
• 7.3.4 火焰的温度分布124-126
• 7.3.5 火焰的速度分布126-128
• 7.3.6 旋流降低火焰NO_x生成的机理讨论128
• 7.4 小结128-129
• 参考文献129-131
• 第八章 结论和建议131-135
• 8.1 本文工作的创新点131-132
• 8.2 本文主要结论132-133
• 8.3 工作展望和建议133-135
• 攻读博士学位期间论文成果发表情况135-137
• 致谢137

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