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气体引射式无焰燃烧的数值模拟和实验研究

俞瑜  
【摘要】: 引射式无焰燃烧是一种由燃烧器和燃烧室内部结构结合产生的非催化无焰燃烧方式,具有无焰燃烧高效低污染物排放的特点。本文以引射式无焰燃烧为研究对象,结合理论分析、数值模拟和实验研究,研究其热力学、流体力学和化学反应动力学的内在规律,分析引射式无焰燃烧形成、稳定的临界条件和污染物排放的影响因素,为这种燃烧方式的数值模拟和实验研究建立理论依据和数据参考,从而为无焰燃烧技术的发展和应用提供基础。 首先搭建了包含了甲烷、氢气、氧气及空气及压缩空气的反应流体公用测试平台,可以对气态燃料和氧化剂的流量进行实时的控制和检测,对CO、UHC、NOx等污染物排放进行检测。引射式无焰燃烧实验平台由实验供气系统、燃烧器以及测试系统构成。且自行设计的无焰燃烧实验炉和燃烧器可以通过燃料和氧气输送管同供气系统连接。 其次,建立了引射式无焰燃烧的热力学分析模型。使用了CHEMKIN程序包的热力学数据,并采用基于显焓分析的方法,对工作在无焰燃烧模式的临界条件和甲烷/空气引射式无焰燃烧过程进行了热力学分析。计算了甲烷/空气引射式无焰燃烧时的混合过程的焓值变化并探讨了混合物温度和再循环率对燃烧模式的影响。分析了燃烧和内部换热过程带来的不同再循环率下的混合物温度变化。评价了甲烷和空气完全燃烧时在不同再循环率条件下工作在无焰燃烧模式的最大外部取热。并计算了火用效率随烟气温度和再循环率的变化曲线。 再次,使用丙酮平面激光诱导荧光(PLIF, planar laser induced fluorescence)研究了用于预热过程的低旋流部分预混燃烧器出口混合特征。对自由射流出口二维瞬时径向和轴向密度场进行了测量,并分析了两种驱动压力下燃烧器出口的丙酮PLIF图像。结果表明,在弱驱动压力(0.2MPa)下,轴向射流扩张角较小,径向射流拓展到1/3半径处;在强驱动压力(0.4MPa)下轴向射流扩张角增大,下游区域的密度分布不均匀性减小,径向射流可拓展到整个半径处。实验观察到的射流边界的涡破碎结构同其他研究结果接近。同时还搭建了尺度缩小的无焰燃烧预热燃烧器的供气、标定及测试系统实验平台,使用恒温热线风速仪对燃烧器出口冷态流场进行了测量,研究了无焰氧化预热燃烧器出口的流动特性。结果表明,不同空燃比时燃烧器出口中心二维截面轴向速度呈马鞍型分布,改变空气流量时出口轴向速度梯度相近,且冷态时轴向射流速度边界同热态相似,为无焰氧化炉内流场的数值模拟和实验研究提供了数据参考。 而后,基于Fluent程序包对引射式无焰燃烧反应器进行了数值模拟。讨论了不同湍流燃烧模型对无焰燃烧特性的模拟。并分析了添加反应器、射流工况、反应器中的氧浓度分布等引射式无焰燃烧反应器的热态特性。并对不同模型的温度计算结果进行了比较,探讨了不同模型对轴向中心温度计算结果的模拟。 最后,分析了用于抑制热力型NOx生成的含氢气体燃料无焰燃烧的化学反应动力学模型。使用PSRN模型结合GRI对四种H2/CH4混合物及纯氢的无焰燃烧进行模拟。结果显示NOx污染物低于30ppmv,而CO排放低于50ppmv,同四种燃料的“清洁无焰燃烧”的实验数据相一致。模拟还揭示当氢组分从40%增加到100%时,CO从48ppmv降低到接近O排放,但氮氧化合物受氢含量影响不大,而且在高度稀释时NOx和CO几乎不受再循环率影响。


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