梯度磁场对甲烷层流燃烧时NOX生成特性的研究

【摘要】：近年来随着传统化石燃料的日益枯竭，天然气作为一种新型的清洁燃料在逐步取代化石燃料，并在工业与民用领域内得到了广泛的应用。天然气燃烧过程中产生的NO_X会对生态环境与人类的健康造成严重的威胁。天然气的主要成分是甲烷，所以对甲烷燃烧时NO_X的控制有着重要的意义。目前主要控制NO_X生成的技术在工业领域内取得了有效的应用，而在民用领域内却没有有效的控制燃烧时NO_X生成的技术。本文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，针对不同流量、燃烧器和梯度磁场工况下，对甲烷层流扩散燃烧时NO_X的生成特性的研究。研究能够为采用外加梯度磁场的方法优化燃烧、火焰形状的预测和控制NO_X的生成提供理论基础和技术支撑。 在甲烷层流扩散火焰周围外加梯度磁场时的特殊燃烧条件下，对三种孔径燃烧器和四种流量下火焰尺寸进行分析研究，发现火焰的长度和宽度不仅与燃烧器内径和甲烷流量相关，而且还与梯度磁场的大小有关，火焰的长度与梯度磁场的大小成反比关系，而火焰的宽度与梯度磁场的大小成正比关系，因此可以采用梯度磁场对火焰的形状进行控制，同时对相关燃烧室尺寸的设计有一定的指导作用。 通过梯度磁场对不同工况下甲烷层流扩散火焰温度分布影响的研究发现，由于梯度磁场对火焰周围顺磁性氧气施加顺磁力的作用，氧气会向磁场梯度较大的区域内移动，从而在火焰周围会形成一股向下的氧气气流，这股气流的运动会加速甲烷燃料与空气的混合，并使燃烧产物及时离开反应区从而改善了燃烧条件，促进了甲烷燃料的燃烧。火焰的温度与梯度磁场的大小成正比关系，所以梯度磁场为燃烧条件的优化与燃料的高效燃烧会提供另一有效方法。 进一步对梯度磁场作用下甲烷燃料在不同工况下燃烧时NO_X的生成特性进行分析发现，在磁场梯度较大的区域内，由于梯度磁场的作用使得燃烧时生成NO_X的量降低，并且降低幅度与磁场梯度的大小成正比关系。根据相关理论得知由于梯度磁场对氧气产生的附加流动，使得火焰区OH自由基的浓度升高，OH自由基是一种重要的氧化剂，可以抑制NO的生成，同时也可以直接将NO还原成其他物质，所以梯度磁场可以作为一种新型的控制燃烧过程中NO_X的方法进行有益的探索。