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合成气稀释扩散火焰的实验和数值研究

惠鑫  
【摘要】: 合成气稀释燃烧作为有效地低NO_x燃烧技术,在清洁能源开发和IGCC中有着广泛的应用背景。本文通过实验和数值模拟研究了合成气稀释燃烧的火焰形态,稳定性以及污染物排放特性等方面的内容。其目的在于能够清晰、深入地了解稀释燃烧的机理,掌握其规律,为合成气燃烧技术的开发和应用于IGCC的燃气轮机燃烧室设计提供帮助。 本文在模型燃烧室中实验研究了钝体稳定射流扩散火焰,通过对火焰形态的观测和出口污染物组分的测量,研究了燃料稀释对火焰尺寸、稳定性和污染物排放的影响。研究发现,稀释降低了燃料浓度,使火焰面向燃料侧移动,同时稀释增加了喷嘴出口速度,促进了气流掺混,有利于火焰尺寸的减小。在稳定性方面,当空气流量不变时,最大稀释量随燃料流量的减小(过量空气系数的增大)而增大,随燃料初温的提高和组分中H_2含量的增加而增大。而当固定燃料流量和稀释量后,火焰稳定性不随空气流量的变化而变化。在三种稀释火焰中,H_2O稀释火焰的稳定性相对较好,而CO_2稀释火焰的稳定相对较差。在污染物排放方面,燃料稀释由于只是降低火焰最高温度,可以在有效地降低NO生成的同时,将CO的排放控制在一个较低的水平。此外,用PLIF测得的OH自由基浓度表明OH对火焰温度较为敏感,随火焰温度的降低而降低。 用数值模拟的方法分别研究了射流火焰和对冲扩散火焰。射流火焰的计算结果验证了稀释对火焰温度、烟气停留时问和NO生成的作用,发现稀释通过降低火焰最高温度、减少烟气停留时间、缩小NO生成区域来抑制了NO的生成。在对冲扩散火焰中研究了稀释的化学作用,发现在保持火焰最高温度不变的条件下,稀释剂H_2O通过增加OH自由基是有利于CO氧化的,而稀释剂N_2和CO_2则通过增加N原子和O原子促进了NO的生成。研究表明,O原子可能对NO的生成速率有着极大地促进作用。 通过本文的研究,对稀释扩散火焰的特性有了一个全面、深入的认识。主要研究结果表明,燃料稀释技术可以减小火焰尺寸,有利提高燃烧强度,缩小燃机尺寸。同时较宽的稳定燃烧范围和低污染物排放也使得该技术在未来的燃机开发中有着广泛的应用前景。


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