低氧弥散燃烧物理化学特征及薄壁蓄热摄动解析

论文摘要

(低氧)高温空气燃烧具有火焰峰值温度降低、温度场均匀、氧化烧损减弱和NO_x排放大幅度降低等技术优势,为低品位或低密度能源燃料(如低热值煤气、低热值煤、生物质和城市生活垃圾)利用提供了一种新途径。深入研究这种燃烧过程物理化学特征和薄壁蓄热特性,可提高控制NO_x和CO_x排放和节能水平,促进社会和经济的可持续发展。论文主要内容和结论包括:(1)搭建了“低氧弥散燃烧”新体系。低氧弥散燃烧是一种以燃气自燃为稳定燃烧条件,反应点弥散且燃烧过程延时可控的燃烧。这种燃烧的热力学特征是均匀燃烧放热和单位燃烧空间燃烧放热减小,动力学特征是反应区弥散。可用弥散度和炉温不均匀度衡量弥散性能。空气高速喷入炉内,炉内气流快速切换,燃气和空气从空间或时间上错开喷入,炉外预先部分或全部稀释等措施可强化弥散性能。(2)提出了一种低氧弥散燃烧数值模拟新方法。引用等效比定压热容可减小因装置散热和多原子气体高温离解引起的仿真误差。选用涡耗散燃烧模型进行燃烧模拟时引用等效比定压热容,能获得和实验基本一致的温度分布,能获得“火焰体积大且边界不清晰,温度分布均匀,燃烧放热均匀,单位反应区体积燃烧放热少”等弥散特征。恰当的等效比热容可通过实际燃烧热平衡测试试算获得。(3)数字仿真和热态实验相结合验证了低氧弥散燃烧动力学条件。低氧燃烧火焰能由传统火焰转变到弥散火焰。两种火焰的分界线受到涡耗散燃烧模型速度阈值影响。涡耗散燃烧模型不能精确预测此分界线。空气含氧浓度越低,燃气流量越大或空气过剩系数越高,弥散燃烧最高炉温就越低。(4)提出了一种求解薄壁蓄热过程的摄动解析—数值计算新方法。基于薄壁假设和单参数摄动法,求出了沿气流流动方向弱固体导热条件下蓄热体温度分布一阶摄动解,解析—数值解和实验及纯数值计算吻合良好。研制了一种新型薄壁蓄热过程数字仿真系统。该仿真系统以空气和烟气进口温度和若干操作条件为信息源,迅速计算出气固温度分布变化以适应蓄热体热过程设计和操控需要。可优化设计出满足“低温端不结露、低氧稳燃、运行经济、无大温度应力和以炉内滞留烟气稀释为主建立燃烧低氧条件”要求的切换周期。(5)用摄动法解析研究了薄壁蓄热体温度效率和切换周期变化规律。存在最大温度效率和相应的最佳切换周期。沿气流流动方向固体导热和单位质量固体蓄热能力不影响温度效率峰值和最佳切换周期。空气含氧浓度或通道内周长降低导致温度效率峰值降低。最大温度效率与通道长度成正比,最佳切换周期与间壁厚度成正比。温度效率解析和弥散燃烧工业实验一致,最佳切换周期和高温气化中间实验基本吻合。对于双预热型薄壁蓄热系统,短的切换周期会明显降低运行经济性,并导致热效率峰值推迟出现。烟气流过过渡管道时间越长,切换周期越短,忽略燃气排放损失的热效率误差越大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 高温空气燃烧与低氧弥散燃烧
• 1.1 高温空气燃烧技术产生背景
• 1.2 高温空气燃烧工作原理和技术优势
• 1.3 高温空气燃烧基础研究
• 1.3.1 燃烧模拟和实验
• 1.3.2 薄壁蓄热
• 1.4 高温空气燃烧应用前景分析
• 1.4.1 我国环保与节能现状
• 1.4.2 我国低热值燃料能源利用现状
• 1.5 本研究主要内容
• 1.6 本章小结
• 2 低氧弥散燃烧过程物理化学特征
• 2.1 低氧弥散燃烧基础概念
• 2.2 低氧弥散燃烧热力学特征
• 2.2.1 稳定燃烧机理
• 2.2.2 燃烧温度
• 2.3 低氧弥散燃烧动力学特征
• 2.3.1 Arrihenius燃烧反应速率
• 2.3.2 燃烧分区
• 2.4 弥散性能特征指标
• 2.4.1 弥散度
• 2.4.2 炉温不均匀度
• 2.5 燃烧性能强化
• 2.5.1 燃烧过程速度
• 2.5.2 燃烧功率
• 2.5.3 弥散性能
• 2.6 本章小结
• 3 低氧弥散燃烧数值模拟
• 3.1 有限反应速率燃烧模型
• 3.2 流动、传热与燃烧数学模拟设置
• 3.3 EDM速度系数A对低氧空气燃烧数值模拟影响
• 3.4 燃烧温度对低氧空气燃烧数值模拟影响
• 3.4.1 比定压热容等效系数
• 3.4.2 浓度场与温度场
• 3.4.3 弥散性能指标
• 3.5 EDM速度系数A对低氧弥散燃烧数值模拟影响
• 3.6 低氧弥散燃烧动力学条件
• 3.7 本章小结
• 4 低氧弥散燃烧实验
• 4.1 低氧弥散燃烧实验系统
• 4.1.1 实验系统原理及组成
• 4.1.2 热工参数检测
• 4.2 实验操作与数据整理
• 4.3 低氧弥散燃烧温度均匀性能
• 4.3.1 反应区弥散特征
• 4.3.2 变化EDM速度系数A的燃烧数值模拟准确性
• 4.3.3 引用等效比定压热容的燃烧数值模拟准确性
• 4.4 低氧弥散燃烧动力学条件
• 4.4.1 一氧化碳排放浓度
• 4.4.2 低氧弥散燃烧动力学条件
• 4.5 本章小结
• 5 薄壁蓄热体热过程数学模型及摄动法求解
• 5.1 蓄热过程传热分析
• 5.2 放热过程传热分析
• 5.3 蓄热过程气固温度分布渐近解
• 5.3.1 导热项系数的小参数特征
• 5.3.2 弱导热一阶渐近解
• 5.4 本章小结
• 6 薄壁蓄热体热过程数字仿真系统开发与应用
• 6.1 薄壁蓄热传热数字仿真系统开发
• 6.2 薄壁蓄热解析准确性验证
• 6.2.1 和实验对比
• 6.2.2 与数值计算对比
• 6.3 气固传热过程分析
• 6.3.1 计算参数选取
• 6.3.2 仿真结果及分析
• 6.4 弥散燃烧切换周期优化设计
• 6.4.1 设计约束条件
• 6.4.2 切换周期取值范围
• 6.5 本章小结
• 7 薄壁蓄热体传热特性摄动解析
• 7.1 最佳切换周期
• 7.2 预热空气型薄壁蓄热系统温度效率
• 7.2.1 气体水当量对温度效率影响
• 7.2.2 结构参数对温度效率影响
• 7.2.3 固体热物性参数对温度效率影响
• 7.2.4 薄壁蓄热最大温度效率和最佳切换周期验证
• 7.3 单预热燃气型薄壁蓄热系统热效率
• 7.3.1 热效率
• 7.3.2 热效率分析
• 7.4 双预热型薄壁蓄热系统热效率
• 7.4.1 热效率
• 7.4.2 热效率分析
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间科研业绩
• 致谢