甲烷/富氧扩散火焰的燃烧特性和NO_x排放的研究

论文摘要

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NOx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NOx的生成比空气燃烧增加4倍以上，即使是氧浓度为99％时，NOx排放也是普通空气燃烧的6倍。NOx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NOx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NOx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NOx生成的空燃比来达到目的，这些思路对于抑制富氧燃烧中NOx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NOx的抑制问题。NOx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NOx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NOx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NOx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NOx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NOx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。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章前言

1.1 研究背景及意义

1.1.1 富氧燃烧

x的生成及危害'>1.1.2 NO_x的生成及危害

x富氧燃烧技术'>1.2 低NO_x富氧燃烧技术

1.3 本论文的结构

参考文献

第二章文献综述

2.1 富氧燃烧的经济性与可行性

2.1.1 富氧燃烧技术的应用

2.1.2 富氧制备技术

2.1.3 富氧燃烧技术的能效

x生成特性'>2.2 富氧燃烧特性及NO_x生成特性

2.2.1 富氧燃烧特性

x生成特性'>2.2.2 富氧燃烧NO_x生成特性

x生成机理'>2.2.2.1 NO_x生成机理

x生成特性'>2.2.2.2 富氧燃烧NO_x生成特性

x抑制方法和应用'>2.3 富氧燃烧NO_x抑制方法和应用

2.3.1 富氧分段燃烧

2.3.2 纯氧燃烧

2.3.3 稀释氧气燃烧

x生成研究'>2.4 射流燃烧NO_x生成研究

x生成特性与机理的数值解析'>2.5 NO_x生成特性与机理的数值解析

x数值模拟'>2.5.1 考虑详细化学动力学的NO_x数值模拟

x生成机理简化预测NO_x生成'>2.5.2 NO_x生成机理简化预测NO_x生成

x生成机理与燃烧反应结合预测NO_x生成'>2.5.3 NO_x生成机理与燃烧反应结合预测NO_x生成

2.5.3.1 TSL模型

2.5.3.2 RNA方法

2.6 本论文研究内容和目的

参考文献

第三章数值模拟和实验测量方法

3.1 对向流燃烧数值模拟方法

3.1.1 数值计算模型

3.1.2 基本假设及控制方程

3.1.3 边界条件

3.1.4 网格划分和数值解法

3.1.5 反应动力学模型及物性参数选择

3.1.6 评价指标

3.2 同轴射流燃烧数值模拟方法

3.2.1 数值计算模型

3.2.2 基本假设及控制方程

3.2.3 边界条件

3.2.4 网格划分和数值解法

3.3 实验测量方法

3.3.1 气体采样

3.3.2 浓度测量

3.3.3 温度测量

3.3.4 气体供给与控制

3.3.5 火焰形态

参考文献

第四章燃烧场流动特性的PIV测试技术

4.1 PIV在燃烧流场中的应用

4.2 PIV测速原理及流程

4.3 实验用PIV系统

4.4 PIV图像处理与数据后处理

4.5 测量问题与分析

4.5.1 示踪粒子选择与引入

4.5.2 火焰与示踪粒子发光

4.5.3 光强不对称

4.5.4 温度梯度的影响

4.6 扩散燃烧流场测量举例

4.7 结论

参考文献

x生成'>第五章甲烷/富氧对向流扩散燃烧火焰结构和NO_x生成

5.1 对向流扩散燃烧火焰结构和NO生成特性

5.1.1 数值模拟条件

5.1.2 结果与分析

5.1.2.1 火焰结构和基元反应的特性

5.1.2.2 NO生成特性

2稀释对火焰结构和NO生成的影响'>5.2 CO₂稀释对火焰结构和NO生成的影响

5.2.1 数值模拟条件

5.2.2 数值模拟结果与分析

5.2.2.1 燃烧特性及火焰结构

5.2.2.2 NO生成特性

NO'>5.2.2.3 NO排放指数EI_NO

5.3 拉伸率对火焰结构和NO生成的影响

5.3.1 数值模拟研究

5.3.1.1 数值模拟条件

5.3.1.2 结果与分析

5.3.2 实验研究

5.3.2.1 实验装置

5.3.2.2 实验条件

5.3.2.3 实验结果与分析

5.4 小结

参考文献

x生成特性的影响'>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

6.1 实验装置

x生成的影响（一）'>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）

6.2.1 实验条件

6.2.2 结果与分析

x排放'>6.2.2.1 NO_x排放

6.2.2.2 温度分布

6.2.2.3 火焰形态

x生成的影响（二）'>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）

6.3.1 实验与数值模拟条件

6.3.2 结果与分析

x排放指数的影响'>6.3.2.1 速度差对NO_x排放指数的影响

x排放指数的影响'>6.3.2.2 燃料流速对NO_x排放指数的影响

6.3.2.3 氧化剂流速对CO排放影响

6.4 小结

参考文献

x生成的影响'>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

7.1 旋流燃烧喷嘴结构

7.2 实验条件

7.3 结果与分析

7.3.1 火焰形态

7.3.2 可见火焰高度

x排放特性'>7.3.3 NO_x排放特性

7.3.4 火焰的温度分布

7.3.5 火焰的速度分布

x生成的机理讨论'>7.3.6 旋流降低火焰NO_x生成的机理讨论

7.4 小结

参考文献

第八章结论和建议

8.1 本文工作的创新点

8.2 本文主要结论

8.3 工作展望和建议

攻读博士学位期间论文成果发表情况

致谢

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