氫氣和稀釋氣體對甲烷/空氣預(yù)混層流火焰燃燒特性的影響研究

【摘要】：隨著能源短缺和環(huán)境問題形勢的日益嚴峻，提高燃料燃燒效率和降低有害物質(zhì)生成成了燃燒研究的最重要的目標。甲烷是最理想的清潔氣體燃料，但甲烷燃燒速度較低，而氫氣燃燒速度較高，甲烷摻混氫氣燃燒被認為是改善甲烷燃燒效率的有效途徑。稀釋燃燒是當前燃燒研究的另一熱點，因為稀釋氣體的加入，能降低燃燒最高溫度，進而降低NOx污染物生成。本文基于McKenna層流火焰測試，進行了摻混氫氣及稀釋氣體后甲烷/空氣火焰的燃燒特性研究，以期為甲烷氣體燃料的高效利用提供技術(shù)支撐。本文研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下： 1、對摻氫和不摻氫的甲烷/空氣預(yù)混層流火焰進行了實驗研究?；鹧嬖贛cKenna平面火焰燃燒器上穩(wěn)定燃燒。通過熱電偶法測量不同當量比和不同含氫量的火焰軸線溫度。求解火焰質(zhì)量平衡、能量平衡、物料平衡問題。得到了火焰的一些重要性質(zhì)，比如最大火焰溫度、平均溫度、最大放熱率、火焰厚度、反應(yīng)區(qū)厚度和燃燒效率。這些性質(zhì)用于分析摻氫對層流火焰?zhèn)鞑サ挠绊懷芯?。結(jié)果表明，氫氣的存在一定程度上促進了層流火焰的燃燒反應(yīng)。隨著含氫量的增加，最大放熱率和燃燒效率增大，然而火焰平均溫度降低。放熱曲線的分析表明，氫氣的加入對火焰前期放熱影響較大。加入氫氣以后ln(q)對1000/T的變化基本呈線性關(guān)系。 2、對摻稀釋氣體的的甲烷/空氣預(yù)混層流火焰進行了實驗測試，本文使用的稀釋氣體分別為N2和CO2。研究表明，兩種稀釋氣體的加入，都降低了火焰的傳播速率，使得火焰的最大溫度、最大放熱率和燃燒效率降低，火焰厚度和反應(yīng)區(qū)厚度增大。采用一維預(yù)混火焰模型，模擬稀釋氣體對火焰NO、NO2、CO濃度的影響。結(jié)果表明，NO、NO2濃度隨著稀釋含量的增大而減小，而CO的濃度卻增大。另外還得出CO2的稀釋效應(yīng)比N2的大，一方面CO2比N2熱容大，另一方面CO2作為燃燒主要產(chǎn)物，在燃燒過程中參與反應(yīng)，使得反應(yīng)CO+OH CO2+H向左移動，減小了H基濃度，更大程度的阻礙了火焰燃燒。 3、基于測量的火焰溫度，采用GRI-Mech3.0動力學(xué)反應(yīng)機理，對一維層流預(yù)混火焰模型進行模擬。分析了每個放熱貢獻反應(yīng)，結(jié)果表明，隨著氫氣含量的增加，反應(yīng)OH+H2H+H2O在火焰前期貢獻也增大。這是因為氫氣的加入增大了火焰中H基的濃度，加速了火焰?zhèn)鞑?，因此火焰厚度和反?yīng)區(qū)厚度在一定程度上減小。 【關(guān)鍵詞】：氫氣 放熱率 火焰厚度 燃燒效率 氮氧化物
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O643.21
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 緒論9-23
• 1.1 研究背景9-11
• 1.1.1 能源危機9
• 1.1.2 環(huán)境污染9-11
• 1.2 天然氣、氫氣和稀釋氣體的概述11-14
• 1.2.1 天然氣11-12
• 1.2.2 氫氣12-13
• 1.2.3 稀釋氣體13-14
• 1.3 層流預(yù)混火焰特性14-20
• 1.3.1 預(yù)混層流火焰的傳播15-18
• 1.3.2 影響層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヒ蛩?/span>18-20
• 1.4 本文研究內(nèi)容和意義20-23
• 1.4.1 研究內(nèi)容20-21
• 1.4.2 研究意義21-23
• 2 實驗系統(tǒng)和火焰參數(shù)計算23-31
• 2.1 實驗系統(tǒng)23-26
• 2.1.1 實驗裝置介紹23
• 2.1.2 McKenna 平面火焰燃燒器23-24
• 2.1.3 熱電偶24-26
• 2.2 火焰特性參數(shù)的計算26-31
• 2.2.1 當量比26-27
• 2.2.2 含氫量和稀釋比27
• 2.2.3 放熱率27-30
• 2.2.4 反應(yīng)厚度和火焰厚度30-31
• 3 氫氣對甲烷/空氣火焰特性的影響31-47
• 3.1 引言31-32
• 3.2 當量比對甲烷/空氣預(yù)混層流火焰特性影響32-34
• 3.2.1 當量比對火焰溫度的影響32
• 3.2.2 當量比對放熱率的影響32-33
• 3.2.3 當量比對燃燒效率的影響33-34
• 3.3 含氫量對甲烷/空氣火焰特性影響34-45
• 3.3.1 含氫量對甲烷/空氣火焰質(zhì)量流量的影響34-35
• 3.3.2 含氫量對甲烷/空氣火焰溫度的影響35
• 3.3.3 含氫量對甲烷/空氣火焰放熱率的影響35-38
• 3.3.4 氫氣對甲烷/空氣火焰前期影響38-39
• 3.3.5 含氫量對甲烷/空氣火焰厚度和反應(yīng)厚度的影響39-40
• 3.3.6 氫氣對甲烷/空氣火焰機理討論40-44
• 3.3.7 含氫量對火焰燃燒效率影響44-45
• 3.4 本章小結(jié)45-47
• 4 稀釋氣體對甲烷/空氣火焰特性的影響47-77
• 4.1 引言47-48
• 4.2 氮氣對甲烷/空氣火焰特性的影響48-58
• 4.2.1 氮氣對甲烷/空氣火焰溫度的影響48-49
• 4.2.2 氮氣對甲烷/空氣質(zhì)量流量的影響49
• 4.2.3 氮氣對甲烷/空氣放熱率的影響49-54
• 4.2.4 氮氣對甲烷/空氣火焰反應(yīng)厚度和火焰厚度的影響54
• 4.2.5 氮氣對甲烷/空氣火焰燃燒效率的影響54-55
• 4.2.6 氮氣對甲烷/空氣火焰氮氧化物排放影響55-57
• 4.2.7 氮氣對甲烷/空氣火焰一氧化碳排放影響57-58
• 4.3 二氧化碳對甲烷/空氣火焰特性的影響58-68
• 4.3.1 二氧化碳對甲烷/空氣火焰溫度的影響58-59
• 4.3.2 二氧化碳對甲烷/空氣火焰質(zhì)量流量的影響59-60
• 4.3.3 二氧化碳對甲烷/空氣火焰放熱率的影響60-64
• 4.3.4 二氧化碳對甲烷/空氣火焰厚度和反應(yīng)厚度的影響64
• 4.3.5 二氧化碳對甲烷/空氣火焰燃燒效率的影響64-65
• 4.3.6 二氧化碳對甲烷/空氣火焰氮氧化物排放影響65-67
• 4.3.7 二氧化碳對甲烷/空氣火焰一氧化碳排放影響67-68
• 4.4 氮氣和二氧化碳對甲烷/空氣火焰特性影響的比較68-75
• 4.4.1 不同稀釋氣體溫度曲線的比較69
• 4.4.2 不同稀釋氣體放熱率曲線的比較69-72
• 4.4.3 不同稀釋氣體反應(yīng)厚度和火焰厚度的比較72-73
• 4.4.4 不同稀釋氣體燃燒效率的比較73
• 4.4.5 不同稀釋氣體氮氧化物排放的比較73-75
• 4.5 本章小結(jié)75-77
• 5 總結(jié)和展望77-79
• 5.1 全文總結(jié)77-78
• 5.2 展望78-79
• 致謝79-81
• 參考文獻81-87
• 附錄87
• A 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄87

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