甲烷/富氧擴(kuò)散火焰的燃燒特性和NO_x排放的研究

【摘要】：富氧燃燒具有很多優(yōu)點，如提高熱效率、提高處理速率、減少煙塵排放、減小裝置尺寸等，是一種高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，在冶煉、玻璃制造這些需要高溫工況的行業(yè)已有大量應(yīng)用，近來，作為助燃技術(shù)在垃圾焚燒、鍋爐助燃、陶瓷窯爐上的應(yīng)用也取得了很大的進(jìn)展。但是，富氧火焰的高溫化會引起NO_x生成大幅度增加，根據(jù)富氧擴(kuò)散燃燒的數(shù)值計算預(yù)測，30％-40％的富氧空氣時NO_x的生成比空氣燃燒增加4倍以上，即使是氧濃度為99％時，NO_x排放也是普通空氣燃燒的6倍。NO_x是主要大氣污染物之一，在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的今天，它的大量產(chǎn)生制約了富氧燃燒技術(shù)進(jìn)入更多的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，高溫富氧燃燒過程的NO_x生成特性以及抑制方法的研究對于富氧燃燒的推廣應(yīng)用有重要意義。 目前用來降低燃燒NO_x排放的方法如分段燃燒、煙氣再循環(huán)或噴射水蒸氣等多是以降低火焰溫度或避開利于NO_x生成的空燃比來達(dá)到目的，這些思路對于抑制富氧燃燒中NO_x生成有很大的參考價值。但是，富氧燃燒最大的優(yōu)點在于其高燃燒效率和高溫火焰的形成，因此，必須針對富氧燃燒的特點來研究其NO_x的抑制問題。NO_x的生成機理分為熱力型、快速型和燃料型，針對不同的氮氧化物生成機理，采用的抑制方法不同，本研究采用了包含氮氧化物生成的詳細(xì)基元反應(yīng)動力學(xué)模型的數(shù)值解析方法和燃燒實驗研究方法，對甲烷／富氧擴(kuò)散火焰燃燒特性和NO_x生成特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在此基礎(chǔ)上提出了針對富氧燃燒的低NO_x技術(shù)。 本文的數(shù)值研究采用詳細(xì)反應(yīng)動力學(xué)模型，通過解析溫度、熱釋放率的空間分布可以了解富氧火焰的空間構(gòu)成，通過解析與NO_x生成相關(guān)的重要組分和重要反應(yīng)在火焰中的分布可以準(zhǔn)確把握富氧NO_x生成機理；實驗研究通過對火焰形態(tài)、溫度、濃度以及速度場等的測量，從火焰特性出發(fā)可以揭示各參數(shù)對富氧燃燒NO_x生成和排放的影響。除了采用常規(guī)的火焰特性測試手段外，本文還成功采用激光粒子圖像測速技術(shù)(PIV)測量了燃燒場的速度分布，獲得了火焰中的二維流動特性分布。以上多種先進(jìn)的研究和測試手法，為本論文的研究提供了豐富和可靠的實驗數(shù)據(jù)。本文摸索的燃燒場PIV測試方法對發(fā)展燃燒測試技術(shù)也具有很好的借鑒價值。 【關(guān)鍵詞】：富氧燃燒 擴(kuò)散燃燒 對向流火焰 氮氧化物 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-11
• 目錄11-15
• 第一章 前言15-21
• 1.1 研究背景及意義15-17
• 1.1.1 富氧燃燒15-16
• 1.1.2 NO_x的生成及危害16-17
• 1.2 低NO_x富氧燃燒技術(shù)17
• 1.3 本論文的結(jié)構(gòu)17-18
• 參考文獻(xiàn)18-21
• 第二章 文獻(xiàn)綜述21-55
• 2.1 富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)性與可行性21-27
• 2.1.1 富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用21-22
• 2.1.2 富氧制備技術(shù)22-23
• 2.1.3 富氧燃燒技術(shù)的能效23-27
• 2.2 富氧燃燒特性及NO_x生成特性27-33
• 2.2.1 富氧燃燒特性27-29
• 2.2.2 富氧燃燒NO_x生成特性29-33
• 2.2.2.1 NO_x生成機理29-31
• 2.2.2.2 富氧燃燒NO_x生成特性31-33
• 2.3 富氧燃燒NO_x抑制方法和應(yīng)用33-38
• 2.3.1 富氧分段燃燒34-36
• 2.3.2 純氧燃燒36-37
• 2.3.3 稀釋氧氣燃燒37-38
• 2.4 射流燃燒NO_x生成研究38-42
• 2.5 NO_x生成特性與機理的數(shù)值解析42-46
• 2.5.1 考慮詳細(xì)化學(xué)動力學(xué)的NO_x數(shù)值模擬42
• 2.5.2 NO_x生成機理簡化預(yù)測NO_x生成42-43
• 2.5.3 NO_x生成機理與燃燒反應(yīng)結(jié)合預(yù)測NO_x生成43-46
• 2.5.3.1 TSL模型43-44
• 2.5.3.2 RNA方法44-46
• 2.6 本論文研究內(nèi)容和目的46-47
• 參考文獻(xiàn)47-55
• 第三章 數(shù)值模擬和實驗測量方法55-67
• 3.1 對向流燃燒數(shù)值模擬方法55-58
• 3.1.1 數(shù)值計算模型55
• 3.1.2 基本假設(shè)及控制方程55-57
• 3.1.3 邊界條件57
• 3.1.4 網(wǎng)格劃分和數(shù)值解法57
• 3.1.5 反應(yīng)動力學(xué)模型及物性參數(shù)選擇57-58
• 3.1.6 評價指標(biāo)58
• 3.2 同軸射流燃燒數(shù)值模擬方法58-61
• 3.2.1 數(shù)值計算模型58
• 3.2.2 基本假設(shè)及控制方程58-60
• 3.2.3 邊界條件60
• 3.2.4 網(wǎng)格劃分和數(shù)值解法60-61
• 3.3 實驗測量方法61-65
• 3.3.1 氣體采樣61
• 3.3.2 濃度測量61-62
• 3.3.3 溫度測量62-64
• 3.3.4 氣體供給與控制64-65
• 3.3.5 火焰形態(tài)65
• 參考文獻(xiàn)65-67
• 第四章 燃燒場流動特性的PIV測試技術(shù)67-79
• 4.1 PIV在燃燒流場中的應(yīng)用67
• 4.2 PIV測速原理及流程67-70
• 4.3 實驗用PIV系統(tǒng)70-71
• 4.4 PIV圖像處理與數(shù)據(jù)后處理71
• 4.5 測量問題與分析71-76
• 4.5.1 示蹤粒子選擇與引入71-73
• 4.5.2 火焰與示蹤粒子發(fā)光73-74
• 4.5.3 光強不對稱74-75
• 4.5.4 溫度梯度的影響75-76
• 4.6 擴(kuò)散燃燒流場測量舉例76-77
• 4.7 結(jié)論77
• 參考文獻(xiàn)77-79
• 第五章 甲烷/富氧對向流擴(kuò)散燃燒火焰結(jié)構(gòu)和NO_x生成79-101
• 5.1 對向流擴(kuò)散燃燒火焰結(jié)構(gòu)和NO生成特性79-85
• 5.1.1 數(shù)值模擬條件79
• 5.1.2 結(jié)果與分析79-85
• 5.1.2.1 火焰結(jié)構(gòu)和基元反應(yīng)的特性79-81
• 5.1.2.2 NO生成特性81-85
• 5.2 CO_2稀釋對火焰結(jié)構(gòu)和NO生成的影響85-91
• 5.2.1 數(shù)值模擬條件85
• 5.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析85-91
• 5.2.2.1 燃燒特性及火焰結(jié)構(gòu)85-88
• 5.2.2.2 NO生成特性88-90
• 5.2.2.3 NO排放指數(shù)EI_(NO)90-91
• 5.3 拉伸率對火焰結(jié)構(gòu)和NO生成的影響91-98
• 5.3.1 數(shù)值模擬研究91-93
• 5.3.1.1 數(shù)值模擬條件91
• 5.3.1.2 結(jié)果與分析91-93
• 5.3.2 實驗研究93-98
• 5.3.2.1 實驗裝置93-95
• 5.3.2.2 實驗條件95
• 5.3.2.3 實驗結(jié)果與分析95-98
• 5.4 小結(jié)98-99
• 參考文獻(xiàn)99-101
• 第六章 速度差對甲烷/富氧射流擴(kuò)散火焰燃燒特性和NO_x生成特性的影響101-119
• 6.1 實驗裝置102-103
• 6.2 燃料與氧化劑速度差對燃燒特性和NO_x生成的影響(一)103-108
• 6.2.1 實驗條件103-104
• 6.2.2 結(jié)果與分析104-108
• 6.2.2.1 NO_x排放104-106
• 6.2.2.2 溫度分布106
• 6.2.2.3 火焰形態(tài)106-108
• 6.3 燃料與氧化劑速度差對燃燒特性和NO_x生成的影響(二)108-117
• 6.3.1 實驗與數(shù)值模擬條件108-109
• 6.3.2 結(jié)果與分析109-117
• 6.3.2.1 速度差對NO_x排放指數(shù)的影響109-115
• 6.3.2.2 燃料流速對NO_x排放指數(shù)的影響115-116
• 6.3.2.3 氧化劑流速對CO排放影響116-117
• 6.4 小結(jié)117
• 參考文獻(xiàn)117-119
• 第七章 旋流對甲烷/富氧射流擴(kuò)散火焰燃燒特性和NO_x生成的影響119-131
• 7.1 旋流燃燒噴嘴結(jié)構(gòu)119-120
• 7.2 實驗條件120
• 7.3 結(jié)果與分析120-128
• 7.3.1 火焰形態(tài)120-121
• 7.3.2 可見火焰高度121-123
• 7.3.3 NO_x排放特性123-124
• 7.3.4 火焰的溫度分布124-126
• 7.3.5 火焰的速度分布126-128
• 7.3.6 旋流降低火焰NO_x生成的機理討論128
• 7.4 小結(jié)128-129
• 參考文獻(xiàn)129-131
• 第八章 結(jié)論和建議131-135
• 8.1 本文工作的創(chuàng)新點131-132
• 8.2 本文主要結(jié)論132-133
• 8.3 工作展望和建議133-135
• 攻讀博士學(xué)位期間論文成果發(fā)表情況135-137
• 致謝137

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