O2-H2O條件下CO-H2的層流火焰特性及化學(xué)動(dòng)力學(xué).pdf

1、化石燃料的燃燒帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，開(kāi)發(fā)高效零排放燃燒技術(shù)迫在眉睫，純氧燃燒技術(shù)是目前最具潛力的清潔燃燒技術(shù)之一。為了實(shí)現(xiàn)能源的高效低碳轉(zhuǎn)化，本文提出煤基燃料氧水蒸氣燃燒零排放發(fā)電技術(shù)，即原煤經(jīng)過(guò)氣化或脫灰處理得到合成氣或超凈煤，采用純氧燃燒，在燃燒室中逐級(jí)噴入循環(huán)水形成高溫、高壓、高水蒸氣濃度和高氧濃度的燃燒環(huán)境。產(chǎn)生的高溫高壓的CO2/H2O混合工質(zhì)（H2O約占90％）推動(dòng)多級(jí)先進(jìn)透平做功，排氣冷凝為水和高濃度的CO2，實(shí)現(xiàn)CO2低

2、成本捕集。本文基于煤基燃料氧水蒸氣燃燒的概念，研究了O2/H2O氣氛下CO/H2的層流火焰特性和詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，獲得了不同當(dāng)量比、H2含量、預(yù)熱溫度、水蒸氣含量和壓力下的層流火焰速度和火焰結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，揭示了不同條件對(duì)CO/H2的燃燒過(guò)程和基元反應(yīng)路徑的影響規(guī)律，建立了適用于O2/H2O氣氛下燃燒的詳細(xì)基元反應(yīng)機(jī)理。為高水蒸氣濃度下煤基燃料的高效清潔燃燒提供理論指導(dǎo)，填補(bǔ)了高H2O濃度下富氧燃燒基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空白。
　　本文首先分

3、析了煤基燃料氧水蒸氣燃燒零排放發(fā)電系統(tǒng)的原理并揭示了其主要優(yōu)勢(shì)，即考慮CO2捕集的發(fā)電效率高于50%。研究了燃料化學(xué)能釋放及轉(zhuǎn)化過(guò)程，揭示了該系統(tǒng)中煤基燃料化學(xué)能到工質(zhì)焓直接轉(zhuǎn)化這一關(guān)鍵特性。研究和初步分析了合成氣和超凈煤的在O2/H2O條件下總體燃燒特性，驗(yàn)證了O2/H2O燃燒技術(shù)的可行性，并指出O2/H2O條件下CO/H2的燃燒特性及反應(yīng)機(jī)理是煤基燃料O2/H2O燃燒的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
　　建立了加壓火焰特性激光診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)

4、了對(duì)層流火焰速度和火焰結(jié)構(gòu)的OH-PLIF診斷；采用本生燈面積法計(jì)算了層流火焰速度，與OH*自發(fā)熒光法的差別小于2%，測(cè)量了CO/H2/Air混氣的層流火焰速度，和文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)高度一致，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。采用平焰燃燒器對(duì)OH-PLIF系統(tǒng)OH自由基濃度進(jìn)行了定量標(biāo)定，獲得了定標(biāo)火焰OH濃度和OH-PLIF系統(tǒng)下熒光強(qiáng)度的比例因子。
　　對(duì)于CO/H2在O2/H2O氣氛下的燃燒，已有化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算結(jié)果分散性較大，

5、這些機(jī)理主要基于空氣氣氛燃燒而建立，因此不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)O2/H2O氣氛下的火焰特性，O2/H2O氣氛下的燃燒機(jī)理缺乏。本文采用敏感性分析獲得了O2/H2O氣氛下敏感性較大的基元反應(yīng)，基于不同文獻(xiàn)中最新報(bào)道的單個(gè)基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，特別是H2O作為第三體的三體反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立了適用于O2/H2O氣氛的燃燒反應(yīng)機(jī)理，在不同當(dāng)量比、H2含量、預(yù)熱溫度、水蒸氣含量和壓力下和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了所建機(jī)理的準(zhǔn)確性。
　　已有CO/H2/

6、空氣加濕燃燒的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)，水蒸氣含量較低，無(wú)法直接用于O2/H2O氣氛下，O2/H2O氣氛下CO/H2層流火焰特性數(shù)據(jù)缺乏。本文采用加壓火焰特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了H2O含量為47%時(shí)，不同H2含量（0-50%）、當(dāng)量比（0.6-2.0）和預(yù)熱溫度（400K-573K）下CO/H2的層流火焰速度。采用OH-PLIF方法測(cè)量了本生燈火焰中的溫度和OH濃度分布。隨著當(dāng)量比的增大，層流火焰速度先增大后降低，在當(dāng)量比為1.3時(shí)具有峰值，并且峰

7、值位置不隨H2含量的變化而變化；本生燈火焰中OH的濃度逐漸降低，火焰溫度先升高后降低。
　　隨著H2含量的增加，層流火焰速度先緩慢增加，后快速增加，呈現(xiàn)非線性增加的規(guī)律；本生燈火焰的高度逐漸降低，OH自由基的濃度逐漸增大（自0%H2下0.160mole/m3增大到50%H2下的0.175mole/m3）。低H2含量下，H2O的加入提高了反應(yīng)O+H2O=2OH的速率，進(jìn)而促進(jìn)了CO/H2的燃燒；高H2含量下，反應(yīng)O+H2O=2OH和

8、反應(yīng)O+H2=H+OH互相競(jìng)爭(zhēng)O自由基，對(duì)CO/H2的燃燒具有抑制作用。隨著預(yù)熱溫度的升高，層流火焰速度呈指數(shù)規(guī)律增大，火焰中OH、H、O自由基的峰值濃度逐漸增大。
　　實(shí)驗(yàn)研究了不同H2/CO比率下，水蒸氣含量從0到60%變化時(shí)的層流火焰速度。低H2含量時(shí)，隨著水蒸氣含量的增加，本生燈火焰溫度從2900K逐漸降低到約2500K，火焰中OH的濃度先增大后減小，層流火焰速度先增大后下降；H2含量大于15%時(shí)，隨著水蒸氣含量的增加，層