氣體引射式無焰燃燒的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、引射式無焰燃燒是一種由燃燒器和燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)合產(chǎn)生的非催化無焰燃燒方式，具有無焰燃燒高效低污染物排放的特點。本文以引射式無焰燃燒為研究對象，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究，研究其熱力學、流體力學和化學反應動力學的內(nèi)在規(guī)律，分析引射式無焰燃燒形成、穩(wěn)定的臨界條件和污染物排放的影響因素，為這種燃燒方式的數(shù)值模擬和實驗研究建立理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考，從而為無焰燃燒技術(shù)的發(fā)展和應用提供基礎(chǔ)。
　　 首先搭建了包含了甲烷、氫氣、氧氣及空氣

2、及壓縮空氣的反應流體公用測試平臺，可以對氣態(tài)燃料和氧化劑的流量進行實時的控制和檢測，對CO、UHC、NOx等污染物排放進行檢測。引射式無焰燃燒實驗平臺由實驗供氣系統(tǒng)、燃燒器以及測試系統(tǒng)構(gòu)成。且自行設(shè)計的無焰燃燒實驗爐和燃燒器可以通過燃料和氧氣輸送管同供氣系統(tǒng)連接。
　　 其次，建立了引射式無焰燃燒的熱力學分析模型。使用了CHEMKIN程序包的熱力學數(shù)據(jù)，并采用基于顯焓分析的方法，對工作在無焰燃燒模式的臨界條件和甲烷/空氣引射式無

3、焰燃燒過程進行了熱力學分析。計算了甲烷/空氣引射式無焰燃燒時的混合過程的焓值變化并探討了混合物溫度和再循環(huán)率對燃燒模式的影響。分析了燃燒和內(nèi)部換熱過程帶來的不同再循環(huán)率下的混合物溫度變化。評價了甲烷和空氣完全燃燒時在不同再循環(huán)率條件下工作在無焰燃燒模式的最大外部取熱。并計算了火用效率隨煙氣溫度和再循環(huán)率的變化曲線。
　　 再次，使用丙酮平面激光誘導熒光(PLIF，planar laser inducedfluorescence)

4、研究了用于預熱過程的低旋流部分預混燃燒器出口混合特征。對自由射流出口二維瞬時徑向和軸向密度場進行了測量，并分析了兩種驅(qū)動壓力下燃燒器出口的丙酮PLIF圖像。結(jié)果表明，在弱驅(qū)動壓力(0.2MPa)下，軸向射流擴張角較小，徑向射流拓展到1/3半徑處；在強驅(qū)動壓力(0.4MPa)下軸向射流擴張角增大，下游區(qū)域的密度分布不均勻性減小，徑向射流可拓展到整個半徑處。實驗觀察到的射流邊界的渦破碎結(jié)構(gòu)同其他研究結(jié)果接近。同時還搭建了尺度縮小的無焰燃燒預

5、熱燃燒器的供氣、標定及測試系統(tǒng)實驗平臺，使用恒溫熱線風速儀對燃燒器出口冷態(tài)流場進行了測量，研究了無焰氧化預熱燃燒器出口的流動特性。結(jié)果表明，不同空燃比時燃燒器出口中心二維截面軸向速度呈馬鞍型分布，改變空氣流量時出口軸向速度梯度相近，且冷態(tài)時軸向射流速度邊界同熱態(tài)相似，為無焰氧化爐內(nèi)流場的數(shù)值模擬和實驗研究提供了數(shù)據(jù)參考。
　　 而后，基于Fluent程序包對引射式無焰燃燒反應器進行了數(shù)值模擬。討論了不同湍流燃燒模型對無焰燃燒特性

6、的模擬。并分析了添加反應器、射流工況、反應器中的氧濃度分布等引射式無焰燃燒反應器的熱態(tài)特性。并對不同模型的溫度計算結(jié)果進行了比較，探討了不同模型對軸向中心溫度計算結(jié)果的模擬。
　　 最后，分析了用于抑制熱力型NOx生成的含氫氣體燃料無焰燃燒的化學反應動力學模型。使用PSRN模型結(jié)合GRI對四種H2/CH4混合物及純氫的無焰燃燒進行模擬。結(jié)果顯示NOx污染物低于30ppmv，而CO排放低于50ppmv，同四種燃料的“清潔無焰燃燒”