稀释剂对高温高压下合成气层流预混火焰燃烧特性影响研究
发布时间：2020-07-05 19:32
【摘要】：煤气化技术和煤气化整体联合循环(IGCC)是目前发展清洁煤燃烧技术的关键。煤气化产生的合成气的主要组分为H2和CO,以及稀释气体如N2、CO2和H2O等。受制于不同的煤种和气化方法,煤气化产生的合成气组分多变,这为燃烧合成气的燃气轮机燃烧室设计带来困难,影响了合成气的广泛应用。研究不同工况下,特别是更接近实际燃气轮机燃烧室的高温高压工况下的层流火焰燃烧特性,能够为燃气轮机燃烧室设计中提供重要基础参数和设计指导,这一工作具有重要意义。本文的主要内容为研究高温高压下稀释气体(CO2, H2O)对于合成气层流火焰燃烧特性的影响。本文实验是在课题组开发的双腔泄压式球形火焰实验台上完成。通过对实验台密封垫圈、点火电极、加热方式以及泄压装置的改造和完善,目前该实验台能准确测量高压、高温下合成气层流火焰传播速度和马克斯坦长度。本文测量了不同CO2稀释率,不同初始预热温度和环境压力下的H2/CO/CO2/air(O2/He)预混气体的层流火焰传播速度和马克斯坦长度；测量了不同CO2稀释率,不同初始预热温度下的H2/CO/O2/CO2预混气体的层流火焰传播速度和马克斯坦长度。结果表明,CO2稀释能够显著降低层流火焰传播速度,H2/CO/CO2/air(O2/He)预混气体的层流火焰传播速度随CO2稀释近似线性下降。提高CO2的稀释率和压力能够减小火焰的马克斯坦长度,降低火焰的稳定性。在低CO2稀释率下,提高预热温度会减小火焰的马克斯坦长度；在高CO2稀释率下,提高预热温度反而会增大火焰的马克斯坦长度。本文采用文献中给出的三种合成气化学反应机理(Davis, Li和Keromnes机理),结合PREMIX程序对相关实验工况下的合成气燃烧特性进行了数值模拟,结果表明,Davis机理在不同预热温度下获得的结果与本文实验值符合得更好,而Keromnes机理在高压工况下获得的结果与本文实验结果更符合。所有机理在预热温度升高后,如本文的450 K工况下,对层流火焰传播速度的预测结果都与实验结果偏差较大,这表明高预热温度下现有合成气反应机理还需要进一步修正。数值模拟方面,讨论了CO2的辐射重吸收作用对合成气燃烧特性的影响,分析了CO2的化学效应在不同工况下的变化规律。同时也采用数值模拟方法探讨了高压下水蒸气稀释对合成气层流火焰传播速度的影响。这些数值计算结果表明：CO2的辐射重吸收作用能够提高火焰预热区温度,减弱火焰辐射损失同时提高层流火焰传播速度,在高CO2稀释率下CO2的辐射重吸收作用应当考虑。提高CO2的稀释率和压力能够增大CO2的化学效应。在低CO2稀释率下,提高预热温度会降低CO2的化学效应；而在高CO2稀释率下,提高预热温度会增大CO2的化学效应。提高压力后,水蒸气稀释对于合成气层流火焰传播速度的化学促进作用减弱,高压下层流火焰传播速度非单调性变化的峰值向低H2O稀释率方向偏移。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【图文】：
逡逑ＯＰＴ模型和ＡＤＩ模型在图４．１火焰温度分布图所示的在预热区温度十分相近，导致两种模逡逑型计算得到的层流火焰传播速度十分接近。而ＳＮＢＣＫ因为提高了预热区温度，使得该模逡逑型计算得到的层流火焰传播速度明显高于其他模型计算值，并且随着Ｃ0２稀释率的增大，逡逑ＳＮＢＣＫ模型计算值和其他模型计算值差值逐渐增大，送也说明了在高Ｃ0２稀释率下考虑逡逑Ｃ0２福射重吸收效应的必要性。逡逑６０逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦＇逦Ｉ逡逑？逦Ｉ—■－邋ＡＤＩ逦Ｉ逦－逡逑５０－逦卡逦ＯＰＴ逦－逡逑而逦￣ＳＮＢＣＫ逡逑ｆｗ：：逡逑－．逦Ａ逦■逡逑＾逦Ｈ邋／ＣＯ＝１；３，邋ａｉｒ逡逑ｆ邋３Ｄ逦－逦ｐ＝0．ｉ邋ＭＰａ逦—逡逑Ｉ逦■逦Ｖ邋巧邋８Ｋ逡逑Ｉ邋２０逦－逦＊进邋８逦－逡逑１０邋逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦１逦Ｉ逦逡逑０逦１０逦２０逦孤逦４０逡逑Ｃ0２邋ｉｎ邋ｆｕｅｌ邋（％）逡逑图４．３不同福射模型下层流火焰传播速度随Ｃ0２稀释率变化曲线逡逑４．２邋Ｃ0２的化学效应逡逑４．２．１邋Ｃ0２化学效应及数值分析方法逡逑Ｃ化的化学效应对于合成气预混火焰可１＾体现为Ｐｉ’３６’６ｗ：邋（１）直接参与合成气基元反逡逑应，在合成气基元反应中Ｈ２反应产生的自由基如Ｈ、ＯＨ等对于整体反应速率影响十分强逡逑烈。对于ＣＯ氧化的主要反应ｃｏ＋ｏｈ＝ｃ0２＋ｈ较Ｈ２反应慢，在添加Ｃ0２时能够促进该反逡逑应的逆反应，即和火焰中其他基元反应争夺Ｈ，从而抑制其它链分支反应从而最终表现为逡逑降低层流火焰传播速度。（２）邋Ｃ0２还是有效的第Ｈ体
在本节的数值计算中忽略了邋Ｃ0２的福射重吸收效应。逡逑４．２．２邋Ｈ２／ＣＯ／Ｃ0２／ａｉｒ（Ｑ２／Ｈｅ）预混气中邋０0２邋的化学效应逡逑图４．５给出了常温常压下，Ｃ0２稀释率０％￣４０％，Ｈ２／Ｃ０＝１：１，当量比０邋＝邋０．８下，逡逑Ｈ２／ＣＯ／Ｃ0２／ａｉｒ层流火焰传播速度相对变化量随ＣＸ）２稀释率的变化曲线。从图中可Ｗ看出，逡逑Ｃ0２的两种化学效应均减小层流火焰传播速度，同时Ｃ＆的化学效应会随着Ｃ0２稀释率的逡逑增大而显著X棿蟆１冉希
本文编号：2743032
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【图文】：
逡逑ＯＰＴ模型和ＡＤＩ模型在图４．１火焰温度分布图所示的在预热区温度十分相近，导致两种模逡逑型计算得到的层流火焰传播速度十分接近。而ＳＮＢＣＫ因为提高了预热区温度，使得该模逡逑型计算得到的层流火焰传播速度明显高于其他模型计算值，并且随着Ｃ0２稀释率的增大，逡逑ＳＮＢＣＫ模型计算值和其他模型计算值差值逐渐增大，送也说明了在高Ｃ0２稀释率下考虑逡逑Ｃ0２福射重吸收效应的必要性。逡逑６０逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦＇逦Ｉ逡逑？逦Ｉ—■－邋ＡＤＩ逦Ｉ逦－逡逑５０－逦卡逦ＯＰＴ逦－逡逑而逦￣ＳＮＢＣＫ逡逑ｆｗ：：逡逑－．逦Ａ逦■逡逑＾逦Ｈ邋／ＣＯ＝１；３，邋ａｉｒ逡逑ｆ邋３Ｄ逦－逦ｐ＝0．ｉ邋ＭＰａ逦—逡逑Ｉ逦■逦Ｖ邋巧邋８Ｋ逡逑Ｉ邋２０逦－逦＊进邋８逦－逡逑１０邋逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦１逦Ｉ逦逡逑０逦１０逦２０逦孤逦４０逡逑Ｃ0２邋ｉｎ邋ｆｕｅｌ邋（％）逡逑图４．３不同福射模型下层流火焰传播速度随Ｃ0２稀释率变化曲线逡逑４．２邋Ｃ0２的化学效应逡逑４．２．１邋Ｃ0２化学效应及数值分析方法逡逑Ｃ化的化学效应对于合成气预混火焰可１＾体现为Ｐｉ’３６’６ｗ：邋（１）直接参与合成气基元反逡逑应，在合成气基元反应中Ｈ２反应产生的自由基如Ｈ、ＯＨ等对于整体反应速率影响十分强逡逑烈。对于ＣＯ氧化的主要反应ｃｏ＋ｏｈ＝ｃ0２＋ｈ较Ｈ２反应慢，在添加Ｃ0２时能够促进该反逡逑应的逆反应，即和火焰中其他基元反应争夺Ｈ，从而抑制其它链分支反应从而最终表现为逡逑降低层流火焰传播速度。（２）邋Ｃ0２还是有效的第Ｈ体
在本节的数值计算中忽略了邋Ｃ0２的福射重吸收效应。逡逑４．２．２邋Ｈ２／ＣＯ／Ｃ0２／ａｉｒ（Ｑ２／Ｈｅ）预混气中邋０0２邋的化学效应逡逑图４．５给出了常温常压下，Ｃ0２稀释率０％￣４０％，Ｈ２／Ｃ０＝１：１，当量比０邋＝邋０．８下，逡逑Ｈ２／ＣＯ／Ｃ0２／ａｉｒ层流火焰传播速度相对变化量随ＣＸ）２稀释率的变化曲线。从图中可Ｗ看出，逡逑Ｃ0２的两种化学效应均减小层流火焰传播速度，同时Ｃ＆的化学效应会随着Ｃ0２稀释率的逡逑增大而显著X棿蟆１冉希
本文编号：2743032
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