二甲醚火焰燃烧特性及工程应用的研究

发布时间：2017-08-24 07:31

  本文关键词：二甲醚火焰燃烧特性及工程应用的研究

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【摘要】：我国90%的工业锅炉采用煤炭作为燃料,使得燃煤工业锅炉的污染问题尤为突出,成为我国大气污染物的主要来源之一。实践证明,基于我国丰富的煤炭资源,发展煤化工产业,将其转化为清洁燃料,不仅是实现煤炭清洁利用的有效途径,也能减少我国油气资源的进口量、确保国家能源安全。二甲醚(DME,CH3OCH3)便是一种可从煤炭高效、大规模制取的清洁替代燃料,被国家发改委认定为唯一的理想清洁替代能源,可替代部分LPG和柴油等传统燃料。目前,DME主要被应用于压燃式内燃机,国内外对此做过较系统全面的研究;而对于DME在工业锅炉和窑炉等设备内的燃烧特性和工业应用,国内外的相关研究则很少。本文提出将DME应用于工业锅炉,以解决它的环境污染问题,同时消耗国内DME的过剩产能。工业锅炉内的火焰按燃烧方式,可分为预混火焰和扩散火焰两种。本文对DME/空气射流扩散火焰的基础燃烧特性进行研究,包括:火焰几何尺寸、稳定性、NOx和CO的排放特性、热辐射特性。此外,还设计搭建了一台中规模清洁燃气燃烧试验台,在国内外首次对DME在工业锅炉内所形成的预混火焰的燃烧特性进行研究,包括:水冷炉胆内DME预混火焰的燃烧、流动及反应区大小特性、NOx和CO的排放特性、DME燃烧产物纵掠高温烟管和横掠对流管束的传热特性。研究结果多被整理成具有实用价值的经验关联式和计算方法,对DME工业锅炉和窑炉的设计和运行具有较好的参考价值。主要研究内容和创新点如下:①对DME/空气射流扩散火焰的几何尺寸和火焰稳定性进行试验研究,得到其火焰长度、直径和体积的经验关联式和吹熄极限。同时,将DME射流扩散火焰的上述特性和天然气、LPG的进行对比,为DME工业锅炉的设计运行或对天然气和LPG锅炉进行改造、以改烧DME,提供参考依据。此外,还推导出射流扩散火焰几何尺寸的相似解析解,提出一种新型、预测精度更高、合理性更好的射流扩散火焰无量纲长度、直径和体积的关联式形式。②通过试验,测试DME/空气射流扩散火焰内部NOx和CO的分布特性及其排放因子,分析燃料射流速度和伴流空气速度对NOx和CO排放因子的影响。同时,采用CFD-CRN方法、反应路径分析和灵敏度分析方法,并结合DME的详细反应机理,研究DME射流扩散火焰不同区域内含N组分之间的转化关系、NOx的反应速率特性、及NOx的反应机理和路径,阐明了DME射流扩散火焰内污染物的生成和排放机制,为制定合理的污染物减排措施提供依据。③通过试验,测试和分析DME/空气射流扩散火焰的热辐射特性,最终得到DME射流扩散火焰辐射分数关于喷嘴内径df、燃料射流雷诺数Ref及伴流空气速度uco的经验关联式,并提出计算火焰外围辐射热流密度的公式和方法。研究结果可为DME非预混射流燃烧系统中辐射受热面的设计计算提供参考。④在清洁燃气燃烧试验台上,在国内外首次对不同过量空气系数α和燃烧负荷Q条件下,DME在水冷炉胆内所形成的预混火焰的温度和组分分布进行了测试;分析了炉内DME火焰的燃烧、流动、传热传质等基础特性,并探究了α和Q对火焰特性的影响。采用数值方法,研究了水冷炉胆内DME预混火焰的火焰结构及反应区大小特性,得到具有工业应用价值的、估算DME/空气预混气的平均反应速率、反应区体积及长度的公式和方法。⑤首次通过试验,测试不同α和Q条件下,水冷炉胆内DME预混火焰中NOx和CO的分布特性和排放因子,分析α和Q对污染物排放因子的影响。同时,采用CFD-CRN方法、反应路径和灵敏度分析方法,研究DME在水冷炉胆内预混燃烧的过程中,炉胆不同区域内NOx的反应机理及路径。最后,获得了DME工业锅炉减排污染物的最佳运行工况参数和炉膛尺寸的优化设计方法。⑥在清洁燃气燃烧试验系统的对流换热段上,分别对DME燃烧产物纵掠高温烟管和横掠对流管束的传热特性进行试验研究,首次得到相应的Nu数的计算关联式。所得结果可为DME工业锅炉和窑炉中、高温烟管和对流管束受热面的热力计算提供参考。
【关键词】：二甲醚 工业锅炉 窑炉 燃烧特性 工程应用
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK221
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 符号说明12-21
• 1 绪论21-39
• 1.1 我国能源现状21-23
• 1.2 我国燃煤工业锅炉的发展概况及存在的主要问题23-24
• 1.3 DME的基本理化性质及制取工艺24-27
• 1.3.1 DME的基本理化性质24-26
• 1.3.2 DME的制取工艺26-27
• 1.4 DME燃烧特性与工程应用的国内外研究现状27-35
• 1.4.1 DME基础燃烧特性的研究现状27-30
• 1.4.2 DME在内燃机、燃气轮机等领域的应用研究现状30-32
• 1.4.3 DME在工业锅炉和窑炉领域的应用研究现状32-35
• 1.5 本文的主要研究内容及创新点35-39
• 1.5.1 本课题需研究的主要问题35-37
• 1.5.2 本文的主要研究内容37-38
• 1.5.3 本文的主要创新点38-39
• 2 DME、天然气、LPG射流扩散火焰几何尺寸及火焰稳定性的试验和理论研究39-67
• 2.1 研究目的及意义39-40
• 2.2 试验研究概况40-45
• 2.2.1 试验系统简介40-41
• 2.2.2 试验方法和工况参数41-45
• 2.3 结果和讨论45-65
• 2.3.1 DME、天然气、LPG射流扩散火焰流动特性的对比分析45-51
• 2.3.2 DME、天然气、LPG射流扩散火焰的吹熄极限51-52
• 2.3.3 DME、天然气、LPG射流扩散火焰的长度和直径特性52-54
• 2.3.4 射流扩散火焰的长度、直径及体积的解析解54-60
• 2.3.5 DME、天然气、LPG射流扩散火焰的无量纲火焰长度、直径、体积的经验关联式60-65
• 2.4 本章小结65-67
• 3 DME射流扩散火焰中NOx和CO排放特性的试验和数值模拟研究67-101
• 3.1 前言67-70
• 3.2 试验研究概况70-72
• 3.2.1 试验系统简介70
• 3.2.2 试验方法和工况参数70-72
• 3.3 CFD模拟72-76
• 3.3.1 数学模型及边界条件72-75
• 3.3.2 CFD计算结果的验证75-76
• 3.4 CRN模拟76-85
• 3.4.1 CRN的构建77-79
• 3.4.2 CRN的求解79-81
• 3.4.3 CRN预测结果的对比验证81-85
• 3.5 结果和讨论85-100
• 3.5.1 DME射流扩散火焰中NOx和CO的浓度分布特性85
• 3.5.2 DME射流扩散火焰的NOx和CO排放因子85-87
• 3.5.3 DME射流扩散火焰内部NOx组分浓度及反应速率的分布特性87-91
• 3.5.4 DME射流扩散火焰内部NOx的反应路径分析91-99
• 3.5.5 灵敏度分析99-100
• 3.6 本章小结100-101
• 4 DME/空气射流扩散火焰热辐射特性的试验研究101-119
• 4.1 前言101
• 4.2 试验研究概况101-107
• 4.2.1 试验系统简介101-102
• 4.2.2 试验方法及工况参数102-104
• 4.2.3 点源辐射模型104-107
• 4.3 结果和讨论107-116
• 4.3.1 DME射流扩散火焰的长度和直径特性107-110
• 4.3.2 DME射流扩散火焰的辐射分数 χR110-113
• 4.3.3 DME射流扩散火焰外围辐射热流密度的分布特性113-116
• 4.4 本章小结116-119
• 5 DME在水冷炉胆内燃烧、流动及反应区大小特性的试验和数值模拟研究119-145
• 5.1 前言119-122
• 5.2 试验研究概况122-127
• 5.2.1 试验系统简介122-126
• 5.2.2 试验方法及工况参数126-127
• 5.3 数值模拟127-133
• 5.3.1 数学模型127-130
• 5.3.2 模拟详情130-132
• 5.3.3 计算结果的验证132-133
• 5.4 结果和讨论133-143
• 5.4.1 炉内温度分布特性133-137
• 5.4.2 炉内O2和CO2的分布特性137-140
• 5.4.3 DME/空气预混火焰的反应区大小特性140-143
• 5.5 本章小结143-145
• 6 DME在水冷炉胆内NOx和CO排放特性的研究145-165
• 6.1 前言145
• 6.2 试验研究概况145-146
• 6.3 CFD模拟146
• 6.4 CRN模拟146-150
• 6.4.1 CRN的构建146-147
• 6.4.2 CRN的求解147-150
• 6.4.3 CRN预测结果的验证150
• 6.5 结果和讨论150-163
• 6.5.1 炉内污染物浓度的分布特性150-155
• 6.5.2 反应路径分析155-160
• 6.5.3 DME/空气预混火焰中污染物的排放因子160-163
• 6.6 本章小结163-165
• 7 DME燃烧产物纵掠高温烟管和横掠对流管束的传热特性研究165-173
• 7.1 前言165
• 7.2 试验研究概况165-167
• 7.2.1 烟管对流传热特性试验165-166
• 7.2.2 对流管束传热特性试验166-167
• 7.3 烟气纵掠高温烟管和横掠对流管束的对流传热系数计算方法167-170
• 7.4 结果和讨论170-172
• 7.5 本章小结172-173
• 8 结论与展望173-181
• 8.1 主要结论173-178
• 8.1.1 DME、天然气、LPG 射流扩散火焰几何尺寸及稳定性的试验和理论研究173-174
• 8.1.2 DME 射流扩散火焰中 NOx 和 CO 排放特性的试验和数值模拟研究174-175
• 8.1.3 DME/空气射流扩散火焰热辐射特性的试验研究175-176
• 8.1.4 DME在水冷炉胆内燃烧、流动及反应区大小特性的试验和数值模拟研究176-177
• 8.1.5 DME在水冷炉胆内NOx和CO排放特性的研究177-178
• 8.1.6 DME燃烧产物纵掠高温烟管和横掠对流管束的传热特性研究178
• 8.2 后续研究展望178-181
• 致谢181-183
• 参考文献183-199
• 附录199-200
• A 作者在攻读博士学位期间发表的论文199
• B 作者在攻读博士学位期间申报的专利199-200
• C 已投稿的论文200
• D 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目200

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 赵黛青;曾涛;蒋利桥;汪小憨;杨卫斌;曾小军;;二甲醚燃烧的甲醛生成特性实验研究[J];环境工程学报;2008年03期

2 吴江涛,刘志刚,潘江;二甲醚热物理性质的研究[J];西安交通大学学报;2004年11期

3 汪和平;朱庆霞;周露亮;李世刚;赖日东;胡岗龙;;梭式窑中二甲醚富氧燃烧的研究初探[J];中国陶瓷;2012年07期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 张辉亚;二甲醚喷雾特性与燃烧过程的实验和数值模拟研究[D];华中科技大学;2007年

2 张梁;甲醇气相脱水制二甲醚反应过程研究[D];华东理工大学;2013年

3 杨琦;合成二甲醚的固体酸催化剂研究[D];浙江大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 梁晨;二甲醚混合燃料点燃式发动机性能的试验研究[D];北京工业大学;2010年

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本文编号：730000