天然气非催化部分氧化转化炉内燃烧特性研究

发布时间：2018-11-26 10:29

【摘要】：在天然气等气态烃类非催化部分氧化制合成气的过程中,转化炉内的燃烧过程对气态烃的转化效率及烧嘴等过程关键设备的使用寿命具有重要影响。本文以天然气非催化部分氧化转化炉内燃烧过程为研究对象,通过实验和数值模拟手段研究了常温气氛下、高温合成气气氛下和热模实验装置内的甲烷氧气扩散火焰特性,并分析了高温合成气气氛下部分氧化过程的湍流反应耦合特征。主要内容如下:对常温气氛下甲烷氧气反扩散火焰的形态及稳定特性进行了实验研究。发现火焰存在部分预混火焰、附着反扩散火焰和推举反扩散火焰三种形态,研究了三种形态间转变条件和转变路径的变化规律。考察了喷嘴端部厚度的影响,提出了判断火焰稳定行为的临界喷嘴端部厚度计算方法;当端部厚度大于临界厚度时,火焰稳定行为表现为附着-熄灭;当端部厚度小于临界厚度时,在合适的流场条件下火焰稳定行为表现为附着-推举-熄灭。考察了氧化剂稀释和火焰所处气氛对火焰的影响,对氧化剂进行稀释会降低火焰的稳定性并改变火焰的稳定行为;氮气气氛下附着反扩散火焰的熄灭极限没有明显变化,但火焰仅存在附着-熄灭一种稳定行为。数值模拟结果表明,附着火焰的失稳与喷嘴端面附近涡结构变化有关,而失稳后形成推举火焰还是直接熄灭则取决于涡结构下游的流场条件。建立了模拟转化炉内部分氧化燃烧过程的高温合成气伴流射流火焰模型,通过数值模拟对火焰的结构、燃烧模态进行了分析并就操作参数对燃烧过程的影响进行了考察。高温合成气气氛下,甲烷氧气在反扩散形式下可以形成MILD(温和低氧稀释)燃烧过程,火焰温度分布均匀,最高温度仅有1797K;火焰的稳定机理为自燃机理。反扩散条件下氧气在与可燃物反应之前被充分稀释是高温还原性气氛下建立MILD燃烧过程的关键,为在部分氧化炉内实现MILD燃烧指明了技术方向。伴流温度升高,射流速度减小,操作压力升高、预热温度升高都会引起燃烧反应区向上游移动以及火焰峰值温度上升,其中影响最大的为压力。在工业转化炉操作范围内,上述参数的变化不会显著改变火焰的燃烧特征和模态。在热模实验装置上对甲烷氧气扩散火焰的特征进行了研究,考察了扩散方式、射流速度及O2/CH4摩尔比对火焰的影响。常规扩散条件下,可在炉内喷嘴附近观察到明亮的火焰;反扩散条件下炉内观测不到可见火焰,炉内温度分布均匀,最高温度为1446 K,形成了 MILD燃烧。实验结果验证了高温伴流火焰数值模拟的结论。反扩散条件下,射流速度大于40 m/s以及O2/CH4摩尔比小于1.39时均无可见火焰形成。对热模转化炉进行了数值模拟研究,结果表明涡耗散概念(EDC)模型耦合GRI 3.0机理的预测结果与实验结果吻合非常好。实验条件下炉内回流率处在4-9之间,反应过程被充分稀释。反应发生之前确保氧气被燃料及卷吸气体充分稀释是转化炉内MILD燃烧过程建立的关键,要实现这一过程的必要条件为在氧气射流外侧设置一股屏障气体。基于快反应假设的模型以及采用总包反应机理的模型的预测结果与实验结果差异较大。提出了一种新的特征化学反应时间尺度分析方法,研究了不同燃烧状态下部分氧化火焰中的湍流反应耦合特征。反扩散条件下,火焰中燃烧区域的时间尺度为10-5-10-4s,转化区的时间尺度为10-2s。同已有方法比较,新方法给出的结果更加吻合火焰的MILD燃烧特征,更适合部分氧化火焰的分析。对常规扩散条件下的高温燃烧过程进行了分析,结果表明新方法对于快反应过程、温和反应过程以及慢反应过程都可以给出较好的结果。反扩散及常规扩散条件下均存在快反应假设不成立的温和燃烧区,因此在对部分氧化过程进行数值建模时必须要考虑详细的湍流与反应耦合作用。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE646

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