CO 2 /H 2 O下甲烷燃烧特性与机理简化研究
发布时间：2021-01-06 08:13
近年来,我国能源结构进行的战略性调整,逐渐实现一次能源结构清洁低碳化。在此背景下,天然气等清洁能源使用比例将逐步提高。随着2017年我国海上开采可燃冰试验成功,这为天然气广泛应用创造了条件。天然气主要成分为甲烷,同煤炭等能源相比,具有清洁、燃烧效率高的特点。但仍存在NOx等污染物超标问题。目前,以烟气再循环技术为基础,通过添加稀释剂来减少污染物排放是一种有效方式。稀释剂的添加改变了甲烷燃烧特性和污染物的生成路径,燃烧机理发生改变,在此过程中许多问题尚未解决。所以对不同稀释氛围下甲烷的燃烧特性进行研究是必要的。本文采用数值模拟的方法对模拟了CO2和H2O对甲烷火焰燃烧特性的影响。首先,采用PREMIX模型,在GRImech3.0机理框架下模拟烟气循环技术中各技术参数对火焰传播速度的影响。并在机理中补充定义了FH2O,FCO2等不参与化学反应的虚拟物质,以判断CO2和H2O所带来的化学效应。结果为:当量比为1,CO2...
【文章来源】：山东建筑大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
烟气再循环示意图
山东建筑大学硕士毕业论文-9-第二章燃烧模型的建立与求解方法层流燃烧是研究湍流燃烧的基础，所以研究层流火焰燃烧特性是必要的。关于湍流模型的研究十分有限，目前所提出湍流燃烧模型具有局限性，仅能在部分问题上保持准确性。目前为止，还没有研究人员提出普遍适用的湍流燃烧模型，对燃烧特性的研究均是在层流流动的基础上，然后逐步发展到湍流。目前众多高等院校和科研院所均提出自己的一维层流模型，并且开发了相应程序。常见计算程序有，PREMIXI，[52]OPPDIF，Cantera.，FIameMaste等，其中PREMIX和OPPDIF是CHEMKIN软件重要组成部分，该软件目前已被ANSIS公司收购。本文采用PREMIX模型对层流火焰特性进行模拟计算，选择GRImech3.0为反应机理，保持燃烧过程的完整性。模拟得出燃烧过程中任意反应发生位置，产物浓度、反应速率等信息，通过对以上信息进行分析，可以得出不同工况下燃烧过程各基元反应变化情况。2.1PREMIX模型计算原理2.1.1物理模型图2.1所示为一维预混火焰的物理模型。可以看出，燃料、氧化剂、稀释剂等气体经过预混后，从左侧入口流入，经预热、反应和产物三个区域后，烟气从右侧出口排出。预测区内，燃烧反应速率缓慢，预热混合气体处于预热阶段，烧速率缓慢。反应区内，燃烧反应剧烈，放出大量热，各产物浓度急剧变化。产物区，主要化学反应已基本完成，产物浓度也逐渐到达平衡状态。图2.1一维层流预混火焰物理模型为方便简化计算，对燃烧模型做出以下做假设:
山东建筑大学硕士毕业论文-15-2.3求解方法目前关于数学模型的数值求解方法，主要氛围有限差分法和有限容积法。本文采用有限差分法对微分方程进行离散，利用TWOPNT函数[53]进行求解。2.3.1网格划分利用PREMIX模型模拟燃烧时，反应区域一般较短，燃烧反应也最剧烈，这会导致该区域出现较大温度梯度和产物浓度变化。在预热区，燃烧反应缓慢，气体主要通过扩散效应获取热量，温度梯度和产物浓度浓度变化幅度校而产物区内，主要燃烧反应已经平衡，温度基本不变，产物浓度出现小幅变化。为保证计算精度且不占用大量计算空间，应反应区对计算网格进行加密处理。TWOPNT函数可自定义网格，也可采用自适应网格。本文模拟采用自适应网格。自适应网格划分方法如下:（1）首次计算时，采用少量网格，并集中分在预热区与反应区，详见图2.1。图2.2一维层流预混火焰物理模型（2）首次计算迭代收敛后，按照是否满足网格加密标准继续增加网格，在第一次计算的基础上继续计算。反之。满足标准时，结束计算。（3）增加的网格设置在需加密两网格之间，大小取两网格数值的平均值。在燃烧模拟中，网格加密程度的控制重要，加密的网格既要保持计算精度，同时还要控制网格数量。即占用较少的计算空间来获取较为准确的结果。TWOPNT函数可以根据要求，利用GRAD（梯度）、CURV（曲率）及差值三种方式共同决定网格加密标准。2.3.2控制方程离散求解模型中的微分方程，首先要将微分方程离散化。本文在计算域内的网格进行非均匀离散，利用有限差分法求解方程。对于能量方程，利用一阶迎风差分将对流项离散化，中心差分方法对将导热
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃烧反应机理全局性简化及骨架机理优化[J]. 林圣强,谢鸣,王佳星,周伟星,杨斌. 燃烧科学与技术. 2019(05)
[2]世界能源展望中国特别报告 中国能源展望2017（英文）[J]. China Oil & Gas. 2018(02)
[3]甲烷在O2/CO2气氛下的框架和总包简化机理[J]. 胡贤忠,于庆波,李延明. 高等学校化学学报. 2018(01)
[4]燃气轮机燃烧过程中污染物的生成机理[J]. 王峰,肖俊峰,李晓丰,王玮. 热力发电. 2015(06)
[5]燃气工业锅炉的能耗现状与节能途径[J]. 程静,谢常欢,吴继权. 中国特种设备安全. 2013(10)
[6]一个适用于甲醇—参比燃料混合燃料的简化反应机理[J]. 王刚,王峰,廖世勇. 车用发动机. 2010(05)
[7]甲烷燃烧NOx生成的数值研究[J]. 李建雄,鹿玉洁. 河南机电高等专科学校学报. 2010(04)
[8]O2/CO2气氛下甲烷火焰中NO均相反应机理研究[J]. 赵然,刘豪,胡翰,闫志强,孔凡海,吴辉,邱建荣. 中国电机工程学报. 2009(20)
[9]富氧空气/甲烷扩散燃烧的NO抑制机理的数值研究[J]. 冯耀勋,赵黛青,贾明生,郑晓峰. 工业加热. 2005(05)
[10]天然气燃烧的低NOx排放研究现状和趋势[J]. 张成毅,李帆,荣庆兴. 上海煤气. 2005(04)
博士论文
[1]CH4在O2/CO2气氛下燃烧特性的研究[D]. 胡贤忠.东北大学 2017
[2]高浓度CO2气氛下NO释放及火焰特性的动力学学究[D]. 赵然.华中科技大学 2011
硕士论文
[1]CH4在O2/CO2气氛中燃烧机理的研究[D]. 王泽鑫.东北大学 2012
[2]添加稀释剂对甲烷燃烧中NOx形成影响的研究[D]. 张悦.南京师范大学 2012
本文编号：2960236
【文章来源】：山东建筑大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
烟气再循环示意图
山东建筑大学硕士毕业论文-9-第二章燃烧模型的建立与求解方法层流燃烧是研究湍流燃烧的基础，所以研究层流火焰燃烧特性是必要的。关于湍流模型的研究十分有限，目前所提出湍流燃烧模型具有局限性，仅能在部分问题上保持准确性。目前为止，还没有研究人员提出普遍适用的湍流燃烧模型，对燃烧特性的研究均是在层流流动的基础上，然后逐步发展到湍流。目前众多高等院校和科研院所均提出自己的一维层流模型，并且开发了相应程序。常见计算程序有，PREMIXI，[52]OPPDIF，Cantera.，FIameMaste等，其中PREMIX和OPPDIF是CHEMKIN软件重要组成部分，该软件目前已被ANSIS公司收购。本文采用PREMIX模型对层流火焰特性进行模拟计算，选择GRImech3.0为反应机理，保持燃烧过程的完整性。模拟得出燃烧过程中任意反应发生位置，产物浓度、反应速率等信息，通过对以上信息进行分析，可以得出不同工况下燃烧过程各基元反应变化情况。2.1PREMIX模型计算原理2.1.1物理模型图2.1所示为一维预混火焰的物理模型。可以看出，燃料、氧化剂、稀释剂等气体经过预混后，从左侧入口流入，经预热、反应和产物三个区域后，烟气从右侧出口排出。预测区内，燃烧反应速率缓慢，预热混合气体处于预热阶段，烧速率缓慢。反应区内，燃烧反应剧烈，放出大量热，各产物浓度急剧变化。产物区，主要化学反应已基本完成，产物浓度也逐渐到达平衡状态。图2.1一维层流预混火焰物理模型为方便简化计算，对燃烧模型做出以下做假设:
山东建筑大学硕士毕业论文-15-2.3求解方法目前关于数学模型的数值求解方法，主要氛围有限差分法和有限容积法。本文采用有限差分法对微分方程进行离散，利用TWOPNT函数[53]进行求解。2.3.1网格划分利用PREMIX模型模拟燃烧时，反应区域一般较短，燃烧反应也最剧烈，这会导致该区域出现较大温度梯度和产物浓度变化。在预热区，燃烧反应缓慢，气体主要通过扩散效应获取热量，温度梯度和产物浓度浓度变化幅度校而产物区内，主要燃烧反应已经平衡，温度基本不变，产物浓度出现小幅变化。为保证计算精度且不占用大量计算空间，应反应区对计算网格进行加密处理。TWOPNT函数可自定义网格，也可采用自适应网格。本文模拟采用自适应网格。自适应网格划分方法如下:（1）首次计算时，采用少量网格，并集中分在预热区与反应区，详见图2.1。图2.2一维层流预混火焰物理模型（2）首次计算迭代收敛后，按照是否满足网格加密标准继续增加网格，在第一次计算的基础上继续计算。反之。满足标准时，结束计算。（3）增加的网格设置在需加密两网格之间，大小取两网格数值的平均值。在燃烧模拟中，网格加密程度的控制重要，加密的网格既要保持计算精度，同时还要控制网格数量。即占用较少的计算空间来获取较为准确的结果。TWOPNT函数可以根据要求，利用GRAD（梯度）、CURV（曲率）及差值三种方式共同决定网格加密标准。2.3.2控制方程离散求解模型中的微分方程，首先要将微分方程离散化。本文在计算域内的网格进行非均匀离散，利用有限差分法求解方程。对于能量方程，利用一阶迎风差分将对流项离散化，中心差分方法对将导热
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃烧反应机理全局性简化及骨架机理优化[J]. 林圣强,谢鸣,王佳星,周伟星,杨斌. 燃烧科学与技术. 2019(05)
[2]世界能源展望中国特别报告 中国能源展望2017（英文）[J]. China Oil & Gas. 2018(02)
[3]甲烷在O2/CO2气氛下的框架和总包简化机理[J]. 胡贤忠,于庆波,李延明. 高等学校化学学报. 2018(01)
[4]燃气轮机燃烧过程中污染物的生成机理[J]. 王峰,肖俊峰,李晓丰,王玮. 热力发电. 2015(06)
[5]燃气工业锅炉的能耗现状与节能途径[J]. 程静,谢常欢,吴继权. 中国特种设备安全. 2013(10)
[6]一个适用于甲醇—参比燃料混合燃料的简化反应机理[J]. 王刚,王峰,廖世勇. 车用发动机. 2010(05)
[7]甲烷燃烧NOx生成的数值研究[J]. 李建雄,鹿玉洁. 河南机电高等专科学校学报. 2010(04)
[8]O2/CO2气氛下甲烷火焰中NO均相反应机理研究[J]. 赵然,刘豪,胡翰,闫志强,孔凡海,吴辉,邱建荣. 中国电机工程学报. 2009(20)
[9]富氧空气/甲烷扩散燃烧的NO抑制机理的数值研究[J]. 冯耀勋,赵黛青,贾明生,郑晓峰. 工业加热. 2005(05)
[10]天然气燃烧的低NOx排放研究现状和趋势[J]. 张成毅,李帆,荣庆兴. 上海煤气. 2005(04)
博士论文
[1]CH4在O2/CO2气氛下燃烧特性的研究[D]. 胡贤忠.东北大学 2017
[2]高浓度CO2气氛下NO释放及火焰特性的动力学学究[D]. 赵然.华中科技大学 2011
硕士论文
[1]CH4在O2/CO2气氛中燃烧机理的研究[D]. 王泽鑫.东北大学 2012
[2]添加稀释剂对甲烷燃烧中NOx形成影响的研究[D]. 张悦.南京师范大学 2012
本文编号：2960236
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