本文選題：合成氣燃?xì)廨啓C燃燒室　切入點：數(shù)值模擬　出處：《中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)》2016年博士論文

【摘要】：我國一次能源以煤為主,整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)是未來潔凈煤技術(shù)主流發(fā)展方向之一。燃用煤氣化合成氣的重型燃?xì)廨啓C是IGCC的核心設(shè)備,而合成氣富氫、熱值低、氫含量變化劇烈的特點對燃燒室的NOx抑制、冷卻和燃燒穩(wěn)定性等帶來了挑戰(zhàn)。不斷提高壓氣機總壓比和燃燒室出口溫度進而提高循環(huán)效率是燃?xì)廨啓C發(fā)展的重要方向。因此,工作在高溫高壓環(huán)境下的燃燒室技術(shù)是IGCC系統(tǒng)下燃?xì)廨啓C需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。針對合成氣燃?xì)廨啓C燃燒室的關(guān)鍵性能參數(shù)——壁溫和污染物排放,以獲得其壓力影響規(guī)律和內(nèi)在影響機制為目標(biāo),本研究發(fā)展了適用于高壓條件下合成氣旋流燃燒室的數(shù)值模擬方法；數(shù)值模擬結(jié)合實驗研究了壓力對流動、混合和反應(yīng)的影響,細(xì)致分析了污染物生成特性及路徑、輻射對流換熱特性及機制,分別對光學(xué)通透概念燃燒器的流場特征和火焰形態(tài)、模型燃燒室和全尺寸燃燒室的燃燒特性進行了深入研究。論文具體工作如下：(1)發(fā)展適用于高壓條件下合成氣旋流燃燒室的數(shù)值模擬方法,并結(jié)合公開文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)完成驗證�；诳刂品匠踢x取對壓力影響具有精細(xì)描述的控制方程求解方法、模型和物性擬合公式。利用標(biāo)準(zhǔn)燃燒實驗數(shù)據(jù)對湍流模型進行優(yōu)選、參數(shù)優(yōu)化和驗證；利用公開文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對采用的燃燒模型和化學(xué)反應(yīng)機理進行高壓條件下的對比驗證,形成數(shù)值模擬方法；開展光學(xué)通透燃燒器和模型燃燒室實驗研究,對數(shù)值模擬方法進行實驗驗證。(2)合成氣燃燒室內(nèi)火焰結(jié)構(gòu)壓力影響研究。火焰結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了燃燒室內(nèi)流動、混合和反應(yīng)特征的綜合影響。采用化學(xué)反應(yīng)器模型及CFD數(shù)值模擬和光學(xué)通透燃燒器實驗手段,研究壓力對燃燒室內(nèi)流場、摻混、組分分布以及溫度分布的影響。利用反應(yīng)器模型對合成氣反應(yīng)焓及絕熱火焰溫度隨壓力的變化進行分析。結(jié)合光學(xué)通透燃燒器冷態(tài)流場以及熱態(tài)OH*測量實驗,采用CFD計算分析壓力對光學(xué)燃燒器、模型燃燒室和R0110燃燒室內(nèi)流場、摻混、組分分布和溫度分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明,壓力升高后,燃燒室內(nèi)火焰溫度峰值位置向后移動,當(dāng)Re高于105燃燒室內(nèi)的湍流充分發(fā)展,溫度峰值位置趨于穩(wěn)定；絕熱火焰溫度上升和摻混惡化,局部火焰溫度峰值大致滿足Tpeak～p0.04,壓力高于0.5 MP8后,局部火焰溫度峰值變化較小。(3)合成氣燃燒室壁溫壓力影響研究。通過對模型燃燒室和R0110燃燒室的CFD數(shù)值模擬和實驗,分析壓力對燃燒室壁溫的影響規(guī)律和內(nèi)在影響機制。分別取出模型燃燒室和R0110燃燒室頭部區(qū)、主燃區(qū)和摻混區(qū)上溫度測點的實驗和計算數(shù)據(jù),分析不同區(qū)域壁溫的變化規(guī)律。利用CFD數(shù)值計算分析兩種燃燒室內(nèi)外壁面熱通量、對流傳熱和輻射傳熱隨壓力的變化,結(jié)合火焰結(jié)構(gòu)分析,解釋壁溫變化規(guī)律。結(jié)果表明,壓力升高,壁面開孔附近位置壁溫略有下降；缺少冷卻的燃燒室尾部壁溫升高,壁溫最大值Tmax～p0.06,壁溫分布趨于穩(wěn)定；對流換熱強度在Re=105后趨于穩(wěn)定；輻射強度在壓力高于0.5 MPa后趨于穩(wěn)定。(4)合成氣燃燒室污染物排放壓力影響研究。以模型燃燒室和R0110全尺寸燃燒室為對象,建立化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)(CRN)模型,并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)完成驗證。結(jié)合光學(xué)通透燃燒器實驗,采用模型及R0110燃燒室的CRN模型分析全壓范圍內(nèi)的NOx/CO排放和NOx的生成化學(xué)反應(yīng)途徑的壓力影響。對比不同低污染燃燒技術(shù)在高壓下的減排效果,分析合成氣燃料氮NH3存在條件下,高壓燃燒室的污染物排放規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)主燃區(qū)溫度高于1800 K時,NOx與壓力呈指數(shù)關(guān)系；低于1800 K,呈拋物線型關(guān)系。前者熱力型占主導(dǎo)地位,后者N20型主導(dǎo)NOx排放。CO與壓力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。降低熱力型/N20型NOx排放比例,可以有效控制高壓條件下的NOx排放。相較于蒸汽稀釋,預(yù)混和柔和燃燒方式可在更高出口溫度條件下控制高壓NOx排放。此外,壓力會降低合成氣燃料氮的轉(zhuǎn)化率。綜上,火焰結(jié)構(gòu)和壁溫�；枰獫M足流動和熱力學(xué)兩個準(zhǔn)則條件。流動臨界條件為出口Re高于105,燃燒室內(nèi)的湍流充分發(fā)展,流場結(jié)構(gòu)相似穩(wěn)定；以壓力每上升0.1 MPa火焰和壁溫溫度峰值上升小于1%為標(biāo)準(zhǔn),火焰結(jié)構(gòu)和壁溫壓力�；臒崃W(xué)條件為壓力高于0.5MPa。污染物排放則可以根據(jù)上述分段規(guī)律進行預(yù)估,并通過降低熱力型/N20型NOx排放比值控制高壓NOx排放。本研究可為燃?xì)廨啓C燃燒室設(shè)計提供理論支持。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK473

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本文編號：1696568