本文關(guān)鍵詞：二甲醚火焰燃燒特性及工程應(yīng)用的研究

  更多相關(guān)文章： 二甲醚 工業(yè)鍋爐 窯爐 燃燒特性 工程應(yīng)用

【摘要】：我國90%的工業(yè)鍋爐采用煤炭作為燃料,使得燃煤工業(yè)鍋爐的污染問題尤為突出,成為我國大氣污染物的主要來源之一。實踐證明,基于我國豐富的煤炭資源,發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè),將其轉(zhuǎn)化為清潔燃料,不僅是實現(xiàn)煤炭清潔利用的有效途徑,也能減少我國油氣資源的進口量、確保國家能源安全。二甲醚(DME,CH3OCH3)便是一種可從煤炭高效、大規(guī)模制取的清潔替代燃料,被國家發(fā)改委認定為唯一的理想清潔替代能源,可替代部分LPG和柴油等傳統(tǒng)燃料。目前,DME主要被應(yīng)用于壓燃式內(nèi)燃機,國內(nèi)外對此做過較系統(tǒng)全面的研究;而對于DME在工業(yè)鍋爐和窯爐等設(shè)備內(nèi)的燃燒特性和工業(yè)應(yīng)用,國內(nèi)外的相關(guān)研究則很少。本文提出將DME應(yīng)用于工業(yè)鍋爐,以解決它的環(huán)境污染問題,同時消耗國內(nèi)DME的過剩產(chǎn)能。工業(yè)鍋爐內(nèi)的火焰按燃燒方式,可分為預(yù)混火焰和擴散火焰兩種。本文對DME/空氣射流擴散火焰的基礎(chǔ)燃燒特性進行研究,包括:火焰幾何尺寸、穩(wěn)定性、NOx和CO的排放特性、熱輻射特性。此外,還設(shè)計搭建了一臺中規(guī)模清潔燃氣燃燒試驗臺,在國內(nèi)外首次對DME在工業(yè)鍋爐內(nèi)所形成的預(yù)混火焰的燃燒特性進行研究,包括:水冷爐膽內(nèi)DME預(yù)混火焰的燃燒、流動及反應(yīng)區(qū)大小特性、NOx和CO的排放特性、DME燃燒產(chǎn)物縱掠高溫?zé)煿芎蜋M掠對流管束的傳熱特性。研究結(jié)果多被整理成具有實用價值的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和計算方法,對DME工業(yè)鍋爐和窯爐的設(shè)計和運行具有較好的參考價值。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:①對DME/空氣射流擴散火焰的幾何尺寸和火焰穩(wěn)定性進行試驗研究,得到其火焰長度、直徑和體積的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和吹熄極限。同時,將DME射流擴散火焰的上述特性和天然氣、LPG的進行對比,為DME工業(yè)鍋爐的設(shè)計運行或?qū)μ烊粴夂蚅PG鍋爐進行改造、以改燒DME,提供參考依據(jù)。此外,還推導(dǎo)出射流擴散火焰幾何尺寸的相似解析解,提出一種新型、預(yù)測精度更高、合理性更好的射流擴散火焰無量綱長度、直徑和體積的關(guān)聯(lián)式形式。②通過試驗,測試DME/空氣射流擴散火焰內(nèi)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氣速度對NOx和CO排放因子的影響。同時,采用CFD-CRN方法、反應(yīng)路徑分析和靈敏度分析方法,并結(jié)合DME的詳細反應(yīng)機理,研究DME射流擴散火焰不同區(qū)域內(nèi)含N組分之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系、NOx的反應(yīng)速率特性、及NOx的反應(yīng)機理和路徑,闡明了DME射流擴散火焰內(nèi)污染物的生成和排放機制,為制定合理的污染物減排措施提供依據(jù)。③通過試驗,測試和分析DME/空氣射流擴散火焰的熱輻射特性,最終得到DME射流擴散火焰輻射分數(shù)關(guān)于噴嘴內(nèi)徑df、燃料射流雷諾數(shù)Ref及伴流空氣速度uco的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,并提出計算火焰外圍輻射熱流密度的公式和方法。研究結(jié)果可為DME非預(yù)混射流燃燒系統(tǒng)中輻射受熱面的設(shè)計計算提供參考。④在清潔燃氣燃燒試驗臺上,在國內(nèi)外首次對不同過量空氣系數(shù)α和燃燒負荷Q條件下,DME在水冷爐膽內(nèi)所形成的預(yù)混火焰的溫度和組分分布進行了測試;分析了爐內(nèi)DME火焰的燃燒、流動、傳熱傳質(zhì)等基礎(chǔ)特性,并探究了α和Q對火焰特性的影響。采用數(shù)值方法,研究了水冷爐膽內(nèi)DME預(yù)混火焰的火焰結(jié)構(gòu)及反應(yīng)區(qū)大小特性,得到具有工業(yè)應(yīng)用價值的、估算DME/空氣預(yù)混氣的平均反應(yīng)速率、反應(yīng)區(qū)體積及長度的公式和方法。⑤首次通過試驗,測試不同α和Q條件下,水冷爐膽內(nèi)DME預(yù)混火焰中NOx和CO的分布特性和排放因子,分析α和Q對污染物排放因子的影響。同時,采用CFD-CRN方法、反應(yīng)路徑和靈敏度分析方法,研究DME在水冷爐膽內(nèi)預(yù)混燃燒的過程中,爐膽不同區(qū)域內(nèi)NOx的反應(yīng)機理及路徑。最后,獲得了DME工業(yè)鍋爐減排污染物的最佳運行工況參數(shù)和爐膛尺寸的優(yōu)化設(shè)計方法。⑥在清潔燃氣燃燒試驗系統(tǒng)的對流換熱段上,分別對DME燃燒產(chǎn)物縱掠高溫?zé)煿芎蜋M掠對流管束的傳熱特性進行試驗研究,首次得到相應(yīng)的Nu數(shù)的計算關(guān)聯(lián)式。所得結(jié)果可為DME工業(yè)鍋爐和窯爐中、高溫?zé)煿芎蛯α鞴苁軣崦娴臒崃τ嬎闾峁﹨⒖肌?br/> 【關(guān)鍵詞】：二甲醚 工業(yè)鍋爐 窯爐 燃燒特性 工程應(yīng)用
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK221
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 符號說明12-21
• 1 緒論21-39
• 1.1 我國能源現(xiàn)狀21-23
• 1.2 我國燃煤工業(yè)鍋爐的發(fā)展概況及存在的主要問題23-24
• 1.3 DME的基本理化性質(zhì)及制取工藝24-27
• 1.3.1 DME的基本理化性質(zhì)24-26
• 1.3.2 DME的制取工藝26-27
• 1.4 DME燃燒特性與工程應(yīng)用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀27-35
• 1.4.1 DME基礎(chǔ)燃燒特性的研究現(xiàn)狀27-30
• 1.4.2 DME在內(nèi)燃機、燃氣輪機等領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀30-32
• 1.4.3 DME在工業(yè)鍋爐和窯爐領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀32-35
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點35-39
• 1.5.1 本課題需研究的主要問題35-37
• 1.5.2 本文的主要研究內(nèi)容37-38
• 1.5.3 本文的主要創(chuàng)新點38-39
• 2 DME、天然氣、LPG射流擴散火焰幾何尺寸及火焰穩(wěn)定性的試驗和理論研究39-67
• 2.1 研究目的及意義39-40
• 2.2 試驗研究概況40-45
• 2.2.1 試驗系統(tǒng)簡介40-41
• 2.2.2 試驗方法和工況參數(shù)41-45
• 2.3 結(jié)果和討論45-65
• 2.3.1 DME、天然氣、LPG射流擴散火焰流動特性的對比分析45-51
• 2.3.2 DME、天然氣、LPG射流擴散火焰的吹熄極限51-52
• 2.3.3 DME、天然氣、LPG射流擴散火焰的長度和直徑特性52-54
• 2.3.4 射流擴散火焰的長度、直徑及體積的解析解54-60
• 2.3.5 DME、天然氣、LPG射流擴散火焰的無量綱火焰長度、直徑、體積的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式60-65
• 2.4 本章小結(jié)65-67
• 3 DME射流擴散火焰中NOx和CO排放特性的試驗和數(shù)值模擬研究67-101
• 3.1 前言67-70
• 3.2 試驗研究概況70-72
• 3.2.1 試驗系統(tǒng)簡介70
• 3.2.2 試驗方法和工況參數(shù)70-72
• 3.3 CFD模擬72-76
• 3.3.1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件72-75
• 3.3.2 CFD計算結(jié)果的驗證75-76
• 3.4 CRN模擬76-85
• 3.4.1 CRN的構(gòu)建77-79
• 3.4.2 CRN的求解79-81
• 3.4.3 CRN預(yù)測結(jié)果的對比驗證81-85
• 3.5 結(jié)果和討論85-100
• 3.5.1 DME射流擴散火焰中NOx和CO的濃度分布特性85
• 3.5.2 DME射流擴散火焰的NOx和CO排放因子85-87
• 3.5.3 DME射流擴散火焰內(nèi)部NOx組分濃度及反應(yīng)速率的分布特性87-91
• 3.5.4 DME射流擴散火焰內(nèi)部NOx的反應(yīng)路徑分析91-99
• 3.5.5 靈敏度分析99-100
• 3.6 本章小結(jié)100-101
• 4 DME/空氣射流擴散火焰熱輻射特性的試驗研究101-119
• 4.1 前言101
• 4.2 試驗研究概況101-107
• 4.2.1 試驗系統(tǒng)簡介101-102
• 4.2.2 試驗方法及工況參數(shù)102-104
• 4.2.3 點源輻射模型104-107
• 4.3 結(jié)果和討論107-116
• 4.3.1 DME射流擴散火焰的長度和直徑特性107-110
• 4.3.2 DME射流擴散火焰的輻射分數(shù) χR110-113
• 4.3.3 DME射流擴散火焰外圍輻射熱流密度的分布特性113-116
• 4.4 本章小結(jié)116-119
• 5 DME在水冷爐膽內(nèi)燃燒、流動及反應(yīng)區(qū)大小特性的試驗和數(shù)值模擬研究119-145
• 5.1 前言119-122
• 5.2 試驗研究概況122-127
• 5.2.1 試驗系統(tǒng)簡介122-126
• 5.2.2 試驗方法及工況參數(shù)126-127
• 5.3 數(shù)值模擬127-133
• 5.3.1 數(shù)學(xué)模型127-130
• 5.3.2 模擬詳情130-132
• 5.3.3 計算結(jié)果的驗證132-133
• 5.4 結(jié)果和討論133-143
• 5.4.1 爐內(nèi)溫度分布特性133-137
• 5.4.2 爐內(nèi)O2和CO2的分布特性137-140
• 5.4.3 DME/空氣預(yù)混火焰的反應(yīng)區(qū)大小特性140-143
• 5.5 本章小結(jié)143-145
• 6 DME在水冷爐膽內(nèi)NOx和CO排放特性的研究145-165
• 6.1 前言145
• 6.2 試驗研究概況145-146
• 6.3 CFD模擬146
• 6.4 CRN模擬146-150
• 6.4.1 CRN的構(gòu)建146-147
• 6.4.2 CRN的求解147-150
• 6.4.3 CRN預(yù)測結(jié)果的驗證150
• 6.5 結(jié)果和討論150-163
• 6.5.1 爐內(nèi)污染物濃度的分布特性150-155
• 6.5.2 反應(yīng)路徑分析155-160
• 6.5.3 DME/空氣預(yù)混火焰中污染物的排放因子160-163
• 6.6 本章小結(jié)163-165
• 7 DME燃燒產(chǎn)物縱掠高溫?zé)煿芎蜋M掠對流管束的傳熱特性研究165-173
• 7.1 前言165
• 7.2 試驗研究概況165-167
• 7.2.1 煙管對流傳熱特性試驗165-166
• 7.2.2 對流管束傳熱特性試驗166-167
• 7.3 煙氣縱掠高溫?zé)煿芎蜋M掠對流管束的對流傳熱系數(shù)計算方法167-170
• 7.4 結(jié)果和討論170-172
• 7.5 本章小結(jié)172-173
• 8 結(jié)論與展望173-181
• 8.1 主要結(jié)論173-178
• 8.1.1 DME、天然氣、LPG 射流擴散火焰幾何尺寸及穩(wěn)定性的試驗和理論研究173-174
• 8.1.2 DME 射流擴散火焰中 NOx 和 CO 排放特性的試驗和數(shù)值模擬研究174-175
• 8.1.3 DME/空氣射流擴散火焰熱輻射特性的試驗研究175-176
• 8.1.4 DME在水冷爐膽內(nèi)燃燒、流動及反應(yīng)區(qū)大小特性的試驗和數(shù)值模擬研究176-177
• 8.1.5 DME在水冷爐膽內(nèi)NOx和CO排放特性的研究177-178
• 8.1.6 DME燃燒產(chǎn)物縱掠高溫?zé)煿芎蜋M掠對流管束的傳熱特性研究178
• 8.2 后續(xù)研究展望178-181
• 致謝181-183
• 參考文獻183-199
• 附錄199-200
• A 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文199
• B 作者在攻讀博士學(xué)位期間申報的專利199-200
• C 已投稿的論文200
• D 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項目200

【參考文獻】

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本文編號：730000