【摘要】：在天然氣等氣態(tài)烴類非催化部分氧化制合成氣的過程中,轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的燃燒過程對氣態(tài)烴的轉(zhuǎn)化效率及燒嘴等過程關(guān)鍵設(shè)備的使用壽命具有重要影響。本文以天然氣非催化部分氧化轉(zhuǎn)化爐內(nèi)燃燒過程為研究對象,通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段研究了常溫氣氛下、高溫合成氣氣氛下和熱模實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的甲烷氧氣擴(kuò)散火焰特性,并分析了高溫合成氣氣氛下部分氧化過程的湍流反應(yīng)耦合特征。主要內(nèi)容如下:對常溫氣氛下甲烷氧氣反擴(kuò)散火焰的形態(tài)及穩(wěn)定特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)火焰存在部分預(yù)混火焰、附著反擴(kuò)散火焰和推舉反擴(kuò)散火焰三種形態(tài),研究了三種形態(tài)間轉(zhuǎn)變條件和轉(zhuǎn)變路徑的變化規(guī)律�？疾炝藝娮於瞬亢穸鹊挠绊�,提出了判斷火焰穩(wěn)定行為的臨界噴嘴端部厚度計算方法;當(dāng)端部厚度大于臨界厚度時,火焰穩(wěn)定行為表現(xiàn)為附著-熄滅;當(dāng)端部厚度小于臨界厚度時,在合適的流場條件下火焰穩(wěn)定行為表現(xiàn)為附著-推舉-熄滅�？疾炝搜趸瘎┫♂尯突鹧嫠帤夥諏鹧娴挠绊�,對氧化劑進(jìn)行稀釋會降低火焰的穩(wěn)定性并改變火焰的穩(wěn)定行為;氮?dú)鈿夥障赂街磾U(kuò)散火焰的熄滅極限沒有明顯變化,但火焰僅存在附著-熄滅一種穩(wěn)定行為。數(shù)值模擬結(jié)果表明,附著火焰的失穩(wěn)與噴嘴端面附近渦結(jié)構(gòu)變化有關(guān),而失穩(wěn)后形成推舉火焰還是直接熄滅則取決于渦結(jié)構(gòu)下游的流場條件。建立了模擬轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部分氧化燃燒過程的高溫合成氣伴流射流火焰模型,通過數(shù)值模擬對火焰的結(jié)構(gòu)、燃燒模態(tài)進(jìn)行了分析并就操作參數(shù)對燃燒過程的影響進(jìn)行了考察。高溫合成氣氣氛下,甲烷氧氣在反擴(kuò)散形式下可以形成MILD(溫和低氧稀釋)燃燒過程,火焰溫度分布均勻,最高溫度僅有1797K;火焰的穩(wěn)定機(jī)理為自燃機(jī)理。反擴(kuò)散條件下氧氣在與可燃物反應(yīng)之前被充分稀釋是高溫還原性氣氛下建立MILD燃燒過程的關(guān)鍵,為在部分氧化爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)MILD燃燒指明了技術(shù)方向。伴流溫度升高,射流速度減小,操作壓力升高、預(yù)熱溫度升高都會引起燃燒反應(yīng)區(qū)向上游移動以及火焰峰值溫度上升,其中影響最大的為壓力。在工業(yè)轉(zhuǎn)化爐操作范圍內(nèi),上述參數(shù)的變化不會顯著改變火焰的燃燒特征和模態(tài)。在熱模實(shí)驗(yàn)裝置上對甲烷氧氣擴(kuò)散火焰的特征進(jìn)行了研究,考察了擴(kuò)散方式、射流速度及O2/CH4摩爾比對火焰的影響。常規(guī)擴(kuò)散條件下,可在爐內(nèi)噴嘴附近觀察到明亮的火焰;反擴(kuò)散條件下爐內(nèi)觀測不到可見火焰,爐內(nèi)溫度分布均勻,最高溫度為1446 K,形成了 MILD燃燒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了高溫伴流火焰數(shù)值模擬的結(jié)論。反擴(kuò)散條件下,射流速度大于40 m/s以及O2/CH4摩爾比小于1.39時均無可見火焰形成。對熱模轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明渦耗散概念(EDC)模型耦合GRI 3.0機(jī)理的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合非常好。實(shí)驗(yàn)條件下爐內(nèi)回流率處在4-9之間,反應(yīng)過程被充分稀釋。反應(yīng)發(fā)生之前確保氧氣被燃料及卷吸氣體充分稀釋是轉(zhuǎn)化爐內(nèi)MILD燃燒過程建立的關(guān)鍵,要實(shí)現(xiàn)這一過程的必要條件為在氧氣射流外側(cè)設(shè)置一股屏障氣體�；诳旆磻�(yīng)假設(shè)的模型以及采用總包反應(yīng)機(jī)理的模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大。提出了一種新的特征化學(xué)反應(yīng)時間尺度分析方法,研究了不同燃燒狀態(tài)下部分氧化火焰中的湍流反應(yīng)耦合特征。反擴(kuò)散條件下,火焰中燃燒區(qū)域的時間尺度為10-5-10-4s,轉(zhuǎn)化區(qū)的時間尺度為10-2s。同已有方法比較,新方法給出的結(jié)果更加吻合火焰的MILD燃燒特征,更適合部分氧化火焰的分析。對常規(guī)擴(kuò)散條件下的高溫燃燒過程進(jìn)行了分析,結(jié)果表明新方法對于快反應(yīng)過程、溫和反應(yīng)過程以及慢反應(yīng)過程都可以給出較好的結(jié)果。反擴(kuò)散及常規(guī)擴(kuò)散條件下均存在快反應(yīng)假設(shè)不成立的溫和燃燒區(qū),因此在對部分氧化過程進(jìn)行數(shù)值建模時必須要考慮詳細(xì)的湍流與反應(yīng)耦合作用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE646

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本文編號：2358314