【摘要】：稀釋燃燒技術(shù)是當(dāng)前燃氣輪機合成氣燃燒領(lǐng)域的研究熱點,能夠有效抑制NOx污染物的排放。然而,與稀釋劑火焰燃燒特性和化學(xué)反應(yīng)機理密切相關(guān)的基礎(chǔ)參數(shù)測量(如OH基濃度分布的定量化)遇到了極大的困難,限制了該技術(shù)的進一步發(fā)展。因此,發(fā)展有效的定量光譜診斷技術(shù)對于燃氣輪機合成氣火焰機理研究及實際工程應(yīng)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(planar laser-induced fluorescence,PLIF)是一種高靈敏度高時空分辨率激光光譜燃燒診斷技術(shù)。然而,激光誘導(dǎo)熒光(laser-induced fluorescence,LIF)信號在常壓及高壓下易受淬滅效應(yīng)影響,難以實現(xiàn)組分濃度的定量測量。雙向LIF技術(shù)是一種新型定量光譜診斷技術(shù),其最大的優(yōu)點在于既保留了傳統(tǒng)LIF技術(shù)高靈敏度和高空間分辨率的優(yōu)勢,又有效克服了傳統(tǒng)LIF技術(shù)在定量化時遇到的定標(biāo)難和易受淬滅效應(yīng)影響的問題。鑒于以上原因,本文利用雙向激光誘導(dǎo)熒光新方法對甲烷/空氣部分預(yù)混火焰及合成氣火焰中的OH基濃度分布進行了定量研究。本文首先詳細闡述了激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)及其在合成氣燃燒領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀,分析了當(dāng)前研究中存在的不足,提出了本文的研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題。然后,給出了雙向LIF技術(shù)的基本原理并分析了能對其測量結(jié)果產(chǎn)生影響的四種因素,據(jù)此詳細制定了OH基濃度實驗測量方案,搭建了國內(nèi)首套雙向PLIF實驗裝置。此外,針對現(xiàn)有待測組分有效峰值吸收截面研究不足的問題,明確地給出了這一重要物理參量的實驗測量公式,并對甲烷/空氣部分預(yù)混火焰中OH基A2Σ+←X 2Π(0,0)帶內(nèi)Q1(8)線及合成氣預(yù)混火焰中OH基A2Σ+←X 2Π(1,0)帶內(nèi)Q1(8)線的有效峰值吸收截面及其隨火焰高度的變化規(guī)律進行了實驗研究。研究表明:這兩種火焰的OH基有效峰值吸收截面在不同高度上基本保持不變。對比發(fā)現(xiàn),OH基(0,0)帶內(nèi)Q1(8)線的有效峰值吸收截面比(1,0)帶內(nèi)的Q1(8)線有效峰值吸收截面約高5.5倍,這一結(jié)果與理論計算結(jié)果基本符合,證明了實驗測量結(jié)果的正確性。其次,基于雙向PLIF技術(shù)首次開展了甲烷/空氣部分預(yù)混平面火焰一維及二維OH基濃度空間分布的定量測量工作,獲得了其隨當(dāng)量比的變化規(guī)律,為化學(xué)動力學(xué)模型及相關(guān)機理提供了極具價值的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù),這一工作在國內(nèi)外研究中尚未見報導(dǎo)。研究結(jié)果表明:甲烷/空氣部分預(yù)混火焰在貧燃區(qū)和富燃區(qū)內(nèi)的OH基濃度分布存在明顯差別。對于前者,OH基主要分布于燃燒器表面很窄的一段區(qū)域內(nèi),且隨著軸向距離的不斷增加,OH基濃度會迅速下降;對于后者,OH基則主要分布于火焰外側(cè),形成了兩條較強的OH基分布帶,中間區(qū)域內(nèi)的OH基數(shù)量非常稀少。實驗發(fā)現(xiàn)在當(dāng)量比1.0時OH基峰值濃度并未達到最大,而是在靠近貧燃端當(dāng)量比0.90時達到了最大值,此時測得的OH基峰值濃度為(1.20±0.10)×1016 cm3。再次,基于雙線PLIF測溫技術(shù)和雙向PLIF技術(shù)分別開展了N_2、CO_2和H_2O稀釋劑合成氣預(yù)混火焰及擴散火焰的溫度場和OH基濃度場的定量測量工作,這一工作在國內(nèi)外研究中尚未報導(dǎo)。獲得了不同稀釋劑對合成氣火焰溫度場和OH基濃度場的影響規(guī)律,為當(dāng)前合成氣火焰的化學(xué)動力學(xué)模型和機理研究提供了可靠的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明:OH基濃度在合成氣預(yù)混及擴散火焰中的空間分布規(guī)律基本相同,即都呈現(xiàn)出對稱且非均勻式的分布形態(tài)。OH基主要分布于火焰鋒面附近,火焰外側(cè)的OH基數(shù)量明顯少于火焰鋒面附近的OH基數(shù)量。進一步的分析表明,H_2O和CO_2都能夠促進OH基的生成,但相比于H_2O,以CO_2作為稀釋劑的合成氣火焰具有更低的火焰溫度。最后,基于已有的OH基濃度測量結(jié)果分別對甲烷燃燒中最為經(jīng)典的GRI-Mech 3.0機理和合成氣燃燒中的Davis機理進行了檢驗和對比,指出了現(xiàn)有反應(yīng)機理中存在的問題及需要改進之處。研究結(jié)果表明:GRI-Mech 3.0機理在各當(dāng)量比下均能準(zhǔn)確預(yù)測OH基濃度隨軸向距離的變化規(guī)律。但由于GRI-Mech 3.0機理模擬的是絕熱狀態(tài)下的OH基濃度和火焰溫度,并未考慮輻射損失,因此模擬值比實驗值偏高。對于以N_2、CO_2和H_2O稀釋的合成氣預(yù)混火焰(常壓、預(yù)熱溫度為400 K),Davis機理給出的OH基濃度分布規(guī)律與實驗結(jié)果能夠很好地符合,但OH基峰值濃度的預(yù)測值卻低于實驗值。更細致的分析表明:Davis機理低估了稀釋劑在合成氣火焰中的化學(xué)效應(yīng),尤其是低估了CO_2的化學(xué)效應(yīng)。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK16
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本文編號：2325247