Response Surface Modeling of Fuel Rich and Fuel Lean Catalytic Combustion of the Stabilized Confined Turbulent Gaseous Diffusion Flames

The Response Surface Methodology (RSM) has been applied to explore the thermal structure of the experimentally studied catalytic combustion of stabilized confined turbulent gaseous diffusion flames. The Pt/γAl2O3 and Pd/γAl2O3 disc burners were situated in the combustion domain and the experiments were performed under both fuel-rich and fuel-lean conditions at a modified equivalence (fuel/air) ratio (ø) of 0.75 and 0.25 respectively. The thermal structure of these catalytic flames developed over the Pt and Pd disc burners were inspected via measuring the mean temperature profiles in the radial direction at different discrete axial locations along the flames. The RSM considers the effect of the two operating parameters explicitly (r), the radial distance from the center line of the flame, and (x), axial distance along the flame over the disc, on the measured temperature of the flames and finds the predicted maximum temperature and the corresponding process variables. Also the RSM has been employed to elucidate such effects in the three and two dimensions and displays the location of the predicted maximum temperature.

Response Surface Methodology and Artificial Neural Network Methods Comparative Assessment for Fuel Rich and Fuel Lean Catalytic Combustion

Modeling, predictive and generalization capabilities of response surface methodology (RSM) and artificial neural network (ANN) have been performed to assess the thermal structure of the experimentally studied catalytic combustion of stabilized confined turbulent gaseous diffusion flames. The Pt/γAl2O3 and Pd/γAl2O3 disc burners were located in the combustion domain and the experiments were accomplished under both fuel-rich and fuel-lean conditions at a modified equivalence (fuel/air) ratio (ø) of 0.75 and 0.25, respectively. The thermal structure of these catalytic flames developed over the Pt and Pd disc burners was scrutinized via measuring the mean temperature profiles in the radial direction at different discrete axial locations along with the flames. The RSM and ANN methods investigated the effect of the two operating parameters namely (r), the radial distance from the center line of the flame, and (x), axial distance along with the flame over the disc, on the measured temperature of the flames and predicted the corresponding temperatures beside predicting the maximum temperature and the corresponding input process variables. A three-layered Feed Forward Neural Network was developed in conjugation with the hyperbolic tangent sigmoid (tansig) transfer function and an optimized topology of 2:10:1 (input neurons:hidden neurons:output neurons). Also the ANN method has been exploited to illustrate the effects of coded R and X input variables on the response in the three and two dimensions and to locate the predicted maximum temperature. The results indicated the superiority of ANN in the prediction capability as the ranges of & F_Ratio are 0.9181 - 0.9809 & 634.5 - 3528.8 for RSM method compared to 0.9857 - 0.9951 & 7636.4 - 24,028.4 for ANN method beside lower values for error analysis terms.

两级浓淡燃烧室内氨-氢-空气预混旋流燃烧过程的NO_(x)排放特性

为了掌握燃气轮机两级浓淡燃烧室内氨-氢-空气预混旋流火焰的NO_(x)排放特性和影响NO_(x)生成的动力学机制,对氨-氢-空气预混旋流燃烧过程进行了三维反应流数值模拟并开展了燃烧反应动力学特性研究.结果表明:在掺氢比为35%、压力为0.5 MPa且当量比为1.20的绝热燃烧工况下,NO_(x)排放可降至54×10^(-6)(15%O_(2)).H+O_(2)(+M)=HO_(2)(+M)是燃烧压力影响氨-氢燃料燃烧过程中NO_(x)排放的关键反应.燃烧压力的升高会促进NO与HO_(2)反应并转化为NO_(2).对于氨-氢混合燃料而言,过高的掺氢比(60%~80%)会导致NO_(x)排放显著升高,而根据壁面热损失程度的不同,适当的掺氢比(35%~55%)则有利于实现较低的NO_(x)排放(54×10^(-6)~86×10^(-6)(15%O_(2))).

弯头对煤粉浓淡分离器工作特性影响的数值模拟研究

煤粉浓淡分离燃烧技术在低负荷稳燃、降低燃烧污染物排放等方面具有良好性能,得到广泛应用。由于四角切圆燃烧锅炉粉管布置要求,燃烧器前往往布置有弯头,弯头出口存在煤粉空气混合物速度和煤粉浓度分布的不均。该文采用试验和数值模拟方法,对一次风煤粉空气混合物流经弯头后形成的气、粉分布不均对浓淡分离器的工作特性的影响进行分析。试验和模拟结果表明,弯头结构和布置形式对煤粉浓淡分离器的分离效果、浓淡侧速度分布不均等都有重要影响。文中同时提出了具有前置弯头的浓淡分离器获得高分离效果及浓淡侧速度均衡的途径,为浓淡分离器的设计和运行提供参考。

水平浓淡燃烧器出口气固浓淡射流的混合特性研究

水平浓淡燃烧器出口射流在水平方向上分为浓淡两股,浓煤粉射流位于向火侧而淡煤粉射流位于背火侧,以实现稳定着火,防止炉内结渣和高温腐蚀,并起到降低氮氧化物(NOx)排放的作用,但由于浓淡两股煤粉空气射流之间仅有较薄的隔板加以分隔,因此往往存在浓淡煤粉射流是否在出口后不久即发生混合,导致浓淡分离效果丧失的疑 虑。该文通过气固两相模化实验,采用基于光学波动法的激光光纤探针对水平浓淡气固两相射流在燃烧器出口外浓淡两股射流的混合特性进行了试验研究,结果表明水平浓淡燃烧器出口气固两相射流的浓淡分离效果能在较长的射程内得以维持,从而保证了浓淡燃烧的优点。

分离涡方法模拟浓淡气固射流两相非稳态流动特性研究

利用分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)这一新型湍流模拟技术对撞击式浓淡燃烧器内部和出口射流的气固两相流动结构进行了模拟,获得了浓淡燃烧器出口射流的旋涡拟序结构,模拟了射流出口旋涡生成、发展和脱落的规律。对于颗粒场,应用了Lagrangian方法跟踪颗粒运动,获得了浓淡燃烧器出口射流中不同Stokes数颗粒在射流流场旋涡拟序结构作用下的运动扩散规律。结果表明,射流外边界处的大涡是引起浓淡侧小颗粒相互混合的主要因素,而煤粉气流中Stokes数大于1的颗粒在射流中基本不会发生浓淡混合现象,燃烧器下游的浓淡分离效果可以在较长的距离内得到保持。

局部富油供油扩展燃烧室贫油点火熄火边界研究

介绍了燃烧室主燃区设计中熄火特性与综合性能间的折衷考虑,设计了火焰筒头部均匀供油和局部富油供油方案,并在全环试验燃烧室上进行了两种方案对燃烧室贫油点火熄火边界影响的对比试验,分析和总结了火焰筒头部局部富油设计方案的点火熄火规律。结果表明:局部富油设计可显著扩展燃烧室贫油点火熄火边界。

高温升燃烧室贫油熄火特性数值研究

利用Fluent软件,采用经过PIV试验验证过的Realized k-ε湍流模型,对中心分级燃烧室的燃烧流场进行数值模拟,计算确定出回流区大小、温度分布及特征截面。使用特征截面特征参数法及其判定准则,对该中心分级燃烧室贫油熄火极限进行预测,并对熄火过程火焰形状的成因进行分析。结果表明:随着油气比的降低,回流区温度降低且长宽尺度增大,贫油熄火时的油气比为0.005 83且火焰呈M型,与相关试验测试结果一致。

吸附还原法还原过程中空燃比控制策略的试验研究

运用研制设计的新型稀燃尾气催化系统和恒转矩电控系统,对稀NOx吸附还原催化器(LNT)还原过程中空燃比大小和浓、稀燃时间比值及长短对稀燃发动机性能进行了试验研究,结果表明:还原过程空燃比大小和稀、浓燃时间比值及长短不仅对发动机的输出转矩大小、燃油消耗率等性能有影响,而且对发动机的排放特性也有重要影响。稀NOx吸附还原催化器还原过程空燃比越小和浓、稀燃时间比值越大、浓燃还原时间越长,NOx还原越彻底,NOx排放越低,但稀燃发动机的比油耗稍变大,经济性变差。因此,在应用LNT降低稀燃发动机NOx排放时,需要对其还原过程空燃比大小和浓、稀燃时间比值及长短进行优化。

北京国华热电厂410t/h低NO_x燃烧系统机理及试验分析

阐述了北京国华热电厂410 t/h改造后的低NOx燃烧系统所采用的各种低NOx燃烧技术,即空气分级、燃料分级和浓淡燃烧,并对其设计机理和试验结果进行了分析。

撞击式浓淡分离器与弯头组合数值模拟研究

煤粉浓淡燃烧技术在稳燃、防结渣、低NOx排放等方面具有良好的性能,近年来得到了广泛应用。四角切圆锅炉的煤粉管道一般在燃烧器前有弯头,利用数值模拟的方法,分析了撞击式浓淡分离器与弯头间的相互影响,计算了不同弯头与浓淡分离器组合形式下,管道内的流场和煤粉颗粒浓缩效率。

调峰型低NO_x浓淡燃烧技术的研究与应用

根据作者提出的“充分发挥向火侧一次风着火优势，形成稳定着火源”的燃烧稳定性原理，研制了一种适用于四角燃烧煤粉锅炉的新型燃烧器──调峰型低NOx可调水平浓淡燃烧器。该燃烧器的煤粉浓缩机构及煤粉浓度调节机构简单、可靠。向火侧与背火侧浓度比在1～4的大范围内可调节，保证了锅炉在变负荷工况下实现最佳浓淡比燃烧。工业应用证明：该燃烧器在燃用陕西贫煤时，机组负荷≥50％时不需投油助燃而能稳定燃烧。

Ti-Nb系复合氧化物的氧敏响应特性

介绍动态响应测试系统和Ti-Nb系复合氧化物氧敏材料响应时间与环境温度、气流转换频率的关系、指出采样方法时响应时间的影响。在无贵金属催化时，烧结型复合氧敏材料的响应时间可达60ms。

复合氧敏材料的瞬态特性研究

将氧化物氧敏材料ＴｉＯ２与Ｎｂ２Ｏ５复合化，研究其氧敏瞬态特性及与环境温度、气流转换频率的关系，并指出采样方法对瞬态特性的影响．在无贵金属催化条件下，烧结型复合氧敏材料的响应时间可达６０ｍｓ．对材料的结构及响应机理进行了分析和初步探讨．

新型旋流煤粉燃烧器出口区域气固两相流场的PDPA实验研究

针对电站锅炉燃用煤种多变和负荷多变的问题，提出了一种新型的旋流燃烧技术，即利用在一次风管中加装浓缩煤粉构件实行煤粉浓淡分离的旋流浓淡煤粉燃烧器。使用三维相位多普勒颗粒分析仪对旋流浓淡煤粉燃烧器和双调风旋流煤粉燃烧器出口区域气固两相流场进行了实验研究，得出了两种不同燃烧器几何结构下的气固两相流场和颗粒浓度场，并进行了理论分析。

稀释剂对氮氧化物生成的影响

通过对稀释剂在NOx治理方面的作用展开了简要的分析和评价。分析表明,氧浓度越高,CO2稀释效果越明显,NOx浓度越低;N2稀释燃料火焰质量流量的效果比稀释空气对降低NOx浓度更加有效。CO2和N2两者不论是空气还是燃料稀释,都会减少NOx的稀释量,在同一速度下,稀释空气比稀释燃料对NOx降低更有效。不过,稀释浓度的增加会导致温度的下降。而SO2在贫燃料状态下,N/S中的S越大,NOx生成越小;在富燃料状态下,S越大NOx生成越大。

突扩燃烧室在准稳态假设下的熄火过程对比分析

在准稳态假设条件下,运用数值模拟方法对火焰的边区驻留与旁侧驻留的两种突扩类型的亚燃冲压发动机燃烧室的熄火过程进行了分析。通过改变燃烧室进气流量和燃油当量比,对比分析了燃烧室在向熄火的压力下限和贫、富油边界转变过程中的流场特征和火焰形态变化。研究显示,中心突扩燃烧室在压力和燃油浓度下降过程中,熄火过程中表现为火焰锋面的中心收缩;旁侧突扩燃烧室则表现为突扩截面内温度的差异,以致火焰稳定功能的丧失。

超紧凑燃烧室燃烧组织方式影响燃烧性能的数值研究

以试验室的超紧凑燃烧室设计模型为研究对象,用Realizable k-ε湍流模型模拟高速旋转湍流,用非预混燃烧的混合分数/PDF模型模拟燃烧反应。通过超紧凑型燃烧室在贫油燃烧、化学当量比燃烧和富油燃烧等不同燃烧组织方式下的燃烧温场、出口温度场品质、燃烧效率以及污染物排放等燃烧性能的对比分析,研究了不同的燃烧组织方式对超紧凑燃烧室的燃烧性能影响。贫油燃烧组织方式对环形凹腔内燃烧影响较大,对于当量比增大的富油燃烧组织方式,火焰在凹腔底部连通,并通过叶片径向斜槽与一次空气流混合并实现完全燃烧;贫油燃烧方式的燃烧效率、出口温度品质和污染物排放等燃烧性能较好。计算结果与他人试验结果在燃烧室中央区域符合较好,对UCC燃烧室设计具有参考价值。

改进的预测气体燃料贫油熄火边界的半经验公式

为了进一步考察采用气体燃料时,火焰体积(FV)模型对贫油熄火边界预测的适用性,推导了气体燃料的FV模型。经过对7种典型的航空发动机燃烧室(即采用双径向旋流器和双轴向旋流器,分别改变一级旋流器、二级旋流器的进气面积和主燃孔的个数)进行验证实验,并与液体燃料FV模型和Lefebvre模型的预测结果进行比较。结果表明,上述三种模型虽然基本都可以用于气体燃料贫油熄火边界的预测,但各自的预测精度不同。在实验范围内,气体燃料FV模型、液体燃料FV模型、Lefebvre模型的预测精度依次为±5.6%,±6.9%,±7.1%。气体燃料FV模型在预测气体燃料的贫油熄火边界时有最好的预测精度。

旋流杯结构及进气参数对燃烧性能的影响

为优化旋流燃烧室头部结构、提高其运行性能,针对三种旋流器文氏管和燃料喷嘴的组合结构和两种流通面积的旋流器,开展了常压下以甲烷为燃料的燃烧室性能实验研究。实验结果表明,各头部结构的冷态总压损失系数与来流速度的平方成正比,燃料喷嘴插入文氏管的位置过深或过浅都会增大流动阻力,在来流速度9.7m/s条件下,喷嘴处于中等插入位置时总压损失系数降低6%左右;开放空间下,燃料喷嘴的位置越浅越利于火焰稳定,受限条件下这种影响被缩小,并且受限火焰的稳定工作范围明显宽于相同入口条件下的开放火焰;增大旋流器流通面积有利于降低总压损失系数、增强火焰稳定、减轻火焰筒壁面振动幅度,但不利于促进燃料和空气掺混,导致NO和CO的排放浓度都变大;在临近贫油熄火状态时,火焰筒壁面振动幅度加剧,明显高于稳定燃烧时的情况。