二氧化碳、水和氮气稀释条件下甲烷MILD氧燃烧的实验研究

中度与极度低氧稀释(moderate or intense low-oxygen dilution,MILD)氧燃烧技术能同时实现低碳和超低NO_(x)排放,是一种创新性的燃烧技术。通过实验方法研究了不同稀释剂(N_(2)、CO_(2)和H_(2)O)、氧气浓度、当量比和氧化剂预热温度下甲烷非预混MILD氧燃烧和排放特性。实验发现,N_(2)、CO_(2)和H_(2)O稀释的所有工况中均没有观察到火焰。但N_(2)稀释时,炉内温度和NO排放都比较高,且当氧浓度、当量比或氧化剂温度增加时,NO排放急剧升高(>100×10^(-6)),因此无法实现较好的MILD氧燃烧。与之相比,CO_(2)或H_(2)O稀释下,炉内温度较低,NO排放也非常低(<10×10^(-6));并且NO排放对氧浓度、当量比和氧化剂温度的变化不敏感,能在更宽的范围内建立起低排放的MILD氧燃烧。此外,CO_(2)稀释时会产生较高的CO排放(>20×10^(-6)),但H_(2)O稀释下几乎没有CO排放,且NO排放最低(≈1× 10^(-6))。因此,H_(2)O稀释最有利于实现超低排放的MILD氧燃烧。但实际炉膛应用时需要注意防止H_(2)O稀释造成的炉壁汲水和因此导致的热效率降低、甚至熄火。

稀释剂和氧浓度对甲烷非预混MILD富氧燃烧影响的模拟研究

通过数值模拟方法研究了不同氧化剂(O_(2)/N_(2)、O_(2)/CO_(2)和O_(2)/H_(2)O)和燃烧器出口氧浓度(21%~30%)对15kW实验炉内甲烷非预混中度与极度低氧稀释(moderate or intense lowoxygen dilution,MILD)富氧燃烧的流场、燃烧场及湍流–化学相互作用的影响。研究结果表明,不同稀释剂下炉内流动和烟气卷吸情况几乎相同,但在炉内反应方面存在较大差异。各稀释剂下炉内燃烧温度和CO、OH浓度的高低顺序为:N_(2)>CO_(2)>H_(2)O。而且,N_(2)稀释时炉内存在集中的高温区(>1800K),且温度和组分浓度随氧浓度增大而快速升高。而CO_(2)或H_(2)O稀释时炉内温度、组分分布均匀,且对氧浓度变化不敏感。另外,相比CO_(2)或H_(2)O稀释,N_(2)稀释下反应区内的层流火焰速度和Damköhler数(Da)更大,且随氧浓度的升高而急剧增加,30%氧浓度下已经进入传统薄反应区燃烧模式。而CO_(2)或H_(2)O的稀释可以显著降低层流火焰速度,增长化学反应时间,减小Da数,在高氧浓度下依旧保持在分布式反应区,即MILD燃烧区。因此,相比N_(2)稀释,CO_(2)或H_(2)O稀释下更有利于建立MILD富氧燃烧。

同流热气中氧浓度对CH_4/H_2射流火焰的影响

通过雷诺平均纳维叶斯托克斯方程模型数值模拟研究了同流热气中氧浓度对CH4/H2射流火焰扩散燃烧的影响。研究基于JHC开放火焰实验装置,采用涡耗散概念模型和GRI-3.0详细化学反应机制进行数值模拟,研究同流热气中氧浓度变化的影响。结果显示,随着同流热气中氧浓度的减小,下游温度峰值及中间组分OH的质量分数峰值明显下降,温度分布更均匀。OH质量分数峰值位置比温度峰值位置略微靠外(同流热气侧)。H2CO主要分布在计算域内的低温区,高温时该组分被快速消耗;不同的燃烧模式下H2CO浓度分布差别很大。通过分析发现,要使传统窄小区域的快速燃烧模式过渡到大空间的慢速弥散燃烧,应减小同流热气中氧浓度。