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。

低氧稀释条件下不同煤种着火燃烧特性实验研究

在平面火焰煤粉燃烧实验系统上研究了O_(2)/CO_(2)气氛中不同热协流温度(1473~1873 K)和氧气体积分数(5%~20%)下神木西烟煤、长平贫煤和济源无烟煤煤粉的着火和燃烧特性。采用光纤光谱仪和CMOS相机分别获取了煤粉燃烧的火焰辐射光谱和火焰图像,比较了不同燃烧条件下不同煤种的煤粉着火距离、颗粒温度和颗粒温度波动系数。结果表明:随着热协流氧气体积分数的减小,煤粉火焰长度和着火距离增加,颗粒平均温度下降,颗粒温度波动系数减小;煤粉挥发分质量分数越高,颗粒温度波动系数越小,颗粒温度分布越均匀;在热协流温度为1473 K、氧气体积分数为5%的条件下,神木西烟煤的煤粉颗粒温度波动系数为2.0%,比济源无烟煤低70%,更易于实现煤粉的低氧稀释燃烧。

高温低氧及富氧气氛下煤粉颗粒着火和燃烧特性数值分析

采用计算流体力学(CFD)软件对煤粉颗粒在平面扩散火焰系统中的着火和燃烧过程进行了详细的数值模拟,测量了不同热协流气氛(O_(2)/N_(2)、O_(2)/CO_(2))、温度(1400~1800K)和氧气体积分数(10%~30%),特别是高温低氧(1800K,10%O_(2))环境下的气体温度场和颗粒温度分布,获得了MILD燃烧工况下煤粉颗粒着火和燃烧特性.结果表明,在高温低氧环境下,煤粉颗粒的着火距离明显缩短,气体温度场更加均匀.1800K协流温度下,随着氧气体积分数每提高10%,其着火距离缩短12%~14%,氧气体积分数为10%时的烟气温度波动系数比氧气体积分数为20%时下降9%.与O_(2)/N_(2)气氛相比,在O_(2)/CO_(2)气氛中相同热协流温度和20%氧气体积分数下,着火距离增加了2.7~3.4 mm,烟气平均温度降低了168~183 K.

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。