气-液燃料燃烧理论与低碳技术

脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,PDE)和转子发动机是动力机械的重要分支,具有广阔的应用前景。缸内燃烧不充分是限制其燃烧排放性能提高的瓶颈,主要原因是缺乏对燃烧室内流动和燃烧过程的深入认识。为此,本团队围绕脉冲爆震发动机和转子发动机燃烧室内流动和燃烧的耦合机理开展了深入研究。

《燃料燃烧与设备》课程教学改革研究

《燃料燃烧与设备》是能源工程领域的重要课程,对培养学生的燃烧理论知识和实际应用能力具有重要意义。以下对《燃料燃烧与设备》教学进行深入研究,探讨教学方法和教学内容的优化,以提高学生的学习效果和实践能力。

牛粪掺混玉米秸秆燃烧特性和动力学分析

为充分利用生物质废弃物,采用热重实验研究牛粪掺混玉米秸秆的燃烧特性和动力学参数。结果表明,所有样品燃烧过程均可划分为脱水、挥发分析出与燃烧、固定碳燃烧3个阶段。玉米秸秆的掺混可降低牛粪的着火和燃尽温度、提高燃烧特性参数。通过4种动力学模型计算出不同掺混比不同反应阶段的活化能,其中FWO模型相关性最高。综合燃烧特性和动力学分析可知,当牛粪与玉米秸秆质量比为6∶4时样品的综合性能表现较好。

氨/二甲醚燃料分级燃烧的排放特性

由于本身含氮和氨的燃烧过程会造成高额燃料型NO_(x)排放,为了减少氨燃料利用过程释放的NO_(x),本研究采用燃料分级燃烧技术进行氨/二甲醚燃烧,通过实验探究了燃料分级方法对污染物排放特性的影响.研究发现燃料分级方法能够降低NO和NO_(2)的排放浓度,最高使得NO减少60.1%,NO_(2)减少88.7%.在进行单级燃烧时NH_(3)几乎被完全消耗,采用燃料分级方法后则会造成NH3排放,其浓度随二级氨注入量增多而增大,而NO浓度则随二级氨注入量增多而减小,当热功率为0.6 kW、局部当量比为0.85时,NH3和NO排放浓度达到3×10^(−3)左右的相同水平.实验结果表明燃料分级燃烧方式在降氮方面有良好应用前景.为了进一步了解污染物NO在分级燃烧过程中的生成和消耗特性,本研究建立了一种化学反应器网络(CRN)模型,在Chemkin软件中对本实验测试工况下的燃烧过程进行了模拟.结果表明,数值模拟准确预测了NO的排放数值,验证了CRN计算方法的准确性.敏感性分析表明二甲醚具有比常规碳氢燃料更强的活化作用,对NO生成具有显著的促进作用.产率分析表明,NO在一级燃烧区主要通过HNO路径生成,在二级反应区主要通过NH2+NO=N2+H2O和NH2+NO=NNH+OH反应被消耗.

燃料控制燃烧下受限空间内部温度分布特性研究

本文通过数值模拟的方式对燃料控制燃烧下受限空间内部的温度分布特性进行研究,探讨了受限空间的间距对窗羽流温度分布特性的影响。通过研究发现:存在一个临界间距L_(3),当受限空间间距D>L_(3)时,受限空间内部各点的温度变化趋势随着D的减小基本不变,在所研究的火源功率范围内,受限空间内羽流温度高温区紧贴建筑外立面;当D≤L_(3)时,受限空间内各点的温度随着D的减小急剧升高,高温区域向外挡墙方向移动,对外挡墙的危险性加大,并且通过推导,给出了竖向羽流温升和无量纲火源功率的关系。

掺混比例对双燃料燃烧影响的可视化研究

汽柴油双燃料燃烧模式可以降低柴油机中小负荷的氮氧化物和碳烟排放并提高有效效率。文章在一台光学发动机上,采用高速摄影的方法对汽柴油均质混合气引燃(HCII)燃烧进行了解析,针对汽油比例对HCII燃烧的影响开展了可视化研究。研究结果表明,HCII燃烧的过程是火焰首先随着柴油喷束从汽缸中央向四周延展,同时点燃周围的汽油混合气产生蓝色火焰,蓝色火焰逐渐发展至整个燃烧室范围。汽油火焰在多点被同时点燃,火焰面积在极短时间内迅速增加,覆盖几乎所有缸内范围,相对于传统汽油机,HCII燃烧速度明显增加。随着汽油比例的增加,缸内蓝色火焰比例明显增加,火焰亮度降低,从而实现低温燃烧。

典型固体燃料燃烧排放环境持久性自由基的特征

为研究典型固体燃料燃烧排放环境持久性自由基(EPFRs)的污染特征,本文以小麦秸秆和煤粉为研究对象,利用自制的燃料燃烧和颗粒物样品收集装置获得小麦秸秆和煤粉在不同燃烧条件下排放的烟气颗粒样品,基于电子顺磁共振波谱技术(EPR)分别确定EPFRs在第0、1、3、7天的自旋浓度、g因子、ΔH_(P-P),通过萃取实验确定EPFRs可被甲醇和二氯甲烷所萃取的量,以获得其污染、衰变特性.结果表明,低温低氧或无氧条件下,小麦秸秆和煤粉燃烧以阴燃或热解为主,排放的EPFRs主要为氧中心自由基,属于非衰变型,有机溶剂可萃取部分可达67%;随着温度和空气通入量的增加,小麦秸秆和煤粉逐渐燃烧,排放的EPFRs浓度增加,由氧中心自由基逐步转化为含氧官能团的碳中心自由基,衰变缓慢,溶剂可萃取的EPFRs占比仅有2.14%;当温度和空气量足够,小麦秸秆和煤粉完全燃烧,半衰期分别为56 d和43 d,为快速衰变型,溶剂不可萃取的EPFRs部分高达97.01%.温度和空气量对小麦秸秆和煤粉燃烧排放的EPFRs的种类、结构及衰减影响大,而样品含水率无显著影响.

炼铁过程输送介质氧含量对燃料燃烧性能的影响

试验研究了两种不同类型的煤粉在大气和纯氧环境下的热解特性,以及不同的输氧条件下的燃烧性能和燃烧速率的关系。在含φ(O_(2))<51%的情况下,煤粉不发生爆炸,在61%以上时,煤粉表现出较弱的爆炸性,并随着氧气含量的提高而爆炸性增大;富氧输送能促进煤粉燃烧,煤粉φ(O_(2))每提高10%,煤粉燃烧效率提高1.97%;煤比增大,煤粉的燃烧率下降,煤比每提高10 kg/t,燃烧率下降1.13%。

气液双燃料燃气轮机燃烧室混合燃烧特性研究

为解决双燃料燃气轮机燃烧室中的混合燃烧问题,对某原型燃油燃烧室进行了双燃料混合燃烧的数值模拟。通过模拟实验可知,在2种燃料混合燃烧的过程中,不断降低的液体燃料流量以及雾化压力导致的液体燃料雾化特性恶化以及气体燃料不断升高的喷射速度在径向上压缩液体燃料雾化空间是影响燃烧室混合燃烧性能的主要原因。在本文计算的混合燃烧过程中,燃烧室性能变化存在临界点,随着气体燃料占比增加,燃烧室火焰先缩短后延长,燃烧室出口温度分布系数(OTDF)先降低后升高,两者均在气体占比40%时达到最佳,而燃烧室液体燃料雾化质量、出口平均温度、效率均逐渐下降,且在气体燃料占比为70%时下降幅度最大,但在气体燃料占比100%时上升。

关于火力发电厂中热能动力锅炉的燃料及其燃烧研讨

热能动力锅炉在火力发电厂中属于主要部分,锅炉燃烧效率可以直接决定火电厂的发展趋势和经济效益,因此,火电厂应进一步探究热能动力锅炉在运行过程中的燃料与燃烧,从根本增加锅炉燃烧质量和效率,以此为火电厂发展提供持续动力。本文以热能动力锅炉概述为基础,分析热能动力锅炉中的主要燃料,继而指明热能动力锅炉燃烧形态和特点,最后提出科学优化锅炉燃烧的有效策略,以供参考。

多燃料快速压缩膨胀机及动力系统应用分析

介绍了某型应用于多燃料燃烧可视化研究的快速压缩膨胀机。首先,介绍了快压机本体组成部件、总体参数和动力系统各模块可实现的进机边界条件、调节控制功能。其次,分别从快压机缸盖外形、缸盖强度校核、缸盖玻璃选型、缸盖专用垫片选型、起动系统主要组成部件、驱动电机选型、齿轮箱选型、起动计算等方面阐述了缸盖及起动系统设计要点。随后,对于动力系统中功能多样的进气配比系统和燃气系统分别从原理图、系统主要环节、设计指标、工作流程等方面进行说明。最后,分别进行了快压机倒拖测试、燃气系统功能测试、进气配比系统功能测试,实验结果表明快压机运行平稳、机械连接状态正常、燃气系统和进气配比系统均能满足燃烧可视化装置的试验需求。此快速压缩膨胀机应用分析为后续同类多燃料燃烧可视化装置设计及燃烧研究提供指导建议。

激光诱导荧光法测量内燃机双燃料燃烧过程中的甲醛和羟基

双燃料燃烧是一种实现内燃机高效清洁燃烧的新型燃烧方式,国内外对燃用双燃料的内燃机性能和排放开展了较为广泛的研究,但对双燃料缸内燃烧过程的认识有待深入.本文搭建了一套光学发动机缸内燃烧中间产物激光测试系统,该系统可以实现甲醛和羟基(OH)的二维同时定性测量.为了验证该激光诊断系统的可行性,首先在甲烷层流预混火焰上对甲醛和羟基的激光诱导荧光(UF)光谱和图像进行采集,确定甲醛和OH激发波长分别为355和282.95 nm.随后在光学发动机上对双燃料缸内燃烧过程中甲醛和羟基进行了非同时测量分析了双燃料燃烧双阶段放热过程中甲醛和OH分布区域.光学发动机转速为1200 r·min^(-1),循环当量总油量为30 mg正庚烷.进气冲程初期气道喷射异辛烷,上止点前10°曲轴转角在缸内直喷9 mg正庚烷.激光诱导荧光成像表明,甲醛生成于低温放热阶段,主要分布在缸内直喷燃油油束附近区域,之后甲醛充满整个燃烧室空间高温放热过程中燃烧室壁面附近区域的甲醛首先消耗,伴随甲醛消耗OH首先出现于燃烧室边缘,高温放热阶段过后,甲醛基本消失,OH逐渐充满整个燃烧室.最后对双燃料缸内燃烧过程甲醛和OH同时测量发现,甲醛消耗伴随OH的产生,甲醛和OH分布区域总体而言在空间上是分开存在的,但在局部区域甲醛和OH可能并存.

碳氢燃料燃烧机理的自动简化

采用自行开发的碳氢燃料燃烧详细机理自动简化程序ReaxRed分别对包含257个物种和874步反应的RP-3航空煤油替代模型以及包含1389个物种和5935步反应的汽油混合替代模型进行机理自动简化.对RP-3替代模型,分别得到78个物种框架机理和61个物种全局简化机理,在较宽的参数范围内重现RP-3详细机理在点火延迟时间、熄火以及物种浓度分布等方面的模拟结果;通过强制敏感度及物种产率分析进一步说明了简化机理的合理性.对汽油混合替代模型,得到包含266个物种框架机理在较宽范围内重现单组分、两组分及多组分混合的点火延迟时间的模拟结果,并通过元素流动分析阐明了4种单组分燃料的燃烧路径.框架机理保留了详细机理的层级结构以及全局信息,更易于系统分析汽油的燃烧过程.

柴油引燃乙醇均质混合气的二元燃料燃烧特性

在一台单缸增压中冷试验柴油发动机上,研究了不同转速和负荷下乙醇在进气道形成均质混合气,然后在气缸内由柴油引燃的二元燃料燃烧特性.结果发现:采用柴油引燃乙醇混合气的二元燃料燃烧方式,在高负荷时预混燃烧量明显增加,扩散燃烧大幅度减少;在低负荷以及整个低速工况下都实现了单峰快速放热.另外,采用这种燃烧模式能够降低绝大部分工况的最高燃烧温度,并缩短高温持续时间.研究还发现,这种二元燃料燃烧大部分工况的最高爆发压力和压力升高率都比原机高,燃烧持续期短于原机,在中高负荷时能大幅度地减少柴油消耗并提高发动机热效率.与原柴油机相比,采用二元燃料燃烧的指示热效率最高提高了11.09%.

柴油/甲醇二元燃料发动机缸内燃烧数值模拟

为研究柴油/甲醇二元燃料的缸内燃烧过程,基于对二元燃料燃烧特征的分析,发展了湍流耦合反应动力学的柴油/甲醇二元燃料缸内燃烧机理和燃烧模型.基于一个已有的甲醇/正庚烷二元燃料燃烧机理,进一步提高了机理的预测精度,燃烧模型通过计算混合时间尺度和化学反应时间尺度来衡量燃烧的受控因素,其中化学反应时间尺度以熵增率衡量.通过发动机试验对模型进行了标定和验证,结果表明:该燃烧机理和燃烧模型能够很好地对纯柴油和柴油/甲醇二元燃料燃烧过程进行预测,包括随着甲醇比例的增加,滞燃期延长,甲醇火焰传播预混燃烧放热峰值逐渐明显.采用直接求解化学反应而不考虑湍流的燃烧模型,对燃烧进程的预测结果则随着甲醇量的增加而逐渐高于试验值.

柴油喷射压力对柴油/甲醇二元燃料发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台增压中冷电控共轨柴油机上,研究了柴油喷射压力对柴油/甲醇二元燃料(DMDF)燃烧和排放特性的影响。研究表明:柴油喷射压力较低时,DMDF模式压缩冲程的缸压要低于纯柴油模式,降幅随着甲醇替代率的增大而增大;而柴油喷射压力较高时,降幅较小,甲醇替代率为20%时的最大缸压要略高于纯柴油模式,且对应的最大放热率明显高于纯柴油模式和甲醇替代率为40%时。DMDF模式的NO_x排放量随着甲醇替代率的增加而降低,相同替代率时随着柴油喷射压力的增加而增加。CO和总碳氢(THC)排放量随柴油喷射压力的增加略有降低,随替代率的增加几乎线性增加。在低柴油喷射压力下,DMDF模式可以明显降低烟度,且排放量随着替代率的增加而减小,最多可减少约35%的碳烟排放。其他柴油喷射压力时,烟度随着甲醇替代率的增加而基本保持不变。

机车中速柴油机应用柴油/甲醇二元燃料的燃烧特性研究

在一台机车中速柴油机上,采用进气歧管喷射甲醇的方式,研究了不同转速与负荷下柴油/甲醇二元燃料燃烧特性。研究结果表明:随着甲醇喷射量的增加,滞燃期延长,燃烧持续期缩短,中低负荷时燃烧呈单峰快速放热,高负荷下预混燃烧比例有所提高,但仍保持双峰放热规律;同时,二元燃料燃烧方式下的最高燃烧压力与压力升高率均高于原机,最高燃烧温度也随着甲醇喷射量的增加而升高;此外,二元燃料燃烧的热效率与负荷密切相关,在600r/min时有效热效率随着甲醇的喷入而降低,且随着替代率的升高其降幅加大,在33%替代率时下降了9.06%,但在1000r/min标定负荷时有利于热效率的提高,升幅达到0.36%。

脉动供燃料燃烧技术及火焰频率特征

介绍了一种天然气的新型脉动供燃料燃烧技术,该技术能有效降低NOx,提高传热效率,节约能源,且改造简易,运行经济;阐述了其技术原理,综述了其发展状况,指出对我国燃烧技术改进的重要意义.利用直接摄像技术,对一个采用该燃烧方式的射流火焰在不同流量脉动频率下的火焰类型和结构特征进行了研究.结果发现,随脉动频率变化出现了丰富的火焰类型.燃气脉动与系统共振特性相耦合影响火焰脉动特性,在系统共振和谐振频率附近,火焰根部出现崩溃混合,且火焰湍动升起,火焰长度变短.在某些频率下火焰直长,具有清晰的贫富燃交替结构.

隧道窑气体燃料燃烧数值模拟的研究

利用计算机数值模拟,研究隧道窑烧成带结构设置、燃料燃烧空气过剩系数等对烧成带温度分布、烟气中NOx污染物浓度的影响,为提高产品质量和窑炉设计提供理论依据。

超细煤粉在燃料分级燃烧技术中的应用

超细煤粉分级燃烧是当今较有发展前途的低NOx燃烧技术之一.通过试验研究的方法,探讨了超细煤粉分级燃烧技术中部分因素对NOx排放的影响.研究结果表明,对于不同煤种的主燃料,超细煤粉分级燃烧均能起到显著降低NOx排放的作用;高挥发分的褐煤、烟煤是较好的再燃燃料;煤粉越细,对NOx的还原性越强,同常规粒度煤粉再燃相比,以超细煤粉作为再燃燃料,NOx脱除率显著增加,可达到700/0,最佳再燃燃料粒度为20μm;温度低于1 200℃时,再燃区内温度越高,NOx的脱除率也越高.