管式加热炉甲烷掺氢比对燃烧及NO_(x)排放的影响

文章主要研究管式加热炉甲烷掺氢比对燃烧及NO_(x)排放的影响,为此基于管式加热炉,分别在1号炉测试圆形燃烧器,在3号炉测试附墙燃烧器。利用fluent中的FGM燃烧模型耦合GRI-Mech 3.0详细反应机理,结合热态实测烟气温度对其燃烧进行数值计算,研究分析管式加热炉甲烷掺氢比对燃烧及NO_(x)排放的影响。甲烷掺氢比控制在0%~60%(体积百分数)。研究结果显示:1)随着掺氢比的提升,1号炉NO_(x)排放量(标准状态,下同)由75 mg/m^(3)上升至100 mg/m^(3),3号炉NO_(x)排放量由63 mg/m^(3)下降至50 mg/m^(3);2)随着掺氢比的提升,温度高于1500℃时,1号炉热斑主要分布在燃烧器喷口之内且面积不断增大,3号炉热斑主要分布在燃烧器喷口之外且面积不断减小;3)在节能减排方面,相对于20%的掺氢比,掺氢比为60%时,1号炉换热效率提升了4.53%,3号炉换热效率提升了0.52%,烟气中二氧化碳减排26%;4)上述结果表明,掺氢提升NO_(x)排放,但炉内烟气内循环却减少NO_(x)排放,燃烧器最终的NO_(x)排放结果受到掺氢和烟气内循环综合效果的影响。

掺氢比例对金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播的影响

为进一步揭示金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播特征的规律,通过实验研究了掺氢比例对不同孔隙密度金属丝网阻火过程的影响。结果表明:随着掺氢比例的增加,金属丝网的阻火难度加大,金属丝网的阻火效果可由成功转为失败,对火焰传播的影响作用可能从抑制转变为促进;当金属丝网阻火失败时,金属丝网会引起火焰褶皱并导致火焰加速,但郁金香形火焰的首现时间有所延迟;随着掺氢比例的增大,火焰穿过金属丝网后的加速现象更为明显;提高金属丝网孔隙密度可提高金属丝网对掺氢甲烷预混火焰的阻火能力,孔隙密度越大,阻火能力越强;60 mpi以上金属丝网能够有效淬熄掺氢甲烷预混火焰。

结合系统辨识的甲烷掺氢预混火焰热声稳定性研究

为了研究甲烷掺氢燃料对燃气轮机燃烧室热声振荡特性的影响,利用计算流体动力学结合系统辨识(CFD-SI)的方法对某旋流预混燃烧室进行了数值研究。在非定常CFD模拟中提取上游速度与火焰整体热释放率波动的时间序列,并通过相关性分析进行系统辨识,获取了不同甲烷掺氢比下的火焰传递函数(FTF),并结合低阶网络模型对燃烧室热声不稳定性进行了分析。结果表明,随着体积掺氢比的提高,火焰逐渐由“V”形变为“M”形,燃烧器出口处的涡结构先形成后消失,这导致了燃烧室热声振荡特性的改变。在体积掺氢比低于30%时,火焰响应不发生较大变化,燃烧室振荡频率小幅提高;当掺氢比在30%~60%时,火焰对低频的响应逐渐增强,对高频响应先增强后减弱,燃烧室在200Hz附近热声模态的振荡消失,火焰稳定性增强,但高频纯声学模态被激发;而当掺氢比达到60%时,燃烧室内重新出现热声模态的振荡。对于以天然气作为燃料的燃气轮机,适当的掺氢比能改善燃烧室内的热声不稳定性,但氢气加入会更容易激发燃烧室的高频纯声学模态,使其在高频范围内出现振荡。

富氢甲烷直接火焰冲击加热带钢传热特性的数值模拟

直接火焰冲击加热技术广泛应用于钢铁热处理领域,该技术目前主要用天然气作为燃料。氢气为清洁能源,具有较高的层流火焰传播速度,其与天然气结合会改善燃料燃烧速度并减少碳氧化物及氮氧化物的排放。使用Fluent建立直接火焰冲击加热钢板的数值模型,对不同掺氢量、雷诺数及无因次距离条件下直接火焰冲击加热带钢的传热特性进行了研究。结果表明,当掺氢量从0增加到25%时,被加热10 s的靶件钢板驻点温度由385.36 K下降到374.31 K,钢板驻点处的热流密度由154828 W/m~2下降到137926 W/m~2;当雷诺数从13400增加到33600时,钢板驻点温度由347.04 K上升到450.90 K,压力从14.93 Pa上升到136.53 Pa,但钢板的温度和压力的均匀性逐渐变差;当无因次距离从25增加到45时,钢板驻点温度由442.42 K下降到344.36 K,压力由106.00 Pa下降到24.81 Pa,且分布更加不均匀。

掺氢甲烷非预混射流火研究现状及展望

氢输运是推广和发展氢能的关键环节之一,其中将氢气掺入天然气(主要成分为甲烷)管网的策略是解决氢输运问题的一种新的有效途径。然而,输气管道一旦发生泄漏则易引发非预混射流火火灾事故。因此,研究掺氢甲烷非预混射流火对灾前风险评估和灾后应急处置均具有重要意义。首先介绍掺氢甲烷射流火研究的意义;接着阐述非预混射流火特性与稳定机制,综述前人关于掺氢比例(氢气所占掺氢甲烷的体积分数)与伴流特征对掺氢甲烷非预混射流火特性影响的研究进展,进一步评价归纳其性能与应用场景;最后对前人的工作进行总结,并对未来的研究进行展望。

微型燃烧器内掺氢甲烷燃烧特性的数值模拟

为改善甲烷在平板式微型燃烧器内的燃烧特性,对掺氢甲烷的预混合燃烧过程进行二维数值模拟,研究不同掺氢比及不同通道高度下混合燃料的燃烧规律。结果表明,在当量比为0.8的条件下,氢气的掺入具有稳定火焰和提高混合燃料可燃流速的作用;在掺氢比为5%~25%的范围内,随着掺氢比的增大,火焰锋面逐渐前移,掺氢比每增加5%,火焰最高温度平均可升高101 K;反应中OH的摩尔分数将随氢气的增多而升高,但CO2的摩尔分数随掺氢比的增大反而减少,CO2生成率呈现先缓慢升高后急剧下降的趋势。此外,氢气的加入很好地解决了甲烷难以在小于2.5 mm的通道高度内燃烧的缺陷,通道高度从3 mm递减到1 mm,相应的CO2生成率逐渐减少;通道高度为4 mm时,火焰中心温度达到最大的2 260 K,其出口处的CO2摩尔分数低于另外三组通道高度的值。

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0. 5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%～20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。

球形非金属材料对甲烷掺氢爆炸抑制机理研究

目前甲烷掺氢技术广泛应用于管道运输,为了保障甲烷掺氢气体的运输安全,基于自主搭建的气体爆炸平台,采用实验与理论相结合的方法,研究了掺氢比对甲烷-空气爆炸压力的影响,并探究了单一球形和组合球形多孔非金属材料对甲烷掺氢的抑爆效果,为球形多孔非金属材料在混合燃料阻隔防爆领域的应用提供理论支撑与实验依据。实验结果表明:甲烷掺氢后爆炸强度显著增强,最大爆炸压力以及压力上升速率均随氢气体积分数的增大而增大;与单一球形多孔非金属材料相比,组合球形多孔非金属材料对甲烷掺氢的抑爆效果更突出,并且抑爆效果受填充长度影响,当填充长度为40 cm时,最大爆炸压力降低51.02%,最大爆炸压力上升速率降低53.85%,相较于单一球形多孔非金属材料,抑爆性能提升了78.58%。

破膜压力对氢气-甲烷-空气泄爆的影响

选取了300 mm×300 mm×1000 mm、顶部设有250 mm×250 mm泄爆口的管道,用不同厚度的铝箔密封泄爆口,注入氢气-甲烷-空气混合气体,进行泄爆实验,研究了0~44 kPa的爆破压力(P_(v))对火焰演化和管道内外压力变化的影响。结果表明,P_(v)会显著影响管道中火传焰播过程以及压力-时间变化曲线;所有实验中均观察到了内部压力的亥姆霍兹振荡,振荡频率随着P_(v)的增加而增大;当P_(v)≥12 kPa时会出现频率约为1200 Hz的声学振荡。对于某一确定的P_(v),管道内最大内部超压随至泄爆口距离增加而增大;靠近泄爆口处和管道中心的最大内部超压几乎随着P_(v)呈线性增加,但是靠近底部处的最大压力与P_(v)呈非线性递增关系,外部爆炸所产生的压力峰值随P_(v)的增加而增大。

掺氢甲烷射流扩散火焰燃烧特性分析

采用数值计算与实验相结合的方法研究了掺氢甲烷射流扩散火焰的燃烧特性。结果表明,热量的传递主要是通过热气流对流进行,上游高温气流快速沿轴向流动,径向热量传递较弱;而下游轴向速度降低,热量径向传递增强。喷嘴附近伴流气边界较为稳定,而下游在涡旋作用下出现显著的扰动。射流速度对火焰特性有较大影响,增大射流速度后,火焰高度、辐射强度以及CO、NO、CO_(2)、H_(2)O浓度皆显著增加,且辐射强度峰值向下游移动。掺氢量对火焰特性也有重要影响,随着H_(2)含量增加,燃料向下游传播距离缩短,CO、NO、CO_(2)浓度降低,H_(2)O浓度增加。