大型气相化学动力学软件包CHEMKIN及其在燃烧中的应用

燃烧化学反应动力学是计算燃烧学中的重要内容之一。本文介绍了处理气相化学动力学的大型软件包 CHEMKIN的结构和不同版本的特点 ,并描述了它在燃烧问题中的应用。最后通过一个算例对 H2 /O2 /N2 均相绝热等压燃烧体系进行了处理和计算 ,以具体说明该软件包的应用效果。

基于CHEMKIN对锅炉SNCR脱硝系统模拟及优化

为了提高锅炉SNCR系统脱硝效率,本文利用化学动力学CHEMKIN软件,应用SNCR脱硝系统基元反应机理,对SNCR技术及含添加剂(CH4、H2)的SNCR脱硝过程进行数值模拟,以预测反应条件(温度、氨氮摩尔比、停留时间、烟气中初始NO浓度、烟气中的氧浓度)及添加剂(CH4、H2)对脱硝效率的影响及优化。通过CHEMKIN软件模拟及优化,能有效确定适合实际工程应用的反应温度窗口及还原剂氨的合适喷射量。

基于CHEMKIN-PRO的多元混合气体瓦斯燃烧模拟研究

针对多种不同性质气体对瓦斯燃烧过程的影响问题,采用CHEMKIN-PRO软件,构建USC Mech 2.0动力学模型对不同组分C_2H_4/CO_2瓦斯混合气体燃烧过程进行了深入研究,模拟分析了不同组分C_2H_4/CO_2瓦斯层流燃烧速率及H,O自由基体积分数的变化趋势,并利用SENKIN程序对其进行了敏感性分析。计算结果表明:随着CO_2体积分数的增大,层流燃烧速率降低,在φ<1和φ>1.25时分别降低了约13 cm/s和149 cm/s,H,O自由基体积分数降低,其协同抑制瓦斯燃烧;随着C_2H_4体积分数的增大,层流燃烧速率略微增加,在φ<1和φ>1.4时分别升高了约3和46 cm/s,H,O自由基体积分数升高,其协同促进瓦斯燃烧;在φ≤1条件下,随着当量比的增加,促进CH_4生成的关键反应步的敏感性系数升高幅度较大,其抑制瓦斯燃烧。

空气深度分级燃烧NO_x排放特性的CHEMKIN模拟研究

利用两段PFR反应器构建模型在CHEMKIN中模拟,研究空气深度分级燃烧中各个影响因素,使用生成速率分析和敏感性分析,探求燃料N向NOx的转化路径及原因.模拟结果表明,主燃区α对NOx转化率影响较大,高温强还原氛围能明显降低NOx排放;改变燃烧温度降低NOx排放,应当考虑主燃区,而非燃尽区;当主燃区温度小于1500℃,燃尽风比率为35%左右时,NOx排放最低;富燃条件下O2/CO2燃烧增大了OH/H,促进NOx生成;燃尽风位置向后移会降低NOx转化率,改变燃尽风氧浓度NOx转化率几乎不变.本文不仅扩大了前人对空气分级燃烧的研究范围,而且对于前人没有研究的影响因素给出了结果,并且进行了化学反应动力学分析,对实际锅炉运行过程中减少NOx排放具有指导意义.

基于CHEMKIN的可燃气体爆炸下限模拟研究

基于CHEMKIN软件的绝热燃烧相平衡模型,模拟甲烷、乙烷、丙烷在绝热状态下的燃烧实验,分别获得相应条件下的绝热温升和绝热压升。随着可燃气体体积分数的增加,绝热温升和绝热压升均呈现先上升后下降的趋势。将绝热压升为0.32MPa时对应的可燃气体浓度作为该体系的爆炸下限值,通过计算获得三种气体的爆炸下限值,并与文献值进行对比,吻合程度较好。利用该模型对含氮混合气体的燃烧过程进行模拟,分析惰性介质氮气对爆炸反应的抑制机理,并利用压力判断准则计算混合气体的爆炸下限值。预测值与文献值的最大绝对误差为0.54%,平均绝对误差为0.274%。结果表明所建立的绝热燃烧相平衡模型能够准确地预测单一体系和含氮混合体系等可燃气体的爆炸下限。

O_2/CO_2气氛下煤粉燃烧中NO_x转化机理的CHEMKIN模拟

采用CHEMKIN软件中的PFR模型对不同气氛(O_2/CO_2和O_2/N_2)下煤粉燃烧过程中燃料氮NH_3的转化和NO_x生成机理进行模拟,并在模型中首次引入外部的湿烟气再循环来模拟实际富氧煤粉燃烧过程中NO_x的生成机理及影响因素。通过CHEMKIN模拟可以较为准确地定量分析富氧燃烧条件下燃料N的转化规律,富氧燃煤过程中引入再循环烟气可降低燃料N向NO的转化率,其中碳黑与NO的反应对再循环烟气中NO的还原起主要作用。

基于Chemkin的NTP转化NO/O_2/N_2中NO的数值模拟

主要讨论了低温等离子体对NO/O2/N2气氛中NO的转化并试图揭示其化学反应机理,建立PFR等离子体管流模型,利用Chemkin对处理NO的化学过程进行反应动力学模拟,将模拟结果与介质阻挡放电低温等离子体反应装置的试验数据进行对比。模拟和试验结果均表明,NO浓度随着放电功率的增加而下降,NO2、O3浓度随着放电功率的增加先增大后减小,从而验证了动力学模型的合理性。利用该机理模型,对反应体系中其余活性物种浓度进行模拟,得出这些物种的浓度变化曲线。

O_2/CO_2气氛下甲烷燃烧中NO_x转化过程的CHEMKIN模拟

采用CHEMKIN中的PFR模型对CH4在不同气氛(O2/CO2和O2/N2)下的燃烧过程进行单程模拟来研究NH3的转化和NOx生成过程,并引入烟气再循环对其进一步模拟来研究实际富氧甲烷燃烧NOx排放机理。结果表明:富燃料燃烧时CO2气氛下的NOx排放比N2气氛高,贫燃料燃烧时2种气氛的NOx排放相当。CO2气氛下,引入烟气再循环后,过氧系数λ=0.7时,NOx排放比单程时降低95%;λ=1.2时比单程降低18%。烟气再循环是导致富氧甲烷燃烧低NOx排放的主要因素。

基于CHEMKIN的E10乙醇汽油的燃烧模拟研究

应用化学反应模拟软件CHEMKIN,基于汽油及乙醇的燃烧机理形成模拟乙醇汽油燃烧所需的机理文件,利用单区模型对乙醇汽油燃烧过程进行模拟,分别讨论进气温度、进气压力和压缩比对乙醇汽油燃烧过程的影响。

基于Chemkin乙醇部分氧化重整制氢的热力学分析

基于化学反应计算分析软件Chemkin,利用最小吉布斯自由能最小法,分析乙醇部分氧化重整制氢反应热力学平衡时的组成,以及在温度500~2000 K、压力50~400 kPa、氧醇物质的量比0~2.0条件下计算平衡组成的变化规律。计算结果表明,平衡组成受温度和氧醇比的影响较为显著。在温度1100 K、压力120 kPa、氧醇比0.60的最优操作条件下能得到较好的重整效果。

响应曲面法优化甲烷水蒸气重整制氢工况参数

基于Chemkin的蜂窝整体式反应器计算甲烷水蒸气重整中的甲烷转化率和氢气产率,得到不同工况参数(反应器温度、水蒸气与甲烷的摩尔比(水/碳比)和压力)对甲烷转化率和氢气产率的影响。采用响应曲面法以及Box-Behnken-Design模型对不同工况参数进行优化,建立以氢气产率为响应目标的响应模型。结果表明,水/碳比和反应器温度对氢气产率的影响最为显著。当反应器温度为1079.65 K、水/碳比为3.94、压力为0.11 MPa时,模拟3次的平均氢气产率为80.58%。采用化学反应过程仿真与数值结果预测相结合的方法,显著减少了仿真时间,提高了计算效率和精度。

基于Chemkin的甲烷HCCI燃烧模拟研究

均质充量压缩点燃着火HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 作为内燃机新型燃烧方式,具有高效、低排放燃烧的巨大优势,为汽油机性能的提高提供了广阔前景。文中基于化学反应模拟软件 Chemkin,利用九区模型模拟了甲烷的 HCCI 燃烧过程,分别讨论了进气压力、进气温度、压缩比和燃空当量比对甲烷 HCCI燃烧的影响。

三元可燃混合气体爆炸极限实验及预测方法

为了控制并预防原油的储存及输运过程中挥发气体造成的安全风险,在20 L球形爆炸容器内开展了由原油中挥发轻烃CH 4、C_(3)H_(8)和C_(2)H_(4)构成的三元可燃混合气体的爆炸极限实验,提出并验证了基于Le Chatelier定律及Chemkin模拟的一维层流预混火焰模型预测三元可燃混合气体爆炸极限的方法。结果表明,三元可燃混合气体爆炸极限始终位于3种纯组分的爆炸极限内,随着某一纯组分增加呈现出接近其爆炸极限的趋势。3种纯组分对爆炸上限的影响要强于对爆炸下限的影响,其中C 2H 4对三元可燃混合气体爆炸上限影响尤为显著。两种预测方法的预测结果均与实验规律性一致。Le Chatelier定律预测混合气体爆炸下限较准确,但对爆炸上限的预测随着C_(2)H_(4)的增加偏差增大,修正后偏差明显减小;Chemkin预测爆炸下限虽存在一定偏差,但在实验偏差的允许范围内,可作为一种预测三元可燃混合气体爆炸下限的新方法。

氢气-乙醇-空气预混层流燃烧特性仿真研究

利用数值模拟方法,采用Chemkin软件分析计算得到氢气-乙醇-空气预混燃料的层流燃烧速度、密度比、绝热火焰温度、火焰厚度、敏感性系数和主要自由基的摩尔分数等数据。结果表明,预混火焰的层流燃烧速度与初始压力呈负相关,在所有初始条件下,其峰值出现在当量比Φ为1.2左右,并且随着氢气含量的增加,峰值向富燃侧移动。密度比和绝热火焰温度都随着当量比的增大而呈现先升后降的变化趋势,而火焰厚度则表现出相反的规律。绝热火焰温度在Φ=1.1时达到最高,比层流燃烧速度达到最高值的当量比小,这是由于实验中存在较大的热损失。此外,初始压力的升高会使得火焰厚度变薄,导致火焰表现出不稳定的趋势。在任何工况下,H+O_(2)=O+OH均为敏感性系数最高的基元反应,该基元反应的敏感性系数与H摩尔分数均在Φ=1.2时达到最大值。

氮气浓度对扰动条件下甲烷爆炸特性的影响

为探究不同氮气浓度对扰动条件下甲烷爆炸特性的影响,采用20 L球形爆炸试验装置开展了不同浓度(体积分数)甲烷爆炸的抑制试验,试验的扰动条件由空气射流产生,扰动强度通过粉尘仓的初始压力控制,并采用CHEMKIN软件对甲烷爆炸的反应机理进行了敏感性分析。结果表明:无论是均匀静置状态还是扰动条件下,甲烷的爆炸强度均随氮气浓度的增加逐渐减弱,且氮气对高浓度甲烷爆炸的抑制作用更显著,在11.2%甲烷浓度和1.5 MPa扰动强度下甲烷的最大爆炸压力下降值最大,其值为0.6635 MPa;相比均匀静置状态,扰动条件在一定程度上削弱了氮气对甲烷爆炸的抑制作用,增加了甲烷的爆炸强度,导致甲烷的爆炸压力峰值时刻延长,且不同扰动强度之间甲烷的最大爆炸压力值均相近;氮气不会直接参与甲烷爆炸过程中的基元反应,而是通过稀释反应系统中的氧气浓度来影响基元反应的进行。该研究结果可为有效防治瓦斯爆炸提供理论参考。

空气分级与加湿燃烧NO生成特性模拟

为降低燃气锅炉排烟中的氮氧化物,达到燃气锅炉排烟要求,采用CHEMKIN中2段PFR(柱塞流反应器)模型,模拟空气加湿与分级燃烧方式下燃气锅炉的降氮性能,并对影响NO生成的反应做敏感性分析。结果表明:在空气分级基础上,模型入口助燃空气加湿,会进一步降低模型出口NO摩尔分数。复合燃烧方式下,2段PFR模型入口助燃空气均加湿的降氮效果最佳,可提高7.4%的降氮率。同时,模型燃烧温度降低,可将降氮率提高到65.7%,相比于单独空气分级燃烧降氮率提高了22.1%,空气分级与加湿燃烧能够有效降低锅炉排烟中NO摩尔分数。

微米铝粉在氢气/水蒸气氛围下燃烧机制研究

为探究铝制品在生产加工过程中蕴含的气粉两相体系爆炸风险,揭示铝粉在潮湿环境下燃烧机制,基于Chemkin软件模拟微米铝粉在氢气/水蒸气氛围下微观反应进程,结合铝粉气相燃烧机制,构建包含Al、O、AlO、AlO_(2)、AlH等28组分、68步基元反应的化学反应动力学模型。通过改变水蒸气与空气的摩尔比,分析水蒸气含量对燃烧温度敏感性的影响,以及对关键自由基的摩尔分数和最大生成速率的影响。结果表明:基于温度敏感性分析,发现水蒸气含量的增加会降低微米铝粉平衡时的燃烧温度。其中,影响平衡时燃烧温度的关键基元反应R32(即Al+H_(2)O=AlOH+H),由开始的先促进升温后抑制升温变为完全抑制升温。基于生成速率分析,得出水蒸气含量的增加会降低O和AlO自由基平衡时的摩尔分数。基于反应路径分析获取微米铝粉在氢气/水蒸气氛围下燃烧的关键反应路径,其中,Al→O、Al→AlO、Al_(2)O_(2)→AlO等基元反应较强。

气态氨作还原剂的SNCR脱硝工艺的试验研究与模拟

在自行研制的试验台上对氨气作还原剂的SNCR脱硝工艺进行了实验研究,并利用化学反应动力学软件Chemkin 4.1进行了模拟。通过试验发现,采用自制改进型槽缝式TB系列喷嘴内部喷入的方式明显优于侧喷,提高了NOx的去除率。以NOx去除率高于50%为标准,试验所得温度窗口为863~937℃。随着氨氮比的增大,NOx的去除率和氨的泄漏量增大,当氨氮比大于1.0后,NOx去除率的随氨氮比增大的幅度减小,而氨的泄漏量增大幅度增大。利用Chemkin 4.1的模拟所得的温度窗口和NOx去除率与实验基本相符,通过对详细机理中重要基元的分析,得出了各温度下的主要反应途径。

CO对选择性非催化还原脱硝工艺影响的试验研究和模拟

在自行设计的选择性非催化还原(SNCR)脱硝试验台上,通过在还原剂中添加CO,研究了CO对SNCR脱硝工艺的影响,并利用Chemkin 4.1软件对试验工况进行了模拟.结果表明:改进型TB系列喷嘴采用中心逆喷方式可大大增强还原气体与主烟气的混合效果,明显优于工业上常用的侧喷方式,且不存在还原剂的催化分解问题;添加CO可使SNCR工艺的反应温度窗口降低并变宽;在低于875℃的条件下,添加CO有助于提高NOx的脱除效率,随着CO添加量的增加,既定温度下NOx的脱除效率先提高后降低,且随着温度的降低,达到NOx的最大脱除效率所需的CO添加量增大;添加CO可大大减少氨的泄漏量.通过对反应机理中的部分反应进行修正,使得模拟结果与试验结果基本一致.

W火焰锅炉SNCR烟气脱硝工艺优化

为优化某600 MW机组W火焰锅炉选择性非催化还原(SNCR)烟气脱硝工艺设计,本文通过化学动力学分析和流体动力学分析,对其脱硝系统进行模拟,确定了研究对象采用SNCR烟气脱硝工艺的温度、理论脱硝效率、喷枪布置位置等设计参数,最终获得46%的实际脱硝效率。分析结果表明:化学动力学分析未考虑还原剂与NO_x混合不均匀带来的影响,获得的理论脱硝效率较高;流体动力学分析考虑了传质的影响,得到的脱硝效率低于理论值;说明实际工程中,混合传质是影响SNCR脱硝效率的重要因素。