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。

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。

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.

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。

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。

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。

NH_(3)/CH_(4)燃烧特性分析

氨是一种潜在的CO_(2)零排放能源替代品,因此对其燃烧特性进行深入研究对于优化燃烧过程和减少环境污染具有重要意义.本研究使用Chemkin软件进行模拟,探讨了NH_(3)/CH_(4)混合气体的燃烧特性,通过比较不同混合比例的NH_(3)/CH_(4)燃烧过程中的热值、火焰传播速度和氮氧化物的排放含量等特性.模拟结果表明,在不同的混合比例下,NH_(3)/CH_(4)的燃烧速率在化学计量下燃烧速度最快,但同时会产生更多的氮氧化物.在实际应用中,应该综合考虑多种因素以达到最高的燃烧效率和最低的环境污染.

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。

两冲程HCCI自由活塞式内燃发电机仿真

综合利用Matlab/Simulink、Chemkin、电磁场有限元法对HCCI自由活塞式内燃发电机建立了仿真模型。分析了系统的运动特征,阐明了它与传统内燃机运动规律的差异。讨论了变负荷、燃空当量比下自由活塞式内燃机的变压缩比特性。仿真结果表明,自由活塞式内燃发电机能够根据外部参数调节压缩比,当工作在高压缩比下时,有利于提高燃烧效率、降低内燃机排放。

燃煤烟气NO/SO_2对Cl/Cl_2形成过程的影响机制

燃煤烟气中Cl/Cl2的形成过程对Hg0的转化有重要影响。应用CHEMKIN软件包,在典型燃煤烟气温降速率下,通过化学动力学模拟的方法,研究了NO/SO2对Cl/Cl2形成过程的影响,主要得出以下结论:Cl原子形成过程中OH是重要反应物,NO抑制Cl原子形成的原因是由于NO会与Cl原子生成反应竞争反应物OH。另外,NO与OH反应后的产物HONO会与Cl原子反应生成HCl和NO2,从而进一步降低烟气中的Cl原子浓度。SO2会大量消耗反应体系中的O原子,而O原子主要通过OH转化生成,O原子的大量消耗促进了OH转化为O原子,使得OH在Cl原子形成过程中的作用被削弱,从而使SO2抑制了Cl原子形成。Cl2主要通过Cl原子转化形成,因此Cl原子的形成受到抑制将同时导致Cl2形成过程受到抑制。

CF_3H熄灭CH_4/O_2火焰过程中产生HF的数值研究

三氟甲烷(CF_3H,HFC-23)是一种优良的哈龙替代物,在目前的气体灭火介质市场占据显著的位置。然而,在三氟甲烷和火焰作用的过程中产生的HF不仅对火灾现场设备具有严重的腐蚀,而且对灭火现场人员具有严重的伤害。首先采用κ-ε涡黏湍流模型,对CF_3H熄灭CH_4/O_2的二维稳态湍流非预混燃烧进行数值分析,讨论杯式燃烧器中CF_3H熄灭CH_4/O_2火焰过程中HF组分变化规律,通过改变初始参数分析CF_3H浓度、CH_4/O_2配比对HF生成量的影响;采用CHEMKIN 4.0程序模拟CF_3H熄灭CH_4/O_2火焰中温度、反应物、主产物和自由基浓度随火焰高度的变化关系。结果表明,火焰上方20～25cm的区域为HF富集区;H、CF:O为生成HF的重要中间产物,可以通过降低中间产物浓度降低HF。

乙醇/正庚烷燃烧过程PAH形成的数值模拟

应用CHEMKIN化学动力学软件,构建乙醇/正庚烷的芳香烃(PAH)形成机理(包含241种组分,1,703个基元反应).在激波管和预混火焰条件下,研究乙醇/正庚烷燃烧过程中前驱体单环芳香烃(苯)和多环芳香烃(萘、菲、芘)的形成,探讨乙醇掺混比对PAH形成的影响.对生成速率的分析结果表明,丙炔基的聚合与环化、苯基的加氢反应是形成苯的主要反应;多个苯环的形成主要通过脱氢加乙炔反应;具有氧化性的H和OH自由基减少了PAH的生成.敏感性分析结果表明,乙醇/正庚烷燃烧过程中,促进苯生成的主要反应是戊基、戊烯、烯丙基和丙基的分解.随着乙醇掺混比的增加,燃烧过程中分解形成的活性羟基(—OH)摩尔分数增加,PAH的生成速率下降,表明乙醇具有抑制PAH形成的作用.