我国高碱煤燃烧特性研究和工程应用进展

我国具有丰富的高碱煤资源。从基础研究、关键技术和工程实践等方面对高碱煤燃烧技术的研究和工程应用进展做一个较为全面的综述和总结,特别介绍了液态排渣锅炉全烧新疆高碱煤的机理研究和实践最新状况,以期为后续开发更为经济、可长期安全大比例掺烧甚至纯烧新疆高碱煤的燃烧技术提供参考。

燃烧系统参数对商用车发动机燃烧和排放特性的影响研究

为改善商用车发动机性能,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟、正交设计等方法,针对某商用车的燃烧室结构参数设计了4种新方案,并选取油束夹角、喷雾锥角、主喷正时等3个喷油参数开展多因素影响研究。结果表明:燃烧室形状曲线向内收缩且最大半径增大的方案1燃烧室可提升缸内湍流特性,改善燃油浓度分布,使燃烧速度加快,油气混合更好,为最优方案。在喷油参数研究方案中,以碳烟(soot)排放为优化指标时,油束夹角对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角147°、喷雾锥角15°、主喷正时-1°,其缸内碳烟排放较原机下降13.91%,且NOx排放减少13.98%;以氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)排放为优化指标时,主喷正时对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角160°、喷雾锥角25°、主喷正时-1°,其缸内NOx排放较原机降低37.79%。

氨气/甲烷无焰燃烧污染物生成特性的实验研究

为了深入了解氨气/甲烷无焰燃烧的污染物生成特性,本文在改进的旋风无焰燃烧炉中通过实验研究了氨气/甲烷燃料组成、当量比(φ)、热负荷(P)以及空气预热温度(Tin)对炉膛温度以及污染物排放的影响.研究结果表明:随着氨气热值比例的升高,炉膛温度和NO_(x)排放均是先升高后降低,并在中等掺氨比附近取得温度和排放的峰值.在相同条件下,纯氨和氨气/甲烷无焰燃烧都在理想当量比附近时取得最低排放.热负荷和预热温度的升高会提高炉膛温度造成NO_(x)排放的升高,热负荷的升高不利于控制氨逃逸,但预热温度的升高有利于降低氨逃逸.

燃烧室抛光技术对汽油机经济性影响的研究

在一台单缸汽油机上,进行了燃烧室壁面抛光前后燃烧相位、燃烧持续期与平均指示热效率相互影响变化规律的试验研究。结果表明:单缸汽油机以化学计量空燃比、低负荷、低圧缩比运行时,抛光后的燃烧室传热损失减少、经济性改善,平均指示热效率从40.8%上升到了42.2%,而随着负荷的增大、压缩比的提高,抛光后燃烧室传热损失减小带来的爆震效果增强,燃烧相位推迟和燃烧持续期延长,最终导致平均指示热效率下降;当汽油机以稀薄燃烧模式运行时,平均指示热效率上升,最高热效率超过45%;当汽油机进入爆震区域以10.5 bar负荷运行时,抛光后燃烧室传热损失减少增强了爆震效果,导致平均指示热效率相比于抛光前总体下降。

压力对稠油拟组分氧化的影响

为进一步明确稠油火驱过程中的反应动力学行为和产出原油组分变化规律,通过实沸点蒸馏法将新疆红浅1井区稠油划分为不同沸程的拟组分,研究了体系压力对沸程高于350℃的稠油拟组分氧化行为的影响,并在线性升温条件下进行燃烧池实验,研究体系压力对稠油各拟组分与空气反应时的产气体积分数、温度和放热量的变化规律。结果表明:体系压力对低温氧化阶段的加氧反应和脱羧反应有显著影响,且对低沸程拟组分的影响更加明显;沸程为350~420℃的拟组分在体系压力为3.0 MPa时的CO+CO_(2)生成量是其在1.0 MPa时的10倍;高沸程拟组分虽然受体系压力影响较小,但沸程大于500℃的拟组分的放热量可高达12.26 kJ/g;稠油火驱的改质效果取决于重质组分的消耗量和裂解反应。研究结果为火驱过程中稠油组分的缺失情况和油藏温度的合理分析及预测提供了借鉴。

含氟材料助燃硼粉研究进展

系统综述了含氟材料助燃硼粉的研究进展,并分析了助燃机制。研究表明,不论无机含氟材料、有机含氟材料还是自组装含氟材料,对硼粉燃烧都有一定的助燃效果。但是,不同含氟材料对硼粉的助燃效果有很大差异,新兴的自组装含氟材料结构规整,可能极具应用价值,值得深入研究。分析表明,含氟材料的助燃机制为氟自由基或含氟基团的自由基的催化作用,该发现对材料的应用场景具有重要参考意义。综合大量文献研究,作者首次提出,氢含量低、易于热解且热解时易产生氟原子及含氟烷烃、含氟烯烃的自由基的材料,对硼粉会具有更好的助燃效果。研究结果预计对火炸药行业从业者会有重要的参考价值。

稠油油藏蒸汽-空气复合火驱特征分析及参数优化

针对常规火驱存在热利用率低和高黏油启动慢的问题,以新疆红浅1井区稠油油藏为例,利用数值模拟模型对比了常规火驱和蒸汽-空气复合火驱的驱油特性和燃烧特性,通过对复合火驱各区带的温度、含油饱和度等参数进行分析,探究了蒸汽-空气复合火驱协同增效作用,并对蒸汽-空气复合火驱的注入参数进行了优化。结果表明:提产增效的主要机理是湿蒸汽吸收已燃区中滞留的热量变为过热蒸汽,并被高速流动的空气携带穿过燃烧前缘,使冷油区原油黏度大幅度降低,在提高驱油效率的同时增大了蒸汽冷凝带的宽度、燃烧波及体积和火线推进速度;注入参数的优化能提高复合火驱的开发效果,水气比越大,产能越高,而采用段塞注入会降低产能,为满足经济效益开发,最佳水气比应为3.0×10^(-3)m^(3)/m^(3)左右,最佳注汽段塞间隔应为90~120 d。该研究成果对火驱油藏提高开发效果具有借鉴意义。

当量比分层压燃的火焰发展特性与控制机制

针对柴油机当量比分层充量压缩着火的可控性问题,基于OpenFOAM平台构建了一维分层充量自燃及火焰发展的理论模型,在压力为6MPa、温度为850 K工况条件下,研究了当量比分层压缩燃烧过程的基本特征和控制机制,以及当量比分层策略对燃烧过程的调控作用.结果表明:当量比分层压燃早期的组分扩散对化学反应影响较大,中期主要受化学反应和压力波耦合后的共同控制,而后期化学反应和压力波解耦,主要受化学反应控制,压力波影响较小;小负荷工况(整体当量比为0.3)下通过组织合理的充量分层可以使50%放热对应的时间从1.312 ms缩短到0.685 ms,燃烧速度提高近1倍,而大负荷工况(整体当量比为0.7)下可以通过部分分层策略将50%放热对应的时间从0.357 ms延长到0.477 ms.

大缸径柴油机燃烧系统优化模拟

为提高某缸径200 mm船用发电柴油机的燃油经济性,本文设计了活塞燃烧室和燃油喷射系统的升级方案并进行了模拟优化。升级方案提高了压缩比和燃油喷射压力,采用大径深比浅ω燃烧室配合158°喷油夹角喷油嘴。对不同方案下发动机的缸内工作过程进行了计算流体力学模拟,计算了高压指示功和放热率相位,分析了缸内温度、反应过量空气系数和速度分布及演化。模拟结果表明:升级方案能够提高发动机热效率。增加喷孔数并减小孔径,可以在保持NOx排放基本不变的条件下提高高压指示功4.5%,降低碳烟排放约60%。采用“平顶”浅ω燃烧室与158°喷油夹角喷雾配合,油气混合气快速进入余隙并形成逆时针的漩涡流动,能够加速油气混合和燃烧过程,提高热效率。

基于硝化棉助燃的含能粘合剂爆热特征值测试研究

为了表征含能粘合剂的能量特性,开展了含能粘合剂的燃烧热、生成焓与爆热特征值的测试研究并评估了将其作为含能粘合剂能量特性量化指标的合理性,探索了利用硝化棉(NC)助燃来测试含能粘合剂爆热特征值的方法。结果表明:当含能粘合剂/NC质量比达到1∶5时,绝大多数含能粘合剂可以充分燃烧;以硝化棉为助燃物可准确测取含能粘合剂的爆热特征值,所测聚硝酸酯基缩水甘油醚(PGN)与聚乙烯醇硝酸酯(PVN)的爆热特征值分别为3164、4713 kJ·kg^(-1),与文献值的相对误差均小于5%;燃烧热不能准确反映含能粘合剂的能量优势,采用爆热特征值可较好地表征含能粘合剂的能量特性,避免了生成焓正负之分导致估值体系自我矛盾的缺点;在隔绝氧气的条件下,含能粘合剂能量贡献值从小到大依次为GETPE<FATPE<GAP<PBAMO<NC(12%)<PGN <PVN。

燃烧热测定实验的课程思政设计——农林废弃物的热值测定

燃烧热测定是一个经典的物理化学实验。本案例将燃烧热测定与农林废弃物燃烧发电对接,对实验内容进行了适当调整,让学生了解燃烧热测定对保障发电厂安全运行的重要意义,以及农林废弃物燃烧发电对服务“三农”、乡村振兴和“双碳”战略的重要意义,提高了学生学以致用的能力,激发了学生的学习兴趣,引导学生关心国家能源安全、环境保护、可持续发展和人民的生命健康,对提升学生的能力和素质发挥了良好作用。

电厂锅炉实验虚拟仿真系统建设与应用

为开展能动专业核心课程“锅炉原理”的实验教学,校企合作开发了电厂锅炉实验虚拟仿真系统。基于两相流动与辐射对流传热原理构建的仿真系统,由风烟和汽水两大模型构成,严格遵守质量、能量、动量守恒方程。变负荷虚拟实验显示,随锅炉负荷增加,热效率降低、燃料耗量增加。根据辐射传热原理,结合火焰平均温度计算发现:只有炉膛出口烟温增加,才能保证炉膛传热负荷增加,继而抬升排烟温度,导致排烟热损失变大、锅炉热效率降低。锅炉原理实验虚拟仿真,可训练学生运用锅炉本体热力计算原理分析问题的思维,是落实创新能力培养的重要举措。

MILD粉体燃烧技术研究进展与关键问题分析

MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式,兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势,国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来,对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已相对成熟,而关于煤粉和生物质等固体燃料的MILD燃烧机制和实现条件的研究仍相对缺乏。基于高动量氧化剂射流来实现内部再循环,不再需要外部高温预热来建立MILD燃烧,极大拓宽了MILD燃烧的应用范围。从颗粒弥散、受热、着火、燃烧、污染物等方面概述了MILD粉体燃料燃烧的基础特性,由于颗粒的不均匀弥散和反应,煤粉等碳基固体燃料的MILD燃烧进程较气体燃料更复杂。高速射流MILD燃烧在增加点火延迟的同时也扩展了点火区和反应区,需要对燃烧各阶段的特征和机理开展系统研究。介绍了固体燃料MILD燃烧理论设计和装备研发领域所取得的研究成果,建议通过高精度数值模拟,改进现有燃煤锅炉燃烧器、调节工艺参数以匹配MILD燃烧模式,增加焦炭颗粒的停留时间以提高燃烬率,提高燃烧稳定性并抑制包括细颗粒物在内的各类污染物排放。基于互联能源系统的整体方法,推进MILD燃烧与各类新型燃烧技术的耦合研究,尤其加强煤粉、生物质与氢、氨等可燃气体共燃特性研究,助力能源转型。探究粉体MILD燃烧中的湍流两相流特征、湍流相间传热作用以及湍流-化学耦合作用是加深对粉体MILD燃烧理解的关键,涉及多变量分析和高精度模拟,是未来研究的重点和难点。

烟气再循环的综合性能模拟研究与评价

目前燃气锅炉多采用烟气再循环降氮技术。为了深入探析烟气再循环技术的降氮效果与燃烧特性,利用CHEMKIN分析不同再循环率对NO生成的影响及其主要生成路径分析;利用FLUENT研究不同再循环率对炉内燃烧速度场、温度场和浓度场的影响;从不同角度对烟气再循环技术进行分析并给出综合评价。结果表明:25%再循环率时,NO质量浓度仅为19.26 mg/m^(3),降低了89.79%。18%再循环率时,排烟中CO质量浓度最低,约为150 mg/m^(3)。炉内燃烧温度可从1927℃下降至1595℃,N_(2)直接转化为热力型NO的反应路径占比大幅降低,仅为29.14%。燃气锅炉随再循环率的提升呈现出低NO排放以及低锅炉效率的趋势。

桉木屑颗粒燃料固体桥结构构建与燃烧特性研究

在成型燃料内部构建固体桥结构可有效改善其物理品质,利用不同粒径桉木屑构建了具有固体桥结构的颗粒燃料,并进一步研究了颗粒燃料的燃烧特性。提出的构建方法为同种原料不同粒径混配成型,在电子压力机上进行了粒径(0,1 mm]原料混配粒径(4 mm, 5 mm]原料的颗粒压缩成型实验,结果显示混配量5%~10%时颗粒内部长粒径粒子的交叉缠绕,可形成适量的固体桥结构,短粒径粒子填充饱满,粒子间结合紧密。较佳的混配量为5%,颗粒具有较高的松弛密度,为1 074.79 kg/m^(3),最高的Meyer强度,为23.93 MPa,最低的比能耗,为27.06 kJ/kg,平衡含水率为11.65%,吸水速率k为0.015 3 min^(-1)。在热分析仪上进行了成型颗粒燃烧实验,颗粒燃烧过程较为平稳且有所延长,在升温速率10~40℃/min的范围内,着火温度Ti在246.60~265.00℃之间,最大失重速率(dm/dτ)_(1max)在-6.84~-29.10%/min之间,综合燃烧指数S在7.26×10^(-12)~1.09×10^(-10)min^(-2)·K^(-3)之间。在X射线荧光光谱仪上分析了颗粒灰分的元素组成,预测颗粒燃烧时具有中等或较高的结渣沾污趋势。

氨/氢燃料射流点火船用发动机燃烧特性

为突破氨在发动机中的燃烧局限性,促进氨燃料高效快速燃烧,提出了一种利用氢气射流火焰点燃氨燃料的方案。通过向主动式预燃室供给氢气,进气道内预混氨/氢燃料,实现氨在大缸径船用发动机上的稳定高效燃烧。基于数值模拟计算方法,在改进了Otomo氨/氢机理基础上,探究了进气温度、掺混氢气的质量分数和主燃室当量比对氨/氢燃料着火与燃烧特性的影响。研究结果表明,射流火焰可以在主燃烧室形成燃烧所需的热力学环境和高活性热射流。在当量比为0.4、不掺混氢气的条件下,450 K进气温度可以实现氨燃料发动机的稀薄燃烧,在掺混氢气的质量分数较低时,射流点火对火焰发展促进作用更显著;掺混氢气的质量分数提高至10.0%可以使燃烧相位提前18°,但爆震风险增加;在进气温度为320 K和掺混氢气的质量分数为2.5%条件下,主燃室在当量比最小为0.45时可正常着火,但随着更接近理论空燃比的燃烧,指示热效率略有提升,主动预燃室氢射流点火的燃烧模式在实现氨发动机高效快速燃烧方面具有良好的潜力。

气道及燃烧室对米勒循环发动机性能的影响

基于CONVERGE软件对比分析了中、高滚流比进气道及挤气结构对缸内流场及燃烧特性的影响,仿真与试验变化趋势较为一致,结果表明,在2500rpm 1.2MPa工况下,相比高滚流气道,中滚流比气道及挤气方案缸内流场的变强,燃烧特性变好,油耗分别降低0.5%、2.13%;在6000rpm 1.5MPa工况下,中滚流气道流场及燃烧变差,功率降低2.2%,而挤气方案流场降低幅度相对较小,且流场分布相对较好,爆震倾向变好,燃烧相位提前,功率提高4.17%。

在线燃烧离子色谱法测定环氧树脂中的氯和溴

建立了在线燃烧离子色谱同时测定环氧树脂中氯和溴的分析方法.采用高温裂解炉与离子色谱的在线联用装置,通过对样品进行高温燃烧裂解和气化,以100 mg·L^(-1)过氧化氢为吸收液,将产生的卤化氢气体吸收并转化为无机阴离子,离子色谱法进行样品的测定,以氯和溴的峰面积外标法进行定量.对影响燃烧效果和测定结果准确度的因素如燃烧时间、燃烧温度、吸收液体积、称样量、氧气和氩气流速等条件进行了选择优化.在(0.10—2.50)mg·L^(-1)和(0.02—0.50)mg·L^(-1)范围内,氯和溴离子的线性相关系数(r^(2))大于0.999,该方法对于氯和溴的定量下限分别为0.55 mg·kg^(-1)和2.60 mg·kg^(-1).采用建立的方法分别对环氧树脂和EC680k低密度聚乙烯标准物质中的氯和溴进行测定,并与传统的氧弹燃烧-离子色谱法进行了比较.结果表明:在线燃烧离子色谱法对于环氧树脂中氯和溴测定结果的相对标准偏差分别为1.28%和2.29%,测定值与氧弹燃烧-离子色谱法基本一致,EC680k的测定结果与标准值符合,证明该方法具有良好的准确度和精密度.该方法准确度和灵敏度高、重复性较好,能够满足批量树脂类样品中氯和溴的含量筛查和多批次产品的质量控制.

不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性研究

基于大气模拟综合测试系统,模拟0 m、1 000 m和2 000 m海拔的大气压,对不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性进行研究。研究结果表明:不同海拔下,随着氢气替代率增加,预混合燃烧增强,缸内燃烧速度加快,缸压峰值升高,其对应相位提前;碳烟和CO排放先下降后上升,NO_(x)排放增加,CO_(2)排放减少。随着海拔上升,过量空气系数减小,有效热效率降低。转速为1 600 r/min时,随着海拔高度升高,预混合燃烧减弱,发动机缸压峰值下降,其对应相位推迟;CO排放最低时,与0 m海拔比较,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别增加44.44%和127.78%,CO排放增加8.95%和16.86%,CO_(2)排放增加4.34%和16.86%,碳烟和CO_(2)排放增幅随海拔增加而上升。转速为3 000 r/min时,随着海拔高度上升,缸压峰值略有升高,缸压峰值对应相位提前,预混合燃烧增强;碳烟、NO_(x)、CO和CO_(2)排放升高,排放增幅随海拔升高而增大。与海拔0 m比较,当碳烟排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别升高18.67%和56.04%,NO_(x)排放分别上升14.78%和38.40%,CO_(2)排放分别升高7.29%和15.80%;CO排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,CO排放分别上升24.53%和62.87%。

空气驱油可燃气体爆炸安全风险分析

目的目前,安全问题仍然是限制空气驱大规模应用的主要原因,为此进行了针对其爆炸极限计算方法的研究。方法通过对6种可燃气体的单组分计算方法、单组分文献值与2种多组分计算方法进行组合,得到了14种计算组合,将其与国内某油田3口井的爆炸实测值进行比较,以判断哪种组合适应性最好。结果含碳原子单组分燃气计算法与多组分燃气计算中查图-理·查特里修正法组合得到的计算结果整体误差相对较小,更符合爆炸极限实测值。结论可为C_(1)~C_(3)轻烃体积分数达90%以上的井流物的爆炸极限理论计算方法的选择提供参考。