寬壓力範圍合成氣預混火焰的燃燒和污染物生成特性

《寬壓力範圍合成氣預混火焰的燃燒和污染物生成特性》是依託清華大學，由張海擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：寬壓力範圍合成氣預混火焰的燃燒和污染物生成特性
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：張海
• 項目類別：面上項目

項目摘要

結合CO2捕捉的IGCC技術被認為是最有潛力的近零排放先進發電技術，而實現煤氣化合成氣在燃氣輪機中的高效低污染燃燒是其中一個重要環節。合成氣具有組分多元、含氫量高、熱值較低、H2/CO比變化大等特點，燃燒和污染物生成特性與常規氣體燃料有很大的不同，迫切需要開展適用於IGCC寬壓力範圍的基礎研究。本項目利用對沖火焰方法和定容彈方法的各自優點，全面系統地研究合成氣預混火焰的燃燒和污染物生成特性，測定寬壓力範圍下合成氣預混火焰的層流傳播速度、吹熄極限和污染物生成濃度等，特別地，使用微重力國家實驗室的落塔消除浮力作用準確地測量微弱合成氣火焰的傳播速度、熄滅濃度、可燃極限和燃燒非穩定性；另一方面通過詳細的數值模擬和靈敏性分析研究合成氣在寬壓力範圍的燃燒和污染物生成的化學動力學和控制機理。研究成果可以豐富燃燒學理論，並為合成氣燃燒設備的最佳化設計和運行提供一定的理論指導。

結題摘要

採用實驗和數值模擬相結合的方法研究煤氣化合成氣的基本燃燒特性。在實驗方面，搭建了加壓對沖火焰實驗系統，系統地研究寬壓力範圍內合成氣預混火焰的燃燒和污染物生成特性，同時使用微重力國家實驗室的落塔來消除浮力作用，以準確地測量微弱合成氣的熄滅濃度和可燃極限。在計算方面，使用詳細化學反應機理和分子擴散模型，通過敏感性分析和路徑分析的方法研究合成氣預混火焰傳播和熄滅現象的控制機制。 實驗和模擬都表明火焰傳播速度和質量燃料速率隨燃燒中H2份額的變化呈現出非線性的變化趨勢。當H2份額較少時（≤15 %），質量燃燒速率隨著H2份額迅速增加；當H2份額較大時（＞15 %），增加的速度明顯放緩，並且幾乎呈線性。分析表明當H2份額較少時，含氫組分充當了CO火焰的催化劑；而當H2份額較大時，H2/O2化學動力學主導燃燒過程。基於漸近分析方法，提出了適用於H2/CO/空氣貧燃層流預混火焰的火焰傳播速度混合模型。經過校核，模型預測結果在較寬當量比範圍、H2份額、來流溫度條件下都與實驗結果符合較好。在較寬壓力範圍內，混合模型預測結果與詳細數值模擬結果也符合較好。 實驗發現，H2/CO/空氣貧燃層流預混火焰的熄滅極限隨著燃料中H2份額的增加而增加，隨著當量比的增加而增加。從化學動力學的角度出發引入了熄滅因子來描述熄滅現象的臨界條件，並發現火焰是否熄滅取決於由鏈分支反應和終止反應的競爭關係。微重力研究表明小拉伸下合成氣預混火焰的熄滅現象對質量擴散比化學動力學更敏感。H2和H的優勢擴散對熄滅極限起相反作用。 實驗證明，合成氣的貧燃可燃極限隨著未燃氣體的溫度線性降低。整體上“L-C”公式對合成氣的貧燃可燃極限的預測較為準確，但是當燃料中H2和稀釋氣體的體積分數較大時，“L-C”公式的預測值會出現較大的偏差。 發現稀釋劑顯著降低合成氣/空氣貧燃預混火焰的傳播速度和熄滅極限。CO2比N2的稀釋作用更強。在降低火焰傳播速度和熄滅極限方面，稀釋劑的熱力學效應起到主導作用，CO2稀釋的化學效應起到了次要作用，N2稀釋的化學效應和稀釋劑的擴散效應可以忽略。 研究成果可以豐富燃燒學理論，並為合成氣燃燒設備的最佳化設計和運行提供一定的理論指導意義。