ODPP/OESC条件下一维对冲火焰结构及污染物排放规律的研究

摘要

当今社会环境日益恶化，污染物控制策略与新型燃烧工艺研发刻不容缓。为了深入探究ODPP/OESC燃烧过程，本文通过一维线形对冲火焰实验系统和cosilab仿真模拟平台，对稀氧部分预混/富氧补燃（ODPP/OESC)一维对冲平面火焰的燃烧特性进行了详尽的分析，并与空气部分预混燃烧（PPC）进行了对比；分析了不同工况下的火焰燃烧过程、熄灭特性及NOx排放规律。本文着重对以下几个方面进行了研究： 首先，调节两侧气流的组分浓度与流速，研究了影响对冲火焰结构的主要因素。发现相对于预混侧而言，富氧侧变化对火焰面影响可忽略不计。随着预混侧p的增加、稀氧浓度的降低，双层火焰逐渐合拢，双层火焰边界趋于模糊。而在燃料中加入二甲醚则会使动力火焰面收缩、向预混喷嘴靠拢。从拉伸率的角度来看，喷嘴间距对火焰形态的影响较小，流速则起到决定性作用。 然后，利用实验系统与cosilab软件对不同工况下的火焰温度、火焰传播速度等燃烧特性进行了研究。结果表明随着p的降低或稀氧浓度的增加，火焰温度、火焰传播速度均逐渐增加，在PPC时达到峰值。相对于p而言，氧浓度对燃烧过程的影响更大。通过对比线形对冲火焰与圆形对冲火焰的温度分布与热流分布，证明火焰中心区域的热量堆积是圆形对冲火焰出现中心拉伸凸起的根本原因。 其次，对不同的熄灭形式进行了测定分析。熄灭极限当量比φext0主要受对流散热的影响，随着氧浓度的提高或燃料中二甲醚比重的增加，火焰传播速度逐渐提高，火焰面增厚，小当量比下的火焰的稳定性增强；低拉伸率熄灭极限Kext则主要受辐射散热影响，并与φp和稀氧浓度成反比。 最后，探究了NOx生成机理，发现在不同工况下均以快速型NOx为主，其主要在动力火焰表面生成，随着φp的增加，生成量先增后减，在φp=1.2时达到峰值；而在反应区内部以热力型NOx为主，随着φp的增加其生成量逐渐降低。稀氧浓度的降低则对两种类型的NOx生成均有抑制作用，在PPC时NOx的排放量最大。 综上，可以发现在合理分布C/O后，ODPP/OESC在保证火焰稳定的前提下，能有效降低NOx排放，综合性能优于空气部分预混，证明了ODPP/OESC是一种清洁高效的燃烧工艺。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 氮氧化物生成机理及低NOx燃烧技术

1.2.1 NOx生成机理

1.2.2低NOx燃烧技术

1.2.3 ODPP/OESC燃烧工艺

1.3 火焰研究法

1.3.1 对冲火焰法

1.3.2 熄灭极限研究

1.4 本文主要研究内容

第二章 线形对冲实验系统

2.1 试验系统

2.2 对冲实验装置

2.3 实验控制与测量设备

2.3.1 质量流量控制器

2.3.2 Testo454多功能测量仪（热线风速探头）

2.3.3 测温热电偶及修正方法

2.3.4 C-3500型火焰热流强度传感器与数据记录仪

2.3.5 窄带滤光片

2.4 实验参数设计

2.5 本章小结

第三章 火焰结构分析

3.1 实验工况

3.2 部分预混当量比对火焰结构的影响

3.3 稀氧浓度对火焰结构的影响

3.4 预混侧掺混二甲醚比例对火焰结构的影响

3.5 两侧流速对火焰结构的影响

3.5.1 预混侧流速对火焰结构的影响

3.5.2 富氧侧流速对火焰结构的影响

3.5.3 两侧流速差对火焰结构的影响

3.6 拉伸率对火焰结构的影响

3.7 喷嘴间距对火焰结构的影响

3.8 本章小结

第四章 火焰温度分布实验分析

4.1 测温方法

4.2 实验工况

4.3 不同φp下火焰温度分布

4.4 不同稀氧浓度下火焰温度分布

4.5 不同二甲醚掺混比例下火焰温度分布

4.6 圆形与线形对冲火焰对比分析研究

4.6.1 实验工况

4.6.2 火焰结构特征

4.6.3 火焰温度分布

4.6.4 火焰热流强度分析

4.7 本章小结

第五章 熄灭极限的分析

5.1.2 φext0结果与分析

5.2 低拉伸率熄灭极限Kext的测定

5.2.2 Kext 结果与分析

5.2.3 富氧空气流速对熄灭极限Kext的影响

5.3 回火极限的测定

5.4 本章小结

第六章 仿真分析

6.1 仿真设置

6.1.1 物理模型设置

6.1.2 算法设置

6.2 仿真工况

6.3 主要组分与火焰结构分析

6.3.1 组分分析

6.3.2 OH分布

6.4 仿真温度分析

6.4.1 仿真温度结果

6.4.2 误差分析

6.5 火焰传播速度分析

6.5.1 火焰传播速度测定方法

6.5.2 拉伸率对火焰传播的影响

6.5.3 火焰传播速度结果分析

6.6 NOx生成规律

6.6.1 不同φp下NO浓度与速率分析

6.6.2 不同φp下NO反应路径分析

6.6.3 不同稀氧浓度下NO浓度与速率分析

6.6.4 不同稀氧浓度下NO反应路径分析

6.6.5 NO2分析

6.7 本章小结

第七章 结论

7.1 本文主要结论

7.2 后期工作建议

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢