多组分低热值气体在双层多孔介质中的燃烧特性研究

摘要

多孔介质燃烧技术由于其独特的热量回流机制，具有燃烧速率高、污染排放量低、负荷调节范围广等特点，是清洁利用和处理低热值气体的一种有效途径。本文结合实验和数值模拟对三种典型多组分低热值气体在双层多孔介质中燃烧特性进行研究，研究工作主要包括以下三个部分：
　　（1）试验研究多组分低热值气体在双层多孔介质中的贫燃特性。搭建双层多孔介质燃烧实验系统，试验研究高炉煤气、生物质气化气、垃圾填埋气三种典型低热值气体在贫燃（?=0.60~0.75）工况下的温度分布特性、稳定燃烧工况范围、以及污染物排放特性。结果表明，随着入口流速的增大，火焰稳定位置向下游移动。在实验当量比范围内，高炉煤气最大稳燃上限为24 cm/s，生物质气化气最大稳燃上限为50 cm/s。垃圾填埋气稳燃范围为14~30 cm/s。低热值气体稳燃极限受其热值与成分的影响。在实验工况范围内，高炉煤气的最大CO排放量达到303 mg/m3，垃圾填埋气的CO排放量均低于15 mg/m3，三种预混气体在双层多孔介质中的NOx排放量均在2.67 mg/m3以下。
　　（2）数值模拟多组分低热值气体在双层多孔介质中的贫燃燃烧。以CFD商业软件FLUENT6.3为平台，基于实验室搭建的双层多孔介质燃烧器，采用详细化学反应机理和一维双温模型，模拟高炉煤气、生物质气化气、垃圾填埋气在特定工况（?=0.60，vin=0.20 m/s）下的燃烧。模拟结果表明，模型可以较好反应不同预混气体在多孔介质中的温度分布规律和污染物排放规律。三种低热值气体的反应区位置不同。燃烧反应中，羟基（OH）与氧原子（O）是最为活跃的基团，且可燃气体与羟基反应的速率大于与氧原子反应的速率。NO是燃烧产物中最主要的NOx气体，NO2与N2O含量均很低，质量浓度低于1 mg/Nm3。
　　（3）双层多孔介质材料选择对多组分低热值气体燃烧的影响。基于第3章建立的多孔介质燃烧模型，针对上游层、下游层多孔材料的导热系数和对流换热系数进行变参数分析。模拟结果显示，多孔材料导热系数对预混气体温度特性的影响与反应区位置有关。若预混气体反应区位于燃烧器交界面上游，则改变上游层的导热系数对温度特性影响更大，若反应区位于下游，则改变下游层的导热系数影响更大。所用工况中，改变上游层多孔材料的导热系数对CO排放影响最为明显。三种低热值气体中，高炉煤气的CO排放对上游层导热系数变化最敏感。

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符号表

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 多孔介质燃烧技术

1.3 本章小结

2 双层多孔介质研究现状与本文研究内容

2.1 双层多孔介质燃烧特性

2.2 燃料成分对双层多孔介质燃烧的影响

2.3 材料选择对双层多孔介质燃烧的影响

2.4 本文主要研究内容

3 低热值气体在双层多孔介质中贫燃特性研究

3.1 引言

3.2 实验装置与方法

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4 多组分气体多孔介质燃烧数值模拟

4.1 引言

4.2 多孔介质燃烧数学模型

4.3 计算结果与讨论

4.4 本章小结

5 双层多孔介质燃烧器材料参数选择的影响

5.1 引言

5.2 计算工况

5.3计算结果与讨论

5.4 本章小结

6 全文总结

6.1 主要结论

6.2 本文主要创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果