新型气柴混烧窑燃烧机理研究与数值模拟

作     者：肖力 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯青;宫小龙

授予年度：2022年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：气柴混烧 化学动力学 GRI-Mech3.0 机理简化 燃烧特性 

摘      要：松柴由于发热量较高、挥发分多以及燃烧后烟气中还原介质丰富的优势,被作为传统陶瓷产品烧成的燃料,在中国陶瓷文化传承的历史长河中发挥了巨大的作用。气体燃料则由于热值较大、能量利用率较高、污染较小等特性被作为现代陶瓷工业的主要燃料,且现代燃气窑炉具有易于实现自动控制,能够量产陶瓷等优势。气柴混烧旨在结合两者的优势设计出一种新的陶瓷烧成方式,以低碳环保、节能减排的方式烧制出具有柴烧特性的陶瓷从而传承创新陶瓷文化,相对于柴烧能够提高量产及降低环境污染,相对于气烧则能提升陶瓷产品价值。本文从化学动力学的角度分析了气柴混烧的燃烧特性,利用CHEMKIN软件计算了气烧与柴烧的火焰传播速度预测值,通过与实测值的比较,确定将GRI-Mech 3.0机理作为两种燃烧形式详细机理。联合温度敏感性分析法和产物生成速率分析法分别在柴烧及气烧条件下进行机理简化,得到一套包含25种组分、32步基元反应的柴烧简化机理及一套包含19种组分、25步基元反应的气烧简化机理,去除重复的组分及基元反应后,合并得到一套包含26种组分、39步基元反应的气柴混烧简化机理,将气柴简化机理的预测值与实测值对比验证了该简化机理的准确性。然后使用搭建的CHEMKIN反应器群,比较了柴烧、气烧及气柴混烧在不同化学当量比条件下的结果差异,以及分析了松柴热解温度对气柴混烧结果的影响,并且将气柴混烧简化机理与FLUENT软件耦合,分析了空气过剩系数对气柴混烧窑燃烧的影响。得到以下结论:(1)气柴混烧与柴烧、气烧结果差异较为明显,燃烧温度及产物中各组分摩尔分数基本处于两者之间。气柴混烧产物中O、H、OH等与燃烧温度关联密切的高活性自由基含量比柴烧产物中占比更多,CO等还原介质的含量比气烧产物中占比更大,利于烧制柴烧特性的瓷器,且CO的排放相比柴烧降幅明显,但经过PSR反应器再次混合反应后,NOx的生成相比另外两种烧成形式增幅较为明显。(2)松柴热解温度随窑内烧成温度提高,在氧化气氛中气柴混烧产物的高活性自由基与还原介质在1100K-1200K时占比会大幅提升,从氧化气氛转还原气氛后会呈指数型增加,而在传统柴烧过程中,通常在940℃(1213K)或者更早从氧化进入还原烧成阶段,气柴混烧的结果较为符合传统柴烧还原气氛转换条件。(3)FLUENT模拟结果显示,随着空气过剩系数的增大,气柴混烧温度与HO含量提升,还原介质含量减少,但CO含量变化幅度不大,且剩余O含量可忽略不计,说明空气过剩系数大于1并不能保证燃烧气氛处于氧化气氛中,空气通入量仍需根据实际情况控制。