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Effect of Steam Dilution on the MILD Combustion Characteristics of Methane in a Model Combustor

Journal of Thermal Science 2023年第2期32卷 822-836页

作者： ZHU Ziru XIONG Yan LIU Zhigang zhang zhedian Key Laboratory of Advanced Energy and Power Institute of Engineering ThermophysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

Moderate or Intense Low-oxygen Dilution(MILD)combustion has low emission potential in gas *** present work has investigated the performance of MILD combustion with parallel-jet burner arrangement in dry and steam-diluted *** combustion tests were conducted in atmospheric pressure at various equivalence ratios from LBO(Lean Blow Out)to near-stoichiometric conditions and steam-to-air mass ratios from 0 to 0.2.A simplified chemical reactors network(CRN)model based on MILD combustion concept has been established to study the effect of steam dilution on different pathways of NO *** experimental results show that under the same adiabatic flame temperature,the reaction zone gradually moves downstream with the increase of steam *** the high steam content(0.2 kg/kg),the reaction zone is widely distributed,and the distribution of reaction intensity in the reaction zone is more *** average lift-off height of reaction zone is proportional to the steam *** the steam content of 0.2 kg/kg,the average lift-off height reaches 2.5 times that of the dry conditions,which brings the risk of *** the adiabatic flame temperature of 1650–1900 K,the emissions of NOxare below 3×10–6(at 15%O2,dry)when the steam content varies from 0 to 0.2 kg/kg,which indicates the ultra-low emissions can be obtained under large changes in steam *** the inlet temperature of 381 K,as the steam content increases,the Prompt NO is dominant in the total NO *** dilution results in a smaller operating range with lower CO *** the steam content reaches 0.2 kg/kg,compared to the dry condition,the carbon monoxide emission increases *** addition,the LBO equivalence ratio of combustion with larger steam content is significantly higher.

关键词： MILD combustion steam dilution chemical reactors network(CRN) NOx emissions

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Energy and Exergy Analysis of a Novel Efficient Combined Process by Hydrothermal Degradation and Superheated Steam Drying of Degradable Organic Wastes

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Journal of Thermal Science 2006年第3期15卷 274-280页

作者： Shuqing GUO Yunhan XIAO Wendong TIAN zhedian zhang Zhongyuan University of Technology Zhengzhou City Henan Province 450007 China Institute of Engineering Thermophysics Chinese Academy of Sciences Beijing 100080 China

This paper considers the combination of hydrothermal degradation （HTD） and superheated steam （SHS） drying in disposal and processing of degradable organic wastes in municipal solid wastes （MSW）. In SHS drying, a fraction of dryer thermal energy input can be recovered and used to satisfy the heat requirement in maintaining the HTD operating temperature. Both energy and exergy analysis are applied to the combined process. The analysis covers ranges of dryer inlet temperatures of 202.38-234.19~C and feed water content of 32.5-65%. Thermal energy analysis shows that the combination of HTD and SHS drying can achieve thermal energy self-sufficiency （TES） by manipulating process variables. The exergy analysis indicates the location, type, and magnitude of the exergy losses during the whole process by applying the second law of thermodynamics.

关键词： hydrothermal degradation superheated steam drying energy analysis exergy analysis

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The Influence of Fuel-Air Swirl Intensity on Flame Structures of Syngas Swirl-Stabilized Diffusion Flame

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Journal of Thermal Science 2010年第3期19卷 276-283页

作者： Weiwei Shao Yan Xiong Kejin Mu zhedian zhang Yue Wang Yunhan Xiao Research Center for Energy and Power Chinese Academy of Sciences Beijing China Key Laboratory of Advanced Energy and Power Chinese Academy of Sciences (Institute of Engineenng Thermophysics) Beijing China P.O. Box 2706 Beijing 100190 China Nanjing TianLing Energy Tech. Co Ltd Jiangsu 210018 China

Flame structures of a syngas swirl-stabilized diffusion flame in a model combustor were measured using the OH-PLIF method under different fuel and air swirl *** flame operated under atmospheric pressure with air and a typical low heating-value syngas with a composition of 28.5% CO,22.5% H2 and 49% N2 at a thermal power of 34 *** indicate that increasing the air swirl intensity with the same fuel,swirl intensity flame structures showed little difference except a small reduction of flame length;but also,with the same air swirl intensity,fuel swirl intensity showed great influence on flame shape,length and reaction zone ***,compared with air swirl intensity,fuel swirl intensity appeared a key effect on the flame structure for the model *** OH-PLIF images showed that three distinct typical structures with an obvious difference of reaction zone distribution were found at low swirl intensity,while a much compacter flame structure with a single,stable and uniform reaction zone distribution was found at large fuel-air swirl *** means that larger swirl intensity leads to efficient,stable combustion of the syngas diffusion flame.

关键词： Diffusion Flame Swirl Intensity Flame Structure OH-PLIF

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MILD Combustion for Hydrogen and Syngas at Elevated Pressures

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Journal of Thermal Science 2014年第1期23卷 96-102页

作者： HUANG Mingming zhang zhedian SHAO Weiwei XIONG Yan LEI Fulin XIAO Yunhan Key Laboratory of Advanced Energy and Power Institute of Engineering ThermophysicsChinese Academy of Sciences Research Center for Clean Energy and Power Chinese Academy of Sciences

As gas recirculation constitutes a fundamental condition for the realization of MILD combustion, it is necessary to determine gas recirculation ratio before designing MILD combustor. MILD combustion model with gas recirculation was used in this simulation work to evaluate the effect of fuel type and pressure on threshold gas recirculation ratio of MILD mode. Ignition delay time is also an important design parameter for gas turbine combustor, this parameter is kinetically studied to analyze the effect of pressure on MILD mixture ignition. Threshold gas recirculation ratio of hydrogen MILD combustion changes slightly and is nearly equal to that of 10 MJ/Nm3syngas in the pressure range of 1-19 atm, under the conditions of 298 K fresh reactant temperature and 1373 K exhaust gas temperature, indicating that MILD regime is fuel flexible. Ignition delay calculation results show that pressure has a negative effect on ignition delay time of 10 MJ/Nm3syngas MILD mixture, because OH mole fraction in MILD mixture drops down as pressure increases, resulting in the delay of the oxidation process.

关键词： MILD combustion Gas turbine combustor Syngas Gas recirculation ratio Ignition delay time

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预测NOx排放的化学反应器网络自动生成方法

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清华大学学报（自然科学版） 2023年第4期63卷 612-622页

作者：高桥东雷福林张哲巅中国科学院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

计算流体力学-化学反应器网络(computational fluid dynamics-chemical reactor network,CFD-CRN)方法是一种预测燃烧室排放的手段,如何快速构建合理的CRN是一个需要解决的问题。为实现CRN的自动划分、构建和求解,基于Python语言开发了... 详细信息

计算流体力学-化学反应器网络(computational fluid dynamics-chemical reactor network,CFD-CRN)方法是一种预测燃烧室排放的手段,如何快速构建合理的CRN是一个需要解决的问题。为实现CRN的自动划分、构建和求解,基于Python语言开发了CRN自动生成程序并集成了Cantera求解器;对贫预混燃烧器和微混模型燃烧器的NOx排放进行预测,并与实验数据对比验证,结果表明:给定划分标准,利用CRN自动生成程序可以读取CFD数据,实现快速有效地构建和求解CRN;利用CFD-CRN方法预测NOx排放,应考虑散热损失以提高预测准确度;在划分标准合理的前提下,减少CFD计算的网格数和CRN的反应器数量依然能保证NOx预测精度;同一CRN模版对不同工况有一定的适用性,可以用于预测相近工况的NOx排放。

关键词：计算流体力学化学反应器网络生成方法预混燃烧 NOx

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煤粉空气分级柔和燃烧及排放特性

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中国科学：技术科学 2017年第12期47卷 1256-1264页

作者：韩翔黄明明张哲巅徐瑞中国科学院大学物理学院北京100049 中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所) 北京100190

柔和燃烧(又称无焰燃烧)能有效降低煤粉燃烧NO,CO的排放,空气分级燃烧同样有利于降低NO排放.为了探索新的燃烧方式,进一步降低燃煤锅炉NO_x排放,本文进行空气分级柔和燃烧特性及排放的实验研究.实验采用直径为500 mm,长度为3000 mm,热... 详细信息

柔和燃烧(又称无焰燃烧)能有效降低煤粉燃烧NO,CO的排放,空气分级燃烧同样有利于降低NO排放.为了探索新的燃烧方式,进一步降低燃煤锅炉NO_x排放,本文进行空气分级柔和燃烧特性及排放的实验研究.实验采用直径为500 mm,长度为3000 mm,热容量为0.3 MW/m^3的气流床装置.研究内容包括:炉膛流场分布规律;一二次风量占比、燃尽风入口位置对煤粉燃烧时炉膛内温度场,出口处NO,CO排放的影响规律.实验结果表明:一二次风量占比增大时,NO排放先降低后增加,CO排放逐渐降低;燃尽风入口位置靠近烟气出口有利于降低NO排放,但CO排放有所增加.当一二次风量占比为0.7,燃尽风入口位置为2600 mm时,NO排放仅为139.8mg/Nm^3(本文中的NO,CO排放量统一折算到氧气浓度为.ф(O_2)=9%时的排放量).飞灰中含碳量比无空气分级时稍微增加,燃烧稳定性没有明显变化.

关键词：天然气锅炉柔和燃烧空气分级煤粉 NO/CO排放分级比分级位置气流床

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氢气微混燃烧器燃空掺混特性数值研究

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动力工程学报 2023年第11期43卷 1391-1398页

作者：彭祝张哲巅雷福林中国科学院工程热物理研究所中国科学院先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

实现氢气和空气在氢燃气轮机燃烧室喷嘴管外均匀掺混可以在避免回火的同时实现低NO_(x)燃烧。为了在喷嘴出口到燃烧之前尽量实现均匀的掺混,通过数值模拟方法计算分析了微混喷嘴出口的流动特性以及燃空来流相互作用对氢气和空气混合的影... 详细信息

实现氢气和空气在氢燃气轮机燃烧室喷嘴管外均匀掺混可以在避免回火的同时实现低NO_(x)燃烧。为了在喷嘴出口到燃烧之前尽量实现均匀的掺混,通过数值模拟方法计算分析了微混喷嘴出口的流动特性以及燃空来流相互作用对氢气和空气混合的影响,研究了燃空动量比、燃料微孔间隙比、射流高度及混合长度对微混喷嘴冷态燃空掺混的影响。结果表明:掺混效果直接受标准射流深度、邻射流扰动及扩散段旋涡结构的影响。燃空动量比R_(m)为1.19~1.77时,所达到的标准射流深度可以实现较均匀掺混;间隙比为0.54时,邻射流相互作用会增大射流中心的氢气浓度下降梯度;增加射流高度和混合长度均能降低混合不均匀度;近壁旋涡对的完整发展有利于改善掺混。

关键词：微混燃烧器氢气当量比混合均匀性

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喷管结构对甲烷微混燃烧特性的影响研究

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热力发电 2023年第1期52卷 26-35页

作者：蒿宇雷福林张哲巅中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所) 北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

微混燃烧是一种具有潜力的低污染燃烧技术,而作为基础单元的微管结构对燃烧特性有显著的影响。以单元微管模型燃烧器为对象,在空气预热加压和常温常压2组工况下,使用计算流体力学方法分析了不同微管直径、微管后段长度、火焰筒微管面积... 详细信息

微混燃烧是一种具有潜力的低污染燃烧技术,而作为基础单元的微管结构对燃烧特性有显著的影响。以单元微管模型燃烧器为对象,在空气预热加压和常温常压2组工况下,使用计算流体力学方法分析了不同微管直径、微管后段长度、火焰筒微管面积比时的甲烷微混燃烧特性。数值模拟结果表明:常温工况的火焰长度明显增长,并且增幅受到微管直径和面积比的影响较大;随着微管直径增大,火焰筒内流场和温度场基本相似,无量纲火焰长度变化不大,但是微管直径更小时2组工况的火焰长度变化更小,具有更好的适应性;随着微管后段长度增加,微管出口湍流强度大幅降低,火焰长度明显增加,2组工况下火焰长度的变化趋势较为一致;随着火焰筒与微管面积比增加,火焰长度有先缩短后增长的趋势,而面积比在4.0~9.0时火焰长度较短,燃烧性能较好。研究结果对燃气轮机燃烧室具有参考价值,对自由射流火焰也有一定的参考意义。

关键词：模型燃烧器喷管结构微混燃烧火焰长度燃烧特性

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过量空气系数、热负荷及反应物混合模式对天然气锅炉柔和燃烧特性影响

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中国电机工程学报 2017年第7期37卷 2016-2023页

作者：丁小骄黄明明张哲巅肖云汉中国科学院大学北京市海淀区100190 中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所) 北京市海淀区100190

柔和燃烧(MILD)因其NOx排放低、节约能源和燃烧稳定的特点,有望成为新一代天然气锅炉燃烧技术。文中以成分97%为CH_4的天然气为燃料,基于额定蒸发量为1t/h的天然气锅炉的实际运行工况,研究了过量空气系数φ从1.05~1.45,热负荷P从600~786... 详细信息

柔和燃烧(MILD)因其NOx排放低、节约能源和燃烧稳定的特点,有望成为新一代天然气锅炉燃烧技术。文中以成分97%为CH_4的天然气为燃料,基于额定蒸发量为1t/h的天然气锅炉的实际运行工况,研究了过量空气系数φ从1.05~1.45,热负荷P从600~786k W不同工况下的预混和扩散方式柔和燃烧特性。试验结果表明,柔和燃烧条件下,过量空气系数增加,NO和CO排放降低。满负荷下,预混柔和燃烧NO排放仅为54mg/m^3@3.5%O_2,远低于传统旋流扩散燃烧方式天然气锅炉的NO排放(111mg/m^3@3.5%O_2)。

关键词：天然气锅炉柔和燃烧过量空气系数热负荷 NO/CO排放

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贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

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航空动力学报 2019年第10期34卷 2108-2119页

作者：母滨雷福林邵卫卫张哲巅肖云汉中国科学院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院江苏连云港222069 中国科学院能源动力研究中心北京100049

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被... 详细信息

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。

关键词：贫预混燃烧室化学反应器网络模型 NOx排放不确定性分析敏感性分析

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