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微通道反应器内氨气的稳燃范围模拟

化学反应工程与工艺 2020年第6期36卷 538-545页

作者：刘玥君李先春王焕然辽宁科技大学化学工程学院辽宁鞍山114051

利用Chemkin软件通过基于误差传播的直线关系图法和敏感性分析法简化了氨气燃烧详细反应机理,并利用Fluent软件得出了不同宽度的微通道内氨气与空气的稳燃范围。结果表明:综合误差传播的直线关系图法(DRGEP法)和敏感性分析法得到的65步... 详细信息

利用Chemkin软件通过基于误差传播的直线关系图法和敏感性分析法简化了氨气燃烧详细反应机理,并利用Fluent软件得出了不同宽度的微通道内氨气与空气的稳燃范围。结果表明:综合误差传播的直线关系图法(DRGEP法)和敏感性分析法得到的65步反应机理与详细机理,在氨气与空气物质的量之比(当量比)为0.2~1.4时的模拟结果吻合较好。氨气在微通道反应器入口段2 mm附近快速燃烧。随着当量比和流速的增加,微通道内混合气体最高温度先增加后减少。随着微通道宽度的增加,氨气稳燃的当量比范围先增加后减小,而稳燃的入口速度范围一直减小,选用较小宽度的微通道结构,能拓宽氨气的稳燃当量比和速度范围,这为氨气在微通道燃烧提供了一定的理论依据。

关键词：微通道氨气燃烧稳燃范围数值模拟

甲烷/空气混合物在微小型钝体燃烧器中的燃烧特性

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可再生能源 2012年第10期30卷 89-92页

作者：沈文庆程哲李长甫方韬范爱武刘伟华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

为了实现在淬熄距离以下的稳定燃烧,试验设计了两种带钝体的回热型燃烧器,研究预混甲烷在高度小于淬熄距离的燃烧室中的燃烧特性。燃烧器的燃烧室高度为2 mm,长度为20 mm,进口处安装了边长为1mm的等边三角形钝体或相同尺寸的"V"形钝体,... 详细信息

为了实现在淬熄距离以下的稳定燃烧,试验设计了两种带钝体的回热型燃烧器,研究预混甲烷在高度小于淬熄距离的燃烧室中的燃烧特性。燃烧器的燃烧室高度为2 mm,长度为20 mm,进口处安装了边长为1mm的等边三角形钝体或相同尺寸的"V"形钝体,并在上下两侧设置了预热通道。利用Fluent6.3软件对甲烷/空气在这两个燃烧器的预混燃烧做了数值模拟,确定了浓度极限和速度极限,并对稳燃机理进行了分析。与三角形钝体燃烧器相比较,"V"形钝体燃烧器的稳燃范围更大。在所给出的稳定燃烧工况下两者的燃烧效率均在99%以上,甲烷/空气的混合气体能够完全燃烧。但当进气速度较小同时当量比较大时会发生回火现象。

关键词：微尺度燃烧甲烷/空气预混物三角形钝体 “V”形钝体稳燃范围回流区

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乙烷中低温催化反应及微燃烧特性的实验研究

乙烷中低温催化反应及微燃烧特性的实验研究

作者：龙宇浙江大学

学位级别：硕士

本文研究在4mm石英管中以Pt/ZSM-5为催化剂,分别在恒温预热条件下和室温环境下的乙烷催化燃烧反应,对比讨论了当量比、进气流速对以乙烷催化燃烧的影响,分析了转化率、产物浓度、燃烧效率、反应温度等催化燃烧特性。在恒温预热实验中,... 详细信息

本文研究在4mm石英管中以Pt/ZSM-5为催化剂,分别在恒温预热条件下和室温环境下的乙烷催化燃烧反应,对比讨论了当量比、进气流速对以乙烷催化燃烧的影响,分析了转化率、产物浓度、燃烧效率、反应温度等催化燃烧特性。在恒温预热实验中,乙烷催化燃烧主要含碳产物为二氧化碳、乙稀和一氧化碳。大当量比大流速高炉温利于乙稀的产生,当量比2.5,流速0.2～0.5m/s时,产气中一氧化碳选择性达到最大,可达50%。在贫燃区或化学当量比工况下,乙烷转化率高达90%,在富燃区下降明显,流速0.2m/s左右时,转化率基本都达到最大值,流速大于0.2m/s后,转化率持平而反应温度先下降后上升;贫燃区时流速和当量比升高会使燃烧器沿程温度最高点向进气上游移动,富燃区时流速对沿程温度影响较小,最高温度基本出现在催化剂进口附近。在自稳燃烧实验中,得到了 0.1-3m/s流速范围内的贫燃极限当量比Φlean和富燃极限当量比Φrich。Φlean在0.9-0.6之间变化,随流升高速逐渐降低;Φrich在20-7之间变化,随流速升高逐渐降低。乙烯选择性各工况下均小于1%,随当量比先升高后降低,流速越大乙烯选择性越大,发现反应温度比当量比对乙烯选择性影响更大。受外部温度影响CO选择性基本在Φ=1.5时达到峰值,然后一直下降。在流速0.2和0.5m/s时产物中出现了甲烷,但含量极低。各工况最大转化率均未超过80%,最大转化率出现在流速0.1m/s,Φ=0.9。各流速下的乙烷转化率在贫燃区随当量比升高而升高,在富燃区随当量比升高而降低。壁面最高温度Tmax和壁面平均温度Tave都随当量比和流速的升高而升高。壁面散热损失率Qsurf/Qin随流速升高而降低。对比恒温预热实验和自稳燃烧实验,发现有外部热源预热条件下,对温度要求较高的甲烷无法生成;乙稀的选择性最大数值没有太大变化;自稳燃烧实验中CO选择性比恒温预热实验中的更大,恒温预热实验的转化率更高。对于反应温度,有外部热源预热条件下所有工况的反应温度都在500℃以上,普遍高于自稳燃烧实验。对于贫燃燃烧极限,正丁烷燃燃烧极限,甲烷、乙烷和正丁烷都是随着流速升高而下降的。

关键词：乙烷催化燃烧微燃烧器选择性转化率稳燃范围

微圆管内氢气和烷烃预混催化燃烧特性实验研究

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微圆管内氢气和烷烃预混催化燃烧特性实验研究

作者：周明月浙江大学

学位级别：硕士

微加工制造、微电子集成和信息技术的不断进步促进了便携式设备的发展。微尺度燃烧系统以其体积小、能量密度高等优点在能源、光电、控制等领域的应用越来越广泛。燃烧稳定性和燃烧效率是微尺度燃烧系统的关键性能,如何提高燃烧稳定性... 详细信息

微加工制造、微电子集成和信息技术的不断进步促进了便携式设备的发展。微尺度燃烧系统以其体积小、能量密度高等优点在能源、光电、控制等领域的应用越来越广泛。燃烧稳定性和燃烧效率是微尺度燃烧系统的关键性能,如何提高燃烧稳定性和燃烧效率也是以燃烧为基础的微能源动力系统的关键难点和热点问题。本文围绕这两个科学问题,开展了氢气、甲烷和正庚烷在微小型圆管燃烧器内的催化燃烧实验研究,获得了不同混合比、当量比、催化剂布置方式、燃烧器内径等对燃料燃烧特性(稳燃范围、火焰形态、壁面温度分布、燃烧转化率、散热等)的影响。在双套管中进行氢气/甲烷/空气催化燃烧实验,发现维持稳定燃烧的入口流速v的下限随混合比R的增大而减小,但随当量比Φ的增大而先减小后增大,在R=0.9,Φ=1.6的工况下,可以在0.25m/s～19m/s范围内实现稳定燃烧。同时在此工况下,壁面温度最高、热回流区域最长。随着R的增大,火焰锋面变为倾斜的锥形、根部向下游移动。壁面散热量随R和v的增大而增大,散热率却随R的增大而增大,随v的增大而减小。壁面辐射散热占总散热量的比例也是先增大后减小,在Φ=1.6时达到最大值63.93%。在微缩放管燃烧器中以连续式(A式)和分段式(B式)布置催化剂,进行正庚烷催化燃烧实验。在Φ=1.6富燃条件下,B式能够明显拓宽稳燃上限至Re=1500,但当Re较小时A式更有优势,能够在Re=12时实现稳定燃烧。在A式和B式中,壁面温度分别呈现出单峰和双峰分布,B式中双峰分布不仅减缓了壁面温度变化,而且加强了喉部无催化区域的燃烧。两种布置方式下,燃烧产物呈现出不同的变化趋势,在Re=160时分别达到最大转化率84.4%和88.3%。以Pt/Ce0.8Zr0.2O2为催化剂,在不同内径的填充床微圆管中进行正庚烷燃烧实验。内径d=3,4,5mm的圆管分别在Φ=2.0,1.6,1.2的富燃条件下达到最大的稳燃范围,且随着d的增加,稳燃范围逐渐变大。Re较小时,d=4mm和5mm圆管中壁面最高温度非常接近;但当Re较大时,d=5mm圆管中的高温区域更大。不同内径圆管中的转化率均在Re=160工况下达到最大值,且随着d的增加,转化率变大。随着Re的增加,壁面散热损失占燃烧产热的比例逐渐下降。

关键词：微燃烧器催化燃烧稳燃范围壁面温度

多组分低热值气体在双层多孔介质中的燃烧特性研究

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多组分低热值气体在双层多孔介质中的燃烧特性研究

作者：黄冉思思浙江大学

学位级别：硕士

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,... 详细信息

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(φ=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FLUENT 6.3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(φ=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。

关键词：双层多孔介质多组分低热值气体温度特性稳燃范围污染物排放多孔介质材料特性

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微圆管内正丁醇催化燃烧特性研究

微圆管内正丁醇催化燃烧特性研究

作者：赵庆辰浙江大学

学位级别：硕士

随着微电机系统的发展,微型供能系统因体积小、质量轻、易便携、能量密度高、供能时间长等优点逐渐受到重视,有望为微推进器、微发动机和微燃烧器提供动力。微型燃烧器中碳氢燃料燃烧已经成为燃烧领域的重要研究方向之一。本论文以正丁... 详细信息

随着微电机系统的发展,微型供能系统因体积小、质量轻、易便携、能量密度高、供能时间长等优点逐渐受到重视,有望为微推进器、微发动机和微燃烧器提供动力。微型燃烧器中碳氢燃料燃烧已经成为燃烧领域的重要研究方向之一。本论文以正丁醇为研究对象,围绕微型燃烧器中正丁醇燃烧特性展开研究,在催化燃烧特性、催化燃烧反应总包化学动力模型及燃烧器尺度效应等方面进行实验和数值模拟研究,为正丁醇作为燃料在微推进系统和微能源动力系统中的应用提供理论基础指导和实验参考数据。通过实验研究在4mm的石英管中以Pt/ZSM-5为催化剂的正丁醇催化燃烧反应,对比讨论当量比、流量对正丁醇催化效应的影响,分析转化率、产物浓度、燃烧效率等催化燃烧特性,拟合计算表观活化能。研究结果显示,保持体积空速小于19080h-1,流量对正丁醇在该微小圆管内的催化燃烧影响较小;气体总流量不变,减小混合气体的当量比,正丁醇的转化率大幅提高,表明氧在催化剂表面的吸附是正丁醇在Pt/ZSM-5表面反应的主导因素。减少混合气体的流量和减小混合气体的当量比,正丁醇的燃烧效率都会提高。正丁醇在Pt/ZSM-5上反应的表观活化能为(110±20)kJ/mol,在低当量比、低流量下,正丁醇在催化剂下反应的表观活化能更小。在380至500K温度范围内的微型石英管燃烧器中,对正丁醇/空气/氮气的混合气体在Pt/ZSM-5催化剂下进行催化氧化动力学实验,通过对实验数据的拟合构建了 Power law mode模型和L-H模型(表面反应或氧吸附为反应速率的决定步骤),这三个模型都能较好地预测正丁醇在Pt/ZSM-5上的燃烧速率。Power lawmodel模型中,正丁醇和氧气的反应级数为1和-0.23。L-H模型中,将正丁醇氧化反应分为五个基本反应来预测反应速率,通过拟合发现,将氧吸附和表面反应作为反应决定步骤(RDS)都产生低的SSQ值,这表明氧吸附或表面反应是确定反应速度的关键步骤。比较实验和计算的反应速率发现差异较小,确定了上述模型表达式的可靠性。对正丁醇/空气的混合气体在内径分别为1,2,4mm的填充床微圆管燃烧器进行催化燃烧模拟,研究不同管径的燃烧器正丁醇燃烧特性,探寻当量比、流量对尺度效应的影响,获得了稳燃范围,管壁温度等参数。管径为4mm的燃烧器和管径为2mm的燃烧器稳燃下限曲线比较接近,管径为1mm的燃烧器需要在相对较大的当量比下才能稳燃。保持入口流速不变,燃烧器中线线最高温度和壁面最高温度随着当量比升高也一直升高,且中心线最高温度随着管径增加而增加。保持当量比不变,随着入口流速的增加,管径为4mm、2mm的燃烧器中心线温度曲线几乎重叠,而1mm中心线温度和4mm、2mm中心线温度相差较大,且管径为1mm的壁面最高温度壁面随着流速的增高不断上升,此时流速对尺度效应效果强烈。

关键词：正丁醇催化燃烧微燃烧器稳燃范围尺度效应