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生物质气化合成气层流预混燃烧特性的PLIF研究及chemkin模拟

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生物质气化合成气层流预混燃烧特性的PLIF研究及CHEMKIN模拟

作者：王文鼎重庆大学

学位级别：硕士

化石能源作为不可再生能源正在逐步走向枯竭,而且在使用过程中会带来严重的环境污染,因此寻找一种可再生的清洁能源对人类社会可持续发展具有重要的影响。生物质因其贮藏量大、分布广且可再生受到了国内外的广泛关注,但是生物质直接燃... 详细信息

化石能源作为不可再生能源正在逐步走向枯竭,而且在使用过程中会带来严重的环境污染,因此寻找一种可再生的清洁能源对人类社会可持续发展具有重要的影响。生物质因其贮藏量大、分布广且可再生受到了国内外的广泛关注,但是生物质直接燃烧利用率低,也会造成环境污染,而将生物质气化之后得到的气体是一种比较清洁的合成气,但是热值较低,因此对这种低热值合成气燃烧特性的研究具有一定的实用价值。本文以此为研究背景,利用目前国内外主流的燃烧测量方法—PLIF法研究了N和CO在不同当量比下单独对H燃烧火焰结构和OH基浓度的影响,以及不同生物质气化合成气在不同当量比下的燃烧火焰结构、OH基浓度和火焰传播速度;采用chemkin软件模拟了不同当量比下8种合成气燃烧温度、OH基浓度及火焰传播速度,与实验结果相比较,并对引起温度变化和OH基浓度变化的原因进行了化学动力学分析。通过PLIF实验得到以下结论:(1)N和CO都会减小H燃烧火焰的大小,改变火焰的颜色,但是CO的影响要大于N,使H燃烧火焰呈淡蓝色状,且火焰比较小,OH基浓度、火焰传播速度也都小于同比例的N稀释;(2)合成气中CO对火焰结构和OH基分布都有很大影响,CO的加入使内焰明亮,OH基浓度在火焰锋面处集中,减少了H的扩散燃烧,尤其在低当量比下内焰处OH基浓度非常高;(3)合成气火焰传播速度随当量比的增大而增大,增加的幅度随合成气中H比例的增加而增大,而且合成气中CO会增大火焰传播速度。通过chemkin模拟可以得出:(1)H/N和H/CO在当量比为1.0时燃烧温度和OH基浓度最大,但是加入CO后,合成气在当量比为1.2时燃烧温度和OH基浓度最大;(2)合成气中CO虽然不能提供OH基,但是会促进OH基的生成;(3)影响合成气燃烧温度的主要基元反应是R36:CO+OH=CO+H,随当量比增加反应由R36向R45:H+HO=2OH转移;(4)对合成气燃烧过程中OH基生成具有较大影响的是R36:CO+OH=CO+H、R43:H+O+M=HO+M和R45:H+HO=2OH这三个基元反应。

关键词：合成气燃烧 PLIF chemkin模拟动力学机理

富甲烷合成气部分预混燃烧特性的PLIF研究及chemkin模拟

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富甲烷合成气部分预混燃烧特性的PLIF研究及CHEMKIN模拟

作者：黄蓓蓓重庆大学

学位级别：硕士

随着能源危机及环境问题的加剧,生物质煤气化合成气受到越来越多的关注。由于气化技术及送入原料的不同,合成气成分较为复杂。对于现有的IGCC机组而言,部分应用在其中的燃气轮机是以天然气为基础燃料设计的,直接使用合成气会使机组效率... 详细信息

随着能源危机及环境问题的加剧,生物质煤气化合成气受到越来越多的关注。由于气化技术及送入原料的不同,合成气成分较为复杂。对于现有的IGCC机组而言,部分应用在其中的燃气轮机是以天然气为基础燃料设计的,直接使用合成气会使机组效率大幅度下降。CH-合成气联合燃烧可明显改善合成气燃烧的不稳定性,提高燃料的热值,同时又可提高燃气轮机的适应性。因此,深入研究CH-合成气火焰燃烧特性及燃烧机理对于合成气的清洁高效利用具有重要的意义。本文结合PLIF技术与chemkin模拟,研究了富甲烷合成气部分预混火焰的燃烧特性。本文选用不同浓度甲烷掺混及不同CO/H比的合成气,利用OH-PLIF技术探测不同工况下燃烧过程中OH自由基的分布、火焰结构,并结合Davis软件计算内层火焰前锋面高度、OH自由基径向荧光强度辐射分布,分析甲烷浓度及CO/H比的变化对部分预混火焰燃烧特性的影响,并通过chemkin-PRO软件对实验工况进行模拟,研究合成气燃烧过程的化学动力学特性。OH-PLIF实验结果表明:(1)随着甲烷浓度的增加,火焰稳定性提升,内层火焰前锋面高度增加,火焰上游位置尤其是外层火焰锥角部位OH自由基浓度逐渐降低,而下游区域OH自由基浓度则略微增加。(2)随着CO/H比的增加,外层火焰前锋面OH自由基浓度逐渐降低,而内层火焰前锋面顶端OH自由基浓度却逐渐增加,火焰宽度减小。(3)随内层当量比的增加,内层火焰前锋面逐渐消失,扩散火焰前锋面逐渐增强,火焰总体高度明显增加,火焰由双层火焰结构转变为典型的扩散火焰结构。(4)相对于甲烷浓度变化的影响,CO/H比及总当量比对内层火焰前锋面高度变化的影响较为微弱,合成气组分中甲烷浓度增加对内焰高度的影响占据主导地位。chemkin模拟结果与实验结果相符,其主要结论如下:(1)随着甲烷浓度的增加,主要生成H及OH的反应步骤反应速率峰值降低,R46和R38在甲烷浓度增加时对OH自由基的生成表现出竞争关系。(2)随着CO/H比的增加,火焰温度明显降低,火焰高温区域大小逐渐收缩。CO浓度的升高正向促进了H与HO的结合,提高了R46反应速率。CO/H比的增加降低OH自由基的生成速率,削弱了火焰传播过程。(3)在不同总当量比下,火焰燃烧区域的最高温度均出现在扩散燃烧区,总当量比的增加会降低H/OH的反应速率。(4)相比于合成气组分中甲烷浓度及CO/H比的变化而言,总当量比的变化对火焰燃烧过程中OH自由基的生成及消耗、火焰区域温度影响较小。

关键词：部分预混合成气 OH-PLIF技术 chemkin模拟化学动力学分析

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响应曲面法优化甲烷水蒸气重整制氢工况参数

石油学报（石油加工） 2024年第3期40卷 708-717页

作者：黄兴马强武健玮王雨荷陈磊姚鑫华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 东北大学冶金学院辽宁沈阳110819 华北理工大学电气工程学院河北唐山063210 唐山创元方大电气有限责任公司河北唐山063000

基于chemkin的蜂窝整体式反应器计算甲烷水蒸气重整中的甲烷转化率和氢气产率,得到不同工况参数(反应器温度、水蒸气与甲烷的摩尔比(水/碳比)和压力)对甲烷转化率和氢气产率的影响。采用响应曲面法以及Box-Behnken-Design模型对不同工... 详细信息

基于chemkin的蜂窝整体式反应器计算甲烷水蒸气重整中的甲烷转化率和氢气产率,得到不同工况参数(反应器温度、水蒸气与甲烷的摩尔比(水/碳比)和压力)对甲烷转化率和氢气产率的影响。采用响应曲面法以及Box-Behnken-Design模型对不同工况参数进行优化,建立以氢气产率为响应目标的响应模型。结果表明,水/碳比和反应器温度对氢气产率的影响最为显著。当反应器温度为1079.65 K、水/碳比为3.94、压力为0.11 MPa时,模拟3次的平均氢气产率为80.58%。采用化学反应过程仿真与数值结果预测相结合的方法,显著减少了仿真时间,提高了计算效率和精度。

关键词：蜂窝整体式反应器制氢甲烷水蒸气重整 chemkin模拟响应曲面法参数优化

合成气/空气贫燃火焰熄灭极限的测量与数值模拟

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工程热物理学报 2013年第5期34卷 977-980页

作者：仇晓龙李博张扬宗晓辉张海清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

使用对冲火焰法实验测量和数值模拟多组合成气/空气的贫燃熄灭极限。随着主要可燃组分H_2和CO总含量的增加以及非可燃组分CO_2和N_2减少,在同一拉伸率下火焰浓度熄灭极限φ_(ex)(用当量比表示)降低,贫燃侧可燃极限φ_(limit)也随之降低... 详细信息

使用对冲火焰法实验测量和数值模拟多组合成气/空气的贫燃熄灭极限。随着主要可燃组分H_2和CO总含量的增加以及非可燃组分CO_2和N_2减少,在同一拉伸率下火焰浓度熄灭极限φ_(ex)(用当量比表示)降低,贫燃侧可燃极限φ_(limit)也随之降低。数值模拟结果与实验数据对比,在拉伸率较大时,两者符合得很好,在低拉伸率情况下,由于自然对流作用,导致测量偏差增大,使得实验测得的φ_(ex)高于数值模拟计算结果。

关键词：合成气熄灭极限可燃极限对冲火焰 chemkin模拟

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基于OH-PLIF技术的合成气燃烧速度

重庆大学学报（自然科学版） 2017年第5期40卷 29-35页

作者：蒲舸张勋王文鼎重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400044

为了解合成气燃烧特性,采用高精度光学测量技术PLIF,研究了不同生物质气化合成气在不同当量比下的燃烧火焰结构、OH基浓度以及火焰传播速度。采用chemkin软件模拟计算了相同工况下合成气火焰传播速度,对引起温度变化和OH基浓度变化的原... 详细信息

为了解合成气燃烧特性,采用高精度光学测量技术PLIF,研究了不同生物质气化合成气在不同当量比下的燃烧火焰结构、OH基浓度以及火焰传播速度。采用chemkin软件模拟计算了相同工况下合成气火焰传播速度,对引起温度变化和OH基浓度变化的原因进行了化学动力学分析。研究结果表明,合成气中CO含量的增加会使火焰整体结构变小,但对内焰影响程度不大,而H2含量的增加会增大火焰的传播速度。合成气燃烧过程中主要影响OH基生成的是R36:CO+OH=CO_2+H、R43:H+O2+M=HO_2+M和R45:H+HO_2=2OH这3个基元反应。

关键词：合成气燃烧速度 PLIF技术 chemkin模拟动力学机理

二元可燃烃类混合气体的爆炸下限实验及理论预测

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南京工业大学学报（自然科学版） 2019年第2期41卷 212-217页

作者：刘应磊潘勇唐荣坚杨黎王玉宾蒋军成南京工业大学安全科学与工程学院江苏南京210009

利用FRTA爆炸极限测试仪对二元可燃烃类混合气体爆炸下限(LEL)进行测试,共获得16组144个二元可燃混合气体的爆炸下限值,并对混合气体随其组分及配比变化的规律进行研究。基于chemkin软件的绝热燃烧相平衡模型模拟了二元可燃烃类混合气... 详细信息

利用FRTA爆炸极限测试仪对二元可燃烃类混合气体爆炸下限(LEL)进行测试,共获得16组144个二元可燃混合气体的爆炸下限值,并对混合气体随其组分及配比变化的规律进行研究。基于chemkin软件的绝热燃烧相平衡模型模拟了二元可燃烃类混合气体的绝热燃烧过程,以绝热压升达到324. 24 kPa为依据判断此时可燃混合气体已达爆炸下限。结果表明:模拟规律与实验规律相类似,且两者间曲线变化幅度差距不大;样本中二元可燃混合气体爆炸下限预测值与实验值平均绝对误差为0. 22%,平均相对误差为9. 41%,预测误差在实验误差允许范围之内,可见预测方法具有较强的可靠性。本文的研究为工程上预测二元可燃混合气体的爆炸下限提供了一种新的有效方法。

关键词：爆炸下限二元可燃烃类混合气体实验 chemkin模拟

加压脱除富氧燃烧烟气酸性污染物的模拟计算及实验研究

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加压脱除富氧燃烧烟气酸性污染物的模拟计算及实验研究

作者：惠文博浙江大学

学位级别：硕士

自人类进入工业化时代以来,对化石能源的依赖造成了大量温室气体的排放。也基于此,造成了如温室效应、全球变暖、海平面上升等环境问题。近年来,针对火力发电领域,CO2的捕集、压缩液化及封存技术的研究逐渐广泛。其中,富氧燃烧技术被认... 详细信息

自人类进入工业化时代以来,对化石能源的依赖造成了大量温室气体的排放。也基于此,造成了如温室效应、全球变暖、海平面上升等环境问题。近年来,针对火力发电领域,CO2的捕集、压缩液化及封存技术的研究逐渐广泛。其中,富氧燃烧技术被认为是较有发展前景的CCS技术之一。通常将富氧燃烧技术分为三个阶段：空分制氧、富氧燃烧、加压纯化。所谓加压纯化技术,即是在加压液化CO2过程中除尽原气中的其他杂质气体。传统技术运用碱液脱除混合气体中的酸性污染物,如运用FGD脱硫,SCR脱硝等。尽管传统烟气除硫脱硝技术有较高的脱除效率,但是富氧燃烧烟气中的大量CO2亦会与碱液反应消耗部分吸收液,因此大大提高了其脱除成本。鉴于此,本文尝试在一定压力下运用非碱性液体来纯化富氧燃烧烟气中的酸性污染物。所谓加压脱除富氧燃烧烟气中酸性污染物,其具体概念为在有水存在的情况下,通过加压的方式将富氧燃烧烟气中的酸性污染物（***2）转化为稀硝酸和稀硫酸,从而达到纯化富氧燃烧烟气的目的。本论文首先构建44物种共211步详细动力学反应机理,并运用动力学计算软件chemkin对富氧燃烧烟气进行气相热力学模拟。模拟得出,在高压下NO易与O2反应生成NO2,其转化率与反应压力、反应温度、反应时间及初始NO浓度相关。但是S02在加压纯气相反应中向S03的转化并不明显。为了更好的研究加压脱除富氧燃烧酸性污染物技术的机理及脱除效果,本论文搭建加压机理反应实验台与常压机理反应实验台,以研究合成富氧燃烧烟气在气液两相中的反应情况。通过大量气液两相实验得出,NOx-SO2-O2混合气体在非碱性溶液中有较高的脱除效率。其脱除效率与反应压力、反应时间及吸收液PH值相关。当反应压力为10bar,反应温度为293K时,使用300mL去离子水作为酸性气体的吸收溶液,其NOx与SO2的综合脱除效率大于95%。其后,通过对混合气体反应的拆分研究,本论文确定主导其机理反应的十个反应方程。通过对本课题的研究,将有助于了解酸性污染物在一定压力下的反应机理,有助于促进富氧燃烧加压纯化技术的优化进程。

关键词：富氧燃烧加压纯化污染物脱除 chemkin模拟

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加压富氧煤燃烧过程碳迁移及硫、氮转化特性

加压富氧煤燃烧过程碳迁移及硫、氮转化特性

作者：谌伊竺东南大学

学位级别：硕士

加压富氧燃烧技术可以实现烟气中CO的富集,有利于高效捕集CO,是一项具有较好前景的碳捕集技术。加压富氧燃烧技术的经济性相对于常压富氧燃烧技术更高,可以更加充分地发挥富氧燃烧技术的优势,然而压力升高后,煤燃烧特性相对于常压富氧... 详细信息

加压富氧燃烧技术可以实现烟气中CO的富集,有利于高效捕集CO,是一项具有较好前景的碳捕集技术。加压富氧燃烧技术的经济性相对于常压富氧燃烧技术更高,可以更加充分地发挥富氧燃烧技术的优势,然而压力升高后,煤燃烧特性相对于常压富氧燃烧时发生了改变,为了探究燃烧压力、燃烧气氛、燃烧温度、燃煤粒径和燃煤种类对加压富氧燃烧过程煤中碳、硫、氮元素的迁移转化特性的影响,本文在自行搭建的加压水平管式炉富氧燃烧试验系统上展开相关试验,旨在获得煤加压富氧燃烧过程中碳元素的迁移转化及污染物生成排放规律,为加压富氧燃烧技术的实际应用提供理论参考。研究了煤加压富氧燃烧过程碳迁移规律以及煤成灰特性。在相同燃烧温度及气氛条件下,随着燃烧压力的提高,煤中碳向CO的转化增多,灰中残碳率降低。在相同燃烧压力及温度条件下,21%O/79%CO气氛下的CO生成速率较空气气氛下降低,CO排放显著增加,随着O/CO气氛中氧气浓度的提高,CO生成速率增大,CO生成减少。提高燃烧温度或减小燃煤粒径均会促进煤中碳向CO的转化,但随着燃烧压力的提高,燃烧温度对CO生成速率的影响减弱,燃煤粒径对CO生成速率的影响增强。此外随着燃烧压力的增加,煤灰粒径先减小后增大,煤灰孔隙结构先增强后减弱,灰中高温矿物减少,低温矿物增加。考察了加压富氧燃烧过程煤中硫向SO的转化特性并进行了炉内钙基脱硫试验探究石灰石脱硫特性。在相同燃烧温度及气氛条件下,提高燃烧压力可以增强煤灰的固硫能力并降低SO的排放量。在相同燃烧温度及压力条件下,21%O/79%CO气氛下的SO排放量低于空气气氛,提高O/CO气氛中氧气浓度则会增加SO排放量。提高燃烧温度或减小燃煤粒径均会增加SO排放量,但随着燃烧压力的提高,燃烧温度对SO排放的影响增强,燃煤粒径对SO排放的影响减弱。掺入石灰石能够有效降低SO的排放,且提高燃烧压力、氧气浓度、燃烧温度和钙硫摩尔比均有利于提高炉内钙基脱硫效率。揭示了加压富氧燃烧过程煤中氮向NO的转化特性并模拟了煤加压富氧燃烧过程氮转化行为。在相同燃烧温度及气氛条件下,提高燃烧压力可以有效降低NO排放量。在相同燃烧压力和温度条件下,21%O/79%CO气氛下的NO排放量低于空气气氛,提高O/CO气氛中氧气浓度则会增加NO排放量。提高燃烧温度或减小燃煤粒径均会增加NO排放量,但随着燃烧压力的提高,燃烧温度对NO排放的影响增强,燃煤粒径对NO排放的影响减弱。基于试验研究结果,在chemkin软件上开展了煤加压富氧燃烧氮转化行为的数值模拟试验,考察了烟气中主要含氮产物N、NO、NO和NO生成行为受燃烧压力、燃烧温度、氧气浓度的影响,明确了煤加压富氧燃烧过程氮转化的主要反应路径。

关键词：加压富氧燃烧管式炉燃烧特性污染物排放 chemkin模拟

生物质混煤加压富氧燃烧SO2生成机理及积灰特性研究

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生物质混煤加压富氧燃烧SO2生成机理及积灰特性研究

作者：卢昌杰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

温室效应对人类生存环境构成巨大的挑战,寻求有效的CO捕集技术是减缓温室效应改善气候环境的重要方法。生物质混煤加压富氧燃烧技术集成了生物质能利用、加压富氧燃烧技术的优势,是一项具有较好前景的CO捕集技术。然而燃料在加压富氧燃... 详细信息

温室效应对人类生存环境构成巨大的挑战,寻求有效的CO捕集技术是减缓温室效应改善气候环境的重要方法。生物质混煤加压富氧燃烧技术集成了生物质能利用、加压富氧燃烧技术的优势,是一项具有较好前景的CO捕集技术。然而燃料在加压富氧燃烧过程中由于生物质的掺混和燃烧压力的升高,燃料中SO的排放及成灰特性相对于常压富氧燃烧时发生了改变,为了探究燃烧压力、生物质掺混比和燃烧气氛对加压富氧燃烧过程中SO的生成机理及积灰特性的影响,本文从动力学和热力学两个角度借助chemkin和Fact Sage软件对燃烧过程进行相关的数值模拟,旨在获得生物质混煤加压富氧燃烧过程中SO的排放规律及积灰特性,为生物质混煤加压富氧燃烧技术的实际应用提供理论参考和技术支持。研究了加压富氧燃烧过程生物质混煤中SO的生成机理。随着燃烧压力提高,SO排放速率和总的排放量降低。生物质的掺混一定程度上抑制SO的析出,生物质掺混比越大,烟气中SO的总排放量越低。在21%O/79%CO气氛下的SO排放速率和总排放量稍低于空气气氛,提高O/CO气氛中氧气浓度SO的排放速率和排放量显著增高。基于上述研究结果,利用生成速率(ROP)方法分析得知,当燃烧压力由0.1 MPa提高到1.6 MPa,SO总排放量的减少是由八个主要基元反应共同作用的结果,并明确了生物质混煤加压富氧燃烧过程硫元素迁移的主要反应路径。考察了加压富氧燃烧过程生物质混煤中钾向气相KSO的转化特性并分析加压前后KSO的生成路径。提高燃烧压力可以抑制气相KSO的生成,降低KSO的排放量。KSO排放量随着掺混比的增大而增大。在21%O/79%CO气氛下的KSO总排放量与空气气氛下差别不大,气氛的改变对KSO的生成影响较小,提高O/CO气氛中氧气浓度KSO排放量降低。由ROP分析得知,压力的改变影响KO的生成,使得加压前后涉及KSO转化的主要基元反应不同,其主要的转化路径相应也发生改变。探究了加压富氧燃烧过程生物质混煤中灰分沉积特性。不同燃烧压力、燃烧气氛和掺混比下,灰中矿物种类没有明显变化,但各组分含量有所差别。压力的提高抑制Ca SO的分解,从而减少黄长石和镁硅钙石的含量,同时也会降低KAl SiO的生成;掺混比主要影响Ca SO和KAl SiO的生成,对其他矿物相没有太大影响;富氧气氛会抑制KAl SiO生成和Ca SO的分解。

关键词：加压富氧燃烧生物质二氧化硫排放积灰特性 chemkin模拟