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基于双进度变量的非预混火焰NO生成大涡模拟研究

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 295-302页

作者：万佳伟魏正昀蒋旭东郭军军柳朝晖华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室武汉430074 Clean Combustion Research Center King Abdullah University of Science and TechnologyThuwal 23955Saudi Arabia

本文基于火焰面/进度变量(FPV)模型框架,提出了一种双进度变量NO输运修正模型。将该模型与大涡模拟相结合,对Sandia非预混甲烷射流火焰开展了数值模拟。结果表明,该模型对于NO浓度的预测精度相比于文献中结果显著提升。进一步详细分析... 详细信息

本文基于火焰面/进度变量(FPV)模型框架,提出了一种双进度变量NO输运修正模型。将该模型与大涡模拟相结合,对Sandia非预混甲烷射流火焰开展了数值模拟。结果表明,该模型对于NO浓度的预测精度相比于文献中结果显著提升。进一步详细分析了具有火焰不稳定性的Sandia火焰F的NO生成特性,当雷诺数从22400升高至44800时,火焰F相比于火焰D,中心轴线处的NO峰值下降约28%。模拟结果成功捕捉到了雷诺数升高导致的强局部熄火现象,以及该条件下火焰温度降低,NO生成受到抑制的趋势。

关键词：火焰不稳定性大涡模拟火焰面/进度变量模型 NO生成

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W型火焰锅炉全比例燃烧烟煤特性

洁净煤技术 2024年第S2期 302-310页

作者：熊辉吴元元毛志慧宋功祥江龙胡松向军湖北能源集团鄂州发电有限公司华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室

为探讨鄂州电厂设计掺烧40%烟煤的330 MW W型火焰锅炉全烧烟煤的可行性，开展W型火焰锅炉燃用100%烟煤的锅炉热力计算及全炉膛数值模拟研究，采用炉膛出口烟温和炉内组分浓度等指标评判其运行安全性及稳定性，明确W型火焰锅炉燃用100%... 详细信息

为探讨鄂州电厂设计掺烧40%烟煤的330 MW W型火焰锅炉全烧烟煤的可行性，开展W型火焰锅炉燃用100%烟煤的锅炉热力计算及全炉膛数值模拟研究，采用炉膛出口烟温和炉内组分浓度等指标评判其运行安全性及稳定性，明确W型火焰锅炉燃用100%烟煤适应性。结果表明：W型火焰锅炉全烧烟煤后，炉膛出口烟温相对设计工况将提高约10℃,去除卫燃带面积将降低炉膛出口烟温约20℃,可有效保证炉膛出口烟温不超设计值；取消乏气风，提高一次风率，可有效降低燃烧器烧损、炉膛结焦风险；全烧烟煤后，烟煤中燃料氮含量增加，火焰温度升高，未去除锅炉部分原设计敷设的卫燃带时，炉膛出口NOx质量浓度由640 mg/m3增至720 mg/m3,去除锅炉下炉膛侧墙部分（100 m2）原敷设的卫燃带可降低火焰中心温度，抑制热力型NOx生成，出口质量浓度可降至480 mg/m3。

关键词： W型火焰锅炉热力计算数值模拟经济性分析

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催化燃烧过程中的气相火焰

工程热物理学报 2024年第5期45卷 1534-1547页

作者：隋然清华大学能源与动力工程系、燃烧能源中心北京100084

催化燃烧技术的工业应用涵盖了我国“十四五”规划和2035远景目标纲要中指定的若干未来战略性产业,因此具有重要的科学和战略意义。在许多催化燃烧的应用场景中,气相火焰被点燃并与催化反应路径发生错综复杂的耦合关系。本文回顾了近年... 详细信息

催化燃烧技术的工业应用涵盖了我国“十四五”规划和2035远景目标纲要中指定的若干未来战略性产业,因此具有重要的科学和战略意义。在许多催化燃烧的应用场景中,气相火焰被点燃并与催化反应路径发生错综复杂的耦合关系。本文回顾了近年来贵金属催化通道内预混层流火焰的最新研究进展,简要梳理了催化通道内催化气相燃烧的控制方程、数值模型、点火和传递条件,以及氢气、合成气、甲烷、丙烷、正癸烷等重要燃料在铂、铑、钯等催化通道内的贫燃和富燃燃烧时的火焰形态和特性,尤其是化学、流动和传热传质等方面的决定因素。

关键词：催化燃烧催化-气相耦合燃烧微尺度燃烧气-固耦合贵金属催化

富氧燃烧气氛下酸性气体对磁性生物焦脱汞性能研究

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洁净煤技术 2024年

作者：张军峰魏书洲孙道荣周煜明肖日宏熊卓张军营赵永椿华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室河北省燃煤电站污染防治技术创新中心国能三河发电有限责任公司

磁性生物焦已被证明是一种高效脱除单质汞(Hg0)的吸附剂。然而，SO2、NO和HCl是富氧燃烧烟气中的酸性成分，其在磁性生物焦脱除Hg0的作用尚未确定。通过模拟富氧燃烧气氛实验装置，深入探讨不同反应温度下酸性气体浓度对Hg0吸附、氧化... 详细信息

磁性生物焦已被证明是一种高效脱除单质汞(Hg0)的吸附剂。然而，SO2、NO和HCl是富氧燃烧烟气中的酸性成分，其在磁性生物焦脱除Hg0的作用尚未确定。通过模拟富氧燃烧气氛实验装置，深入探讨不同反应温度下酸性气体浓度对Hg0吸附、氧化效率的影响，以及磁性生物焦的热再生循环性能。结果表明，120 ℃下，0.4% SO2可促进磁性生物焦对Hg0的吸附，脱汞率达93.5%，但较高浓度SO2(＞0.4%)则产生抑制作用，且少量Hg0被氧化，部分缓解SO2对Hg0的吸附抑制；同时，NO在富氧燃烧气氛中也表现出类似的规律；气态HCl是一种重要的促进剂，0.02% HCl存在下脱汞率接近100%，可抵消烟气组分带来的不利影响。然而，较高温度下，SO2对磁性生物焦脱汞的作用规律与120 ℃时相似，350 ℃，1.6% SO2对Hg0吸附抑制作用更强，吸附效率只有19.5%，低于Hg0氧化效率，主要生成更多的C=O等含氧官能团；NO在较高温度下也表现出较强的抑制作用，随着NO浓度增加脱汞率是逐渐降低，脱汞率降至50%左右。可见，高温、高浓度SO2及NO是不利于磁性生物焦脱汞。此外，脱汞后失活的磁性生物焦具有优异的热再生稳定性，在450 ℃下热再生并循环4次后仍有80%左右的脱汞效率。

关键词：单质汞磁性生物焦富氧燃烧酸性气体吸附氧化

二维膜电极组件电解池中CO电催化还原模拟研究

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洁净煤技术 2024年

作者：马海波王腾熊卓魏书洲国能三河发电有限责任公司河北省燃煤电站污染防治技术创新中心华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室国家能源煤基能源碳捕集利用与封存技术研发中心

电催化CO2还原反应(eCO2RR)技术由于具有温和可控的反应条件且能够与清洁可再生能源相结合而存在广阔的发展前景。其中膜电极组件（MEA）电解池由于其紧密的结构、较高能量效率以及低欧姆损耗，具有工业化应用的潜力。然而，现有的eCO2R... 详细信息

电催化CO2还原反应(eCO2RR)技术由于具有温和可控的反应条件且能够与清洁可再生能源相结合而存在广阔的发展前景。其中膜电极组件（MEA）电解池由于其紧密的结构、较高能量效率以及低欧姆损耗，具有工业化应用的潜力。然而，现有的eCO2RR数字模型研究往往未能充分考虑溶液中酸碱平衡反应对电化学过程的影响，缺乏对气体扩散层（GDL）厚度以及催化剂层（CL）孔隙率的深入探讨。通过对流场、电化学反应、酸碱平衡反应、浓度场等多物理场的建立和耦合对MEA电解池进行几何建模，成功搭建了一个二维MEA电解池的动态综合模型，并利用此模型探究电解池中化学反应的不均匀分布现象、GDL厚度以及CL孔隙率对MEA电解池系统的影响。模拟结果揭示了不平衡的酸碱反应导致阴极区域出现局部pH值波动，引发局部化学环境的变化，导致CL沿流道方向上电流密度分布不均。此外，GDL的厚度和CL的孔隙率的变化对气体传输和电极反应产生显著影响，改变原料和产物的分布以及产物产量。当GDL厚度从100 μm增加到400 μm时，CO总产量从7.01×10-14mol增加到7.62×10-14mol。但阴极流道中CO所占比例明显下降，影响产物的收集。当GDL厚度大于350 μm时，流道中CO含量呈现下降趋势。随着CL的孔隙率从0.3增加到0.8，CL中CO的产量增加到近三倍，但随之增强的析氢反应降低了CO的选择性。本研究提出的二维动态MEA模型和对eCO2RR性能的探究有助于后续CO2还原电解池的设计与开发。

关键词：电催化 MEA反应器模拟气体扩散层孔隙率

H2-Air交叉射流火焰燃烧排放特性的数值模拟

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洁净煤技术 2024年第S1期30卷 248-254页

作者：罗冉杰杨蔚昊李卫杰涂垚杰刘豪山西太钢不锈钢股份有限公司华中科技大学煤燃烧国家重点实验室中冶南方(武汉)热工有限公司

对H2-Air交叉射流火焰进行了数值模拟研究，考察了燃烧器空气喷嘴距离（L）、角度（α）以及数目（N）对温度场、火焰轮廓和NOx排放的影响，并获得了最低NOx排放性能的燃烧器几何参数配置。结果表明：增大L和α整体上有助于产生更加均... 详细信息

对H2-Air交叉射流火焰进行了数值模拟研究，考察了燃烧器空气喷嘴距离（L）、角度（α）以及数目（N）对温度场、火焰轮廓和NOx排放的影响，并获得了最低NOx排放性能的燃烧器几何参数配置。结果表明：增大L和α整体上有助于产生更加均匀的温度分布和更低的温度峰值，进而导致更低的NOx排放；增加N将促进燃料和空气的混合，强化燃烧形成中心高温区，进而显著提升NOx的排放，然而高温区随N的增大逐渐被延伸至炉膛出口，导致燃烧效率从99.99%降低至98.99%。在当前的燃烧装置中，最佳的燃烧器参数配置为L=6D、α=40°、N=2,此时H2-Air交叉射流火焰燃烧效率高达99.99%,且最低NOx排放达到5×10-6。

关键词：氢气燃烧交叉射流火焰数值模拟 NOx排放

基于热分析图谱的卷烟配方原料分类分档模型构建与应用

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中国烟草学报 2024年第2期30卷 1-10页

作者：何伟杨韧强刘泽春蔡国华邓小华叶仲力熊哲余志强梁晖李菁菁李巧灵福建中烟工业有限责任公司技术中心福建省厦门市361021 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室湖北省武汉市430074

【目的】提高卷烟配方原料分类分档的工作效率,帮助配方人员客观掌握配方原料的年度间波动。【方法】提出一种热分析图谱结合支持向量机算法(SVM)对卷烟配方原料进行分类分档的新技术。采用python3中sklearn中的SVM模块,通过核函数和one... 详细信息

【目的】提高卷烟配方原料分类分档的工作效率,帮助配方人员客观掌握配方原料的年度间波动。【方法】提出一种热分析图谱结合支持向量机算法(SVM)对卷烟配方原料进行分类分档的新技术。采用python3中sklearn中的SVM模块,通过核函数和one-against-all方法并选择合适的惩罚参数,对2016—2018年度的129个样品进行训练学习,并对33个样品进行测试。当模型预测准确率达到应用需求后,对2019年度46个卷烟配方原料进行分类预测。【结果】129个训练集样品的分类准确率为93.02%,33个样品测试集样品的分类准确率为84.85%,46个卷烟配方原料的分类准确率为84.78%。

关键词：卷烟配方原料分类热分析图谱支持向量机

基于堆栈电解池的纳米SnO_(2)电催化CO_(2)还原试验

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洁净煤技术 2024年第8期30卷 99-106页

作者：魏书洲谭舒婷熊卓徐祖伟赵永椿张军营国能三河发电有限责任公司河北廊坊065201 国家能源煤基能源碳捕集利用与封存技术研发中心河北廊坊065201 河北省燃煤电站污染防治技术创新中心河北廊坊065201 华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室湖北武汉430074

利用新能源电能电催化还原二氧化碳(CO_(2))技术能在减排降碳过程将CO_(2)转化为增值化学品,有广阔应用前景,在多种还原产物中,甲酸(HCOOH)易储存和运输,储氢密度高,应用前景好。氧化锡(SnO_(2))电催化材料成本低、毒性小,且SnO_(2)用... 详细信息

利用新能源电能电催化还原二氧化碳(CO_(2))技术能在减排降碳过程将CO_(2)转化为增值化学品,有广阔应用前景,在多种还原产物中,甲酸(HCOOH)易储存和运输,储氢密度高,应用前景好。氧化锡(SnO_(2))电催化材料成本低、毒性小,且SnO_(2)用于电催化还原CO_(2)制HCOOH选择性高。而在电催化还原的工业化中,合理的电解池结构有重要意义。为探究更合理的电解池结构,提出一种自制的多层堆栈式电解池,将通过火焰喷雾热解方法制备的SnO_(2)纳米颗粒作为电催化剂,进行电催化还原CO_(2)研究。探究电解池的阴极-阳极间距、电解液流速、电解液浓度及电极堆栈数目等参数对电催化性能影响。试验结果显示:阴极-阳极距离越小,电能损耗越少,电催化还原CO_(2)性能更佳;电解液的流速对催化剂还原性能无明显影响,但过大的流速使反应的电流密度产生大的波动;在电解液浓度小于1 mol/L时,催化剂对HCOOH的选择性随着电解液浓度增加而增加,而在电解液浓度大于1 mol/L时,各产物的选择性趋于稳定;电极堆栈排放时,电流密度略下降,但整体法拉第效率和HCOOH的法拉第效率均所提高,并对析氢反应有较明显抑制作用。使用堆栈电解池可减小电荷转移电阻及扩散电阻。对于该堆栈电解池,在阴极-阳极间距10 mm、施加电位-1.2 V ***、KHCO_(3)浓度1 mol/L下,SnO_(2)在堆栈条件对HCOOH的法拉第效率达37.53%,且总的法拉第效率达75.83%。结果表明:使用堆栈电解池可提升催化剂催化性能,提升目标产物的选择性。

关键词：电催化堆栈电解池新能源 CO_(2) 还原

狭长通道中火焰声波相互作用的数值模拟与模态分解研究

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清华大学学报(自然科学版) 2024年

作者：缪承希 Louis Benteux Damir Valiev 清华大学能源与动力工程系燃烧能源中心

该文通过数值求解可压缩Navier-Stokes方程以及单步不可逆Arrhenius化学动力学,研究了狭长半开放通道内火焰的火焰-声波相互作用过程。运用模态分解技术,具体包括本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和谱本征正交分解(sp... 详细信息

该文通过数值求解可压缩Navier-Stokes方程以及单步不可逆Arrhenius化学动力学,研究了狭长半开放通道内火焰的火焰-声波相互作用过程。运用模态分解技术,具体包括本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和谱本征正交分解(spectral proper orthogonal decomposition,SPOD)方法,对数值计算结果中的温度场进行了分析,探讨了流动不稳定性(hydrodynamic instability)对火焰振荡过程的影响。POD的前3个模态描述了火焰前锋的褶皱,该过程类似于Darrieus-Landau不稳定性的非线性阶段。SPOD结果表明,火焰前锋上的褶皱运动频率和通道固有频率的基频一致。对涡量场和速度矢量场也进行了SPOD分析。结果表明,在高频模态中观察到了微弱的涡,这与火焰前锋的褶皱运动有关。

关键词：火焰声波相互作用火焰振荡流动不稳定性本征正交分解(POD) 谱本征正交分解(SPOD)