氢气和稀释气体对甲烷/空气预混层流火焰燃烧特性的影响研究

【摘要】：随着能源短缺和环境问题形势的日益严峻，提高燃料燃烧效率和降低有害物质生成成了燃烧研究的最重要的目标。甲烷是最理想的清洁气体燃料，但甲烷燃烧速度较低，而氢气燃烧速度较高，甲烷掺混氢气燃烧被认为是改善甲烷燃烧效率的有效途径。稀释燃烧是当前燃烧研究的另一热点，因为稀释气体的加入，能降低燃烧最高温度，进而降低NOx污染物生成。本文基于McKenna层流火焰测试，进行了掺混氢气及稀释气体后甲烷/空气火焰的燃烧特性研究，以期为甲烷气体燃料的高效利用提供技术支撑。本文研究内容和主要结果如下： 1、对掺氢和不掺氢的甲烷/空气预混层流火焰进行了实验研究。火焰在McKenna平面火焰燃烧器上稳定燃烧。通过热电偶法测量不同当量比和不同含氢量的火焰轴线温度。求解火焰质量平衡、能量平衡、物料平衡问题。得到了火焰的一些重要性质，比如最大火焰温度、平均温度、最大放热率、火焰厚度、反应区厚度和燃烧效率。这些性质用于分析掺氢对层流火焰传播的影响研究。结果表明，氢气的存在一定程度上促进了层流火焰的燃烧反应。随着含氢量的增加，最大放热率和燃烧效率增大，然而火焰平均温度降低。放热曲线的分析表明，氢气的加入对火焰前期放热影响较大。加入氢气以后ln(q)对1000/T的变化基本呈线性关系。 2、对掺稀释气体的的甲烷/空气预混层流火焰进行了实验测试，本文使用的稀释气体分别为N2和CO2。研究表明，两种稀释气体的加入，都降低了火焰的传播速率，使得火焰的最大温度、最大放热率和燃烧效率降低，火焰厚度和反应区厚度增大。采用一维预混火焰模型，模拟稀释气体对火焰NO、NO2、CO浓度的影响。结果表明，NO、NO2浓度随着稀释含量的增大而减小，而CO的浓度却增大。另外还得出CO2的稀释效应比N2的大，一方面CO2比N2热容大，另一方面CO2作为燃烧主要产物，在燃烧过程中参与反应，使得反应CO+OH CO2+H向左移动，减小了H基浓度，更大程度的阻碍了火焰燃烧。 3、基于测量的火焰温度，采用GRI-Mech3.0动力学反应机理，对一维层流预混火焰模型进行模拟。分析了每个放热贡献反应，结果表明，随着氢气含量的增加，反应OH+H2H+H2O在火焰前期贡献也增大。这是因为氢气的加入增大了火焰中H基的浓度，加速了火焰传播，因此火焰厚度和反应区厚度在一定程度上减小。 【关键词】：氢气 放热率 火焰厚度 燃烧效率 氮氧化物
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O643.21
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 研究背景9-11
• 1.1.1 能源危机9
• 1.1.2 环境污染9-11
• 1.2 天然气、氢气和稀释气体的概述11-14
• 1.2.1 天然气11-12
• 1.2.2 氢气12-13
• 1.2.3 稀释气体13-14
• 1.3 层流预混火焰特性14-20
• 1.3.1 预混层流火焰的传播15-18
• 1.3.2 影响层流预混火焰传播因素18-20
• 1.4 本文研究内容和意义20-23
• 1.4.1 研究内容20-21
• 1.4.2 研究意义21-23
• 2 实验系统和火焰参数计算23-31
• 2.1 实验系统23-26
• 2.1.1 实验装置介绍23
• 2.1.2 McKenna 平面火焰燃烧器23-24
• 2.1.3 热电偶24-26
• 2.2 火焰特性参数的计算26-31
• 2.2.1 当量比26-27
• 2.2.2 含氢量和稀释比27
• 2.2.3 放热率27-30
• 2.2.4 反应厚度和火焰厚度30-31
• 3 氢气对甲烷/空气火焰特性的影响31-47
• 3.1 引言31-32
• 3.2 当量比对甲烷/空气预混层流火焰特性影响32-34
• 3.2.1 当量比对火焰温度的影响32
• 3.2.2 当量比对放热率的影响32-33
• 3.2.3 当量比对燃烧效率的影响33-34
• 3.3 含氢量对甲烷/空气火焰特性影响34-45
• 3.3.1 含氢量对甲烷/空气火焰质量流量的影响34-35
• 3.3.2 含氢量对甲烷/空气火焰温度的影响35
• 3.3.3 含氢量对甲烷/空气火焰放热率的影响35-38
• 3.3.4 氢气对甲烷/空气火焰前期影响38-39
• 3.3.5 含氢量对甲烷/空气火焰厚度和反应厚度的影响39-40
• 3.3.6 氢气对甲烷/空气火焰机理讨论40-44
• 3.3.7 含氢量对火焰燃烧效率影响44-45
• 3.4 本章小结45-47
• 4 稀释气体对甲烷/空气火焰特性的影响47-77
• 4.1 引言47-48
• 4.2 氮气对甲烷/空气火焰特性的影响48-58
• 4.2.1 氮气对甲烷/空气火焰温度的影响48-49
• 4.2.2 氮气对甲烷/空气质量流量的影响49
• 4.2.3 氮气对甲烷/空气放热率的影响49-54
• 4.2.4 氮气对甲烷/空气火焰反应厚度和火焰厚度的影响54
• 4.2.5 氮气对甲烷/空气火焰燃烧效率的影响54-55
• 4.2.6 氮气对甲烷/空气火焰氮氧化物排放影响55-57
• 4.2.7 氮气对甲烷/空气火焰一氧化碳排放影响57-58
• 4.3 二氧化碳对甲烷/空气火焰特性的影响58-68
• 4.3.1 二氧化碳对甲烷/空气火焰温度的影响58-59
• 4.3.2 二氧化碳对甲烷/空气火焰质量流量的影响59-60
• 4.3.3 二氧化碳对甲烷/空气火焰放热率的影响60-64
• 4.3.4 二氧化碳对甲烷/空气火焰厚度和反应厚度的影响64
• 4.3.5 二氧化碳对甲烷/空气火焰燃烧效率的影响64-65
• 4.3.6 二氧化碳对甲烷/空气火焰氮氧化物排放影响65-67
• 4.3.7 二氧化碳对甲烷/空气火焰一氧化碳排放影响67-68
• 4.4 氮气和二氧化碳对甲烷/空气火焰特性影响的比较68-75
• 4.4.1 不同稀释气体温度曲线的比较69
• 4.4.2 不同稀释气体放热率曲线的比较69-72
• 4.4.3 不同稀释气体反应厚度和火焰厚度的比较72-73
• 4.4.4 不同稀释气体燃烧效率的比较73
• 4.4.5 不同稀释气体氮氧化物排放的比较73-75
• 4.5 本章小结75-77
• 5 总结和展望77-79
• 5.1 全文总结77-78
• 5.2 展望78-79
• 致谢79-81
• 参考文献81-87
• 附录87
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录87

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