CO2稀釋及合成氣構(gòu)成對預(yù)混燃燒特性的影響
- 期刊名字:燃燒科學(xué)與技術(shù)
- 文件大?。?49kb
- 論文作者:安江濤,蔣勇,邱榕,李山嶺,胡勇
- 作者單位:中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室
- 更新時間:2020-10-02
- 下載次數(shù):次
第17卷第5期燃燒科學(xué)與技術(shù)Vol 17 No 52011年10月Journal of Combustion Science and TeclOct 2011CO2稀釋及合成氣構(gòu)成對預(yù)混燃燒特性的影響安江濤,蔣勇,邱榕,李山嶺,胡勇(中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,合肥230026)摘要:用CO2代替N2作氧化劑的稀釋氣體不但可以減少NO2的排放,還能有效回收利用CO2.CO2具有與N2不同的物理、化學(xué)性質(zhì),通過對合成氣與不同CO2稀釋程度氧化劑的預(yù)混燃燒計算發(fā)現(xiàn),CO2體積分?jǐn)?shù)的增加會降低火焰溫度進而降低燃燒速度,增加化學(xué)反應(yīng)滯留時間.通過對貧燃拉伸火焰的硏究發(fā)現(xiàn),在CO2稀釋氧化劑環(huán)境下,合成氣中H2比例的增加可以有效增加火焰面的健壯性.對 Karlovizt數(shù)的分析發(fā)現(xiàn),H2比例的增加可以降低Karlovizt數(shù),而 Karlovizt數(shù)的局部表達形式能更好地體現(xiàn)拉伸極限的物理本質(zhì)關(guān)鍵詞:二氧化碳;合成氣;層流燃燒速度;數(shù)值模擬中圖分類號:TK16文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1006-87402011)05-0437-06Effect of COr-Diluted Oxygen and Syngas Compositionon characteristics of premixed FlameAN Jiang-tao, JIANG Yong, QIU Rong, LI Shan-ling, HU YongState Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)Abstract: In order to reduce the emission of nitrogen oxides (No, )and reuse the carbon dioxide(co producedthrough combustion, numerical simulation was conducted on the premixed flame of COx-diluted oxygen and differentsyngas composition under non-stretched and stretched conditions. It was found that increasing of the proportion ofCO2 in the oxidant can reduce the adiabatic temperature and slow down the burning velocity of freely propagatingpremixed flames, and then indirectly increase the characteristic residence time, especially in lean flames. Higher Hcomposition in the syngas can improve the robustness of the flame front under different stretched factors. The Karlovitt number and local Karlovizt number were also considered in this paper. Higher H2 composition obviously decrease the value of the Karlovizt number and local Karlovizt number, and the local Karlovizt number presents a bettertendency for the previous conclusions.Keywords: carbon dioxide; syngas; laminar burming velocity; numerical simulation隨著氣候問題的日益嚴(yán)重,對CO2排放和再利NOx,現(xiàn)在的IGCC發(fā)電廠主要以CO2作為O2的稀用的硏究逐漸增多,由于在CO2捕捉方面的優(yōu)勢,釋氣體,形成適應(yīng)燃燒爐溫度的氧化劑來替代空氣IGCC技術(shù)在能源行業(yè)有著廣大的發(fā)展前景.與此同在煤電燃燒循環(huán)中,采用新的稀釋氣體必然會時,石油資源日益短缺、價格不斷上漲促進了生物質(zhì)導(dǎo)致燃料的燃燒特性發(fā)生變化,一些燃燒技術(shù)環(huán)節(jié)需燃料和水煤氣等新能源開發(fā)技術(shù)的發(fā)展,一些大型的要針對這些變化做相應(yīng)調(diào)整,因此,研究新稀釋氣體燃燒發(fā)電廠對以H2、CO為主要成分的合成氣的利用和不同混合氣的燃燒特性對燃燒器的改進和相關(guān)配日漸重視起來.H2、CO的燃燒相對于煤和石油是環(huán)套設(shè)施的設(shè)計十分重要.在針對燃燒特性的基礎(chǔ)性保、高效的,但是以空氣為氧化劑會產(chǎn)生大量的研究中,大多分析的料為甲棕專門針對合成氣火中國煤化工收稿日期:201103-11蕙金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51176181);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973CNMHG作者簡介:安江濤(1984-),男,博上研究生, ajta mail ustc. edu.cn.通訊作者:蔣勇,yulang@ustc.edu.cn438燃燒科學(xué)與技術(shù)第17卷第5期焰的各種特性的系統(tǒng)研究還比較缺乏成為研究拉伸火焰的主要模型:12.本文研究的是由于C02在熱力學(xué)性質(zhì)、分子輸運性質(zhì)、化學(xué)性預(yù)混氣的燃燒特性,所以兩個噴口均是可燃預(yù)混氣質(zhì)方面與N2都有明顯差異,比如CO2的等壓比熱是體,火焰面兩側(cè)對稱,其模型見圖2本文計算了在N2的1.6倍左右叫,虹紅外輻射吸收能力較強,在三體對沖火焰模塊下不同H2CO比的混合氣在不同噴口反應(yīng)中的伴隨效應(yīng)比N2強2,因此用CO2替代N2作速度下的局部拉伸率、火焰厚度、燃燒速度等重要燃為氧化劑的主要稀釋氣體必然會帶來一些燃燒特性燒特性的變化的變化在進行預(yù)混燃燒模塊計算時,混合氣的出口溫度近些年隨著對環(huán)境問題的關(guān)注、IGCC等新技術(shù)在各算例中均為298K.在對沖火焰模塊計算時,兩需求的推動,國內(nèi)外開展了一些針對性的研究34,如個噴口間距設(shè)定為1cm,出口溫度298Kchen等研究了cO2作稀釋氣體下輻射吸收對甲烷火焰國燃燒速度和可燃性極限的影響, Williams等研究了渦旋穩(wěn)定燃燒器下cO2稀釋和不同合成氣預(yù)混燃燒的特性以及NO2CO排放的變化,而 Andersson等旦燃?xì)怏w未燃?xì)怏w的研究指出,低碳烷烴在O2CO2環(huán)境下燃燒輻射能圖1層流預(yù)灑火焰?zhèn)鞑ナ疽饬Φ奶岣卟粌H是由于CO2的增加提高了燃燒氣的發(fā)射系數(shù),而且還和火焰前端碳顆粒濃度增加有關(guān)預(yù)混氣體預(yù)混貧油燃燒具有燃燒效率髙、污染物排放低的火焰面優(yōu)點6,現(xiàn)在已經(jīng)成為渦輪燃機設(shè)計的主要燃燒方式.但是預(yù)混貧油燃燒不穩(wěn)定,通過增加燃料中氫氣的含量來增強貧油燃燒情況下的穩(wěn)定性研究在近幾停滯面年一直是熱點10.CO2作稀釋氣體的情況下混合氣預(yù)混氣體的貧油燃燒特性也需要重新進行分析研究圖2對沖火焰示意本文首先針對不同CO2濃度的氧化劑與不同H2含量的合成氣形成的預(yù)混自由傳播燃燒進行了系統(tǒng)12合成氣與氧化劑構(gòu)成的燃燒速率、火焰厚度等燃燒特性的研究及其貧油燃為了分析不同CO2稀釋程度與不同H2含量合成燒特性的分析然后在對沖火焰模型下,研究分析了氣的燃燒特性,根據(jù)合成氣的成分特征,設(shè)計了幾種燃料中氫氣比例的增加對火焰拉伸系數(shù)的影響,并引有針對性的氧化劑和燃料,分別見表1和表2.為了入 Karlovitz數(shù)對火焰穩(wěn)定性進行了討論方便表達,氧化劑和燃料的名稱分別用其O2的體積分?jǐn)?shù)和H2的體積分?jǐn)?shù)作為首要區(qū)分符.1數(shù)值模擬衰1氧化劑及其詳細(xì)構(gòu)成氧化劑名稱化劑的構(gòu)皮體積分?jǐn)?shù))/%02與CO21.1燃燒模型和化學(xué)動力學(xué)機理體積分?jǐn)?shù)比計算時,采用了 CHEMKIN軟件的層流預(yù)混火空氣217921%O2CO22780269焰模塊和對沖火焰模塊,其燃燒化學(xué)反應(yīng)機理采用的0435是 GRI-Mech3.0機理2. GRI-Mech3.0機理是目前國34%O2CO2340523際上描述低碳烷烴火焰的代表性詳細(xì)機理,此機理和40%On-CO400.678CHEMKIN軟件相結(jié)合可以詳細(xì)計算分析燃料在特衰2燃料及其詳細(xì)構(gòu)成定火焰模型下的溫度、速度、組分等參數(shù)的分布情況圖1為層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ナ疽?其火焰?zhèn)鞑ニ俣热剂厦Q燃料的構(gòu)成(體積分?jǐn)?shù))H2與CO體積分?jǐn)?shù)比是表征預(yù)混燃燒特性的重要參數(shù),也是研究預(yù)混氣可35%H: co( slurry feed0700燃性極限的主要判定依據(jù).筆者通過此模型對預(yù)混氣的燃燒速度、絕熱火焰溫度、火焰厚度和化學(xué)滯留28%Ha-CO(Dry feed28I64s30438時間進行了系統(tǒng)分析20%中國煤化工140308對沖火焰模型因為其簡潔明了的拉伸流場結(jié)構(gòu)50%HCNMHG1414292011年10月安江濤等:cO2稀鄲及合成氣構(gòu)成對預(yù)混燃燒特性的影響439火焰的化學(xué)反應(yīng)滯留時間為火焰厚度和燃燒速2結(jié)果與分析度之比14分析圖3d)和圖4(d)不同cO2體積分?jǐn)?shù)下合成氣在不同當(dāng)量比下的化學(xué)反應(yīng)滯留時間可以21不同CO稀釋環(huán)境和含H比對預(yù)灑燃燒特性發(fā)現(xiàn),在恰當(dāng)化學(xué)當(dāng)量比10附近,雖然其火焰?zhèn)鞑サ挠绊懰俣群突鹧婧穸炔町惗急容^明顯,但不管是35%H2首先針對 Slurry feed syngas(圖3)和 Dry feedcO氣體還是28%H2CO氣體,在不同CO2稀釋程syngas(圖4)在不同CO2稀釋程度、不間當(dāng)量比下進度下,其預(yù)混燃燒火焰的化學(xué)反應(yīng)滯留時間很小,都行了系統(tǒng)的預(yù)混燃燒計算,并分析了其燃燒速度絕在10-6的量級上.而在貧燃區(qū)不間混合氣的化學(xué)反應(yīng)滯留時間隨著化學(xué)當(dāng)量比的降低而差異變大,這預(yù)混燃燒速度SL0的定義川為種差異的變大也正說明,在貧燃區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)的(1)增加使得火焰厚度增加而燃燒速度降低,進而增加了式中:M6為質(zhì)量流率;p為氣體密度;A為燃燒管道化學(xué)反應(yīng)滯留時間橫截面積。層流預(yù)混火焰的燃燒速度一般主要受溫Williams等的預(yù)混氣實驗結(jié)果表明,35%H2度和活躍反應(yīng)分子控制4,溫度和活躍反應(yīng)分子濃C氣體分別在和空氣、30%O2CO2、34%02CO2三度的提高都能夠有效提高火焰?zhèn)鞑ニ俣榷鴾囟鹊姆N氧化劑混合條件下在當(dāng)量比等于07時,其絕熱提高和活躍反應(yīng)分子濃度的提高是兩個相互影響的火焰溫度分別為198K、1990K和2118K.而本因素,因為大多活躍反應(yīng)分子都是在一些高溫反應(yīng)產(chǎn)文中同樣情況下的計算結(jié)果為186K、1864K和生的,活躍反應(yīng)分子的增多又有利于反應(yīng)的加快進歷1978K,雖然由于試驗和模擬計算存在邊界條件的增加放熱,提高火焰溫度.在CO2體積分?jǐn)?shù)增加的情差異,導(dǎo)致溫度具體數(shù)值上有差別,但其變化的趨勢況下,由于CO2有較高的比熱,因此必然會增加混合十分近似,都表明合成氣在空氣和30%O2-CO2環(huán)境氣的平均比熱降低火焰的溫度,進而影響到火焰?zhèn)飨陆^熱火焰溫度近似,而在34%O2CO2環(huán)境下略播速度.同樣在CO2體積分?jǐn)?shù)降低、O2體積分?jǐn)?shù)增高.這種合成氣在空氣環(huán)境和30%O2-CO2,34%O2加的情況下,不但會因為CO2體積分?jǐn)?shù)降低而提升cO2兩種環(huán)境下燃燒特性的近似,同樣可以在圖3和溫度,同樣也會因為O2體積分?jǐn)?shù)的增加而提高O、圖4關(guān)于燃燒速度、絕熱火焰溫度、火焰厚度和化學(xué)OH、H等活躍反應(yīng)分子的含量,進而提高反應(yīng)速率反應(yīng)滯解時間的計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn).這些數(shù)據(jù)都表明增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?這一特性可以從圖3圖4中關(guān)的于CO2的高比熱,O2CO2氧化劑中O2的濃度必須于燃燒速度和絕熱火焰溫度的圖中得到驗證提高到30%34%左右,其與合成氣預(yù)混燃燒的效果預(yù)混火焰厚度是火焰形態(tài)的一個重要指標(biāo),其才能達到和空氣近似定程度上體現(xiàn)了燃燒中能量物質(zhì)交換的強度.火進一步分析圖3和圖4中絕熱火焰溫度和燃燒焰厚度過厚和過薄的都是會導(dǎo)致熄火.火焰厚度有速度可以發(fā)現(xiàn)燃料與空氣混合的絕熱火焰溫度與燃多種不同的定義,本文中層流預(yù)混火焰的厚度0的料和30%O2CO2混合的絕熱火焰溫度是十分近似定義為的,而其燃燒速度卻與34%O2-CO2混合的情況下相近似.這種溫度類似而火焰速度卻有差異的情況再式中:為絕熱火焰溫虔;為未燃?xì)怏w溫度;的含量有老逮度不只決定于溫度而且跟活躍分(dT/dr)(drdx)mx為最大溫度梯度.從圖3(c)與圖4(c)兩為了分析不同H2CO體積分?jǐn)?shù)比的混合氣在CO2個火焰厚度的圖中可以看出,在相同當(dāng)量比下,隨著稀釋氧化劑情況下的層流預(yù)混燃燒特性,選取34%CO2在預(yù)混氣體中含量的增加,火焰厚度是增加0:CO2作為典型CO2稀釋環(huán)境的氧化劑對表2中的由于未燃?xì)怏w溫度T是相同的,并且隨著co2幾種不同H2CO體積分?jǐn)?shù)比的燃料進行了不同當(dāng)量含量的增加,絕熱火焰溫度zu降低,因此火焰厚度比下的預(yù)混燃燒計算其計算結(jié)果見圖5.從圖中可的增加只能說明最大溫度梯度(dTd)m比絕熱火焰以看出,隨著HyCo體積分?jǐn)?shù)比的增加其燃燒速度溫度降低得更多這也從側(cè)面說明了由于cO體積有明顯的增加增加的質(zhì)固眼前面分析的類似,分?jǐn)?shù)的增加,使得火焰區(qū)氣體比熱增加,進而減緩了體積分?jǐn)?shù)的中國煤化工度,而且會增加火焰中溫度場的梯度HoOH等活CNMHG速度增加440燃燒科學(xué)與技術(shù)第17卷第5期2550O/40%35%H=/21%O-C(02040.60.81.0102040.6081.0121.4當(dāng)量比當(dāng)最比(a)燃燒速度(b)絕熱火焰溫度0.135%H,421%0:CO,046%8C0.0小2040.60.81.01.2141.6當(dāng)最比當(dāng)量比(c)火焰厚度(d)化學(xué)反應(yīng)滯留時間圖3 Slurry feed syngas在不同氧化劑、不同當(dāng)量比情況下預(yù)混燃燒特性16028%10080950150028%H:CO/40%0CO213500.2040.602040.60.81.01.214當(dāng)量比當(dāng)量比(a)燃燒速度(b)絕熱火焰溫度0035%HCO/40%0:CO2002528%當(dāng)量比(c)火焰厚度(d)化學(xué)反應(yīng)滯留時間圖4 Dry feed syngas在不同氧化劑、不同當(dāng)量比情況下預(yù)混燃燒特性1402.2CO2稀釋環(huán)境下 Karlovizt數(shù)的討論到目前為止,有大量的文獻討論拉伸對火焰作用以及拉伸極限的規(guī)律.其中研究的重點大多是關(guān)于極限拉伸下 Karlovizt數(shù)的規(guī)律. Karlovizt數(shù)的定義14為0.20.40.60.81.0Ka=,.化學(xué)反應(yīng)滯留時間(3)當(dāng)比中國煤化工圖5不同H/CO體積分?jǐn)?shù)比的混合氣在34%O2CO氧化劑式中x為局CNMHG混合下的燃燒速度2011年10月安江濤等:CO3稀釋及合成氣構(gòu)成對預(yù)混燃燒特性的影響I d(da)1 daH::O/34%O30050A dr50%H:CO/34%0:CO3式中A為火焰面面積.在對沖火焰拉伸實驗時,為了0.045表征不同出口速度下流場全局拉伸程度,常常引入0.04個全局拉伸系數(shù)κ=2a0/L,其中為噴口出口速度,L為噴口間距離大量的實驗表明,在式(3)的定義下,拉伸熄火200300400600700800900極限時Ka在相當(dāng)廣的當(dāng)量比范圍內(nèi)是一個常數(shù),其局部拉伸率s值因為燃料的不同而有差異,但都在0.03~20范圍圖7拉伸火焰厚度隨局部拉伸率的變化內(nèi)6. Chung等曾指出如果將式(3)中無拉伸下的按照式(3)的定義,由于其化學(xué)反應(yīng)滯留時間是火焰厚度和燃燒速度So換為拉伸下對應(yīng)的火焰定的,因此 Karlovizt數(shù)會隨著局部拉伸率的增加厚度和燃燒速度S4將得到一個局部Ka數(shù)而線性增加,直至達到拉伸極限圖8中的(a)和(b)( local Karlovizt number)·并且他們的研究表明,很均表明在相同局部拉伸率情況下,Ka和局部Ka均多燃料在相當(dāng)寬泛的當(dāng)量比區(qū)間中,其拉伸熄火時的會隨著燃料中H2比例的增加而減小并且圖8a)中局部Ka均在0附近.拉伸作用下的燃燒速度有多Ka變化的趨勢也表明,隨著燃料中H2比例的增加,種定義方式,Tien等曾研究討論過不同拉伸火焰Ka的變化率是降低的圖8(b)中局部Ka的變化逐燃燒速度定義的特點本文采用流場中速度最低點為漸變緩趨勢也符合 Chung等的研究結(jié)論,進一步證拉伸火焰的燃燒速度的定義方式拉伸火焰厚度的明了H2比例的增加可以增強燃燒穩(wěn)定性.計算和式(2)相同采用對沖火焰模型計算了不同H2CO體積分?jǐn)?shù)3%H(8/48:50%H:CO/34%O2CO2比合成氣與34%O2-CO2的氧化劑混合,在當(dāng)量比為0.6時,不同噴口出口速度下其Ka和局部Ka的變化見圖6.燃料采用不同H2CO體積分?jǐn)?shù)比,目的是對照分析在CO2為稀釋氣體情況下H2對燃燒穩(wěn)定性的影響.00300400500600700800900局部拉伸率s062352095020025030035040045050050600圖6局部拉伸率隨全局拉伸率的變化局部拉伸率s1從圖6可以看出,隨著全局拉伸率的增加,幾種(b)局部Ka混合氣的局部拉伸率差異變大,并且隨著燃料中H2圖8 Karlovizt數(shù)和局部 Karlovizt數(shù)隨局部拉伸率的變化比例的增加,其局部拉伸率降低.由圖7可以發(fā)現(xiàn),各種燃料的拉伸火焰厚度均隨著局部拉伸率的增加3結(jié)論而變窄,這體現(xiàn)了流場拉伸對火焰的作用,當(dāng)火焰厚度降低到一定程度就會出現(xiàn)熄火從圖7中也可以看(1)由于CO2具有較高的比熱,因此預(yù)混氣體出,隨著燃料中H2比例的增加,其火焰厚度隨拉伸率中CO2體積分?jǐn)?shù)的增加會降低火焰溫度進而降低火變化的斜率變緩,這一特性和圖6中局部拉伸率降低焰燃燒速度酒計從燃格違度絕執(zhí)火焰溫度、火焰的特性均說明,H2比例的增加有利于火焰的穩(wěn)定性,厚度等幾個中國煤化工,提高O2-CO即在相同的拉伸流場中火焰面的相對變化率要小氧化劑中OCNMHG時,合成氣的442燃燒科學(xué)與搜術(shù)第17卷第5期燃燒才能與在空氣中相當(dāng)這一計算結(jié)果與Wi|umn[6】 Sierens R., RomMel e. ariable composition hydroger等的實驗結(jié)論相近,并且合成氣與O2-CO2氧化劑natural gas mixtures for increased engine eficiency and混合燃燒在達到和空氣燃燒相間溫度時其燃燒速度decreased emissions [J]. J Eng Gas Turbines Power要低于空氣情況,這是因為其中有利于增加燃燒速度2000,122:135-140的自由基也受到了抑制.從尾氣比熱高和火焰燃燒7] Dagaut Philippe, Dayma Guillaume Hydrogen-enriched速度低的角度看,采用合成氣與O2CO2氧化劑混合natural gas blend oxidation under high-pressure condl.燃燒吏有利于提高渦輪機的熱效率,tions: Experimental and detailed chemical kinetic mod.(2)從計算結(jié)果也可以看出,CO2體積分?jǐn)?shù)的增eling[J]. Proceedings af the Combustion Institute加降低了溫度梯度,使火焰厚度增加,并且導(dǎo)致化學(xué)2005,3012631·2638反應(yīng)滯留時間在貧燃區(qū)明顯增加[8]Kim Han S, Arghode Vaibhav K, Gupte Ashwani K.(3)合成氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加可以提高火Flame cheracteristics of hydrogen-enriched methane-air焰溫度和活躍分子的含量,進而增強燃燒速度,并且premixed swirling flames[J]. International Journal of定程度上降低了貧燃區(qū)化學(xué)反應(yīng)滯留時間,有利于Hydrogen Ene,2009,34:1063-1073降低火焰面在流場拉伸作用下的變化率,增強火焰面9] Sankaran Ramanan, Im Hong G Effects of hydrogenaddition on the Markstein length and flammability limit的健壯性ofstretchedmethane/airpremixedflames[j].combus-(4)對 Kerlovizt數(shù)的計算分析表明,H2比例的tion Sclence and Technoloyy, 2006. 178: 1585-1611增加不但會減小 Karloviz數(shù)和局部 Karloviz數(shù),而I 10] Schefer R W. Hydrogen enrichment for improved lean且會降低其變化率,這從基礎(chǔ)理論的角度解釋了合成flame stability [J], International Journal af Hydrogen氣中H2比例的增加是如何増強合成氣燃燒穩(wěn)定性的Enen,2003,28:1131-1141問題11] Vagelopoulos C M, Egolfopoulos FN, Law CK. Fur參考文獻her considerations on the determination of laminar flamespeeds with the counterflow twin-flame technique [J][1] Law C K. Combustion Physics[M]. New YorkProceedings af the Combustion Institut, 1994, 25Cambrige University Press, 2006.1341-13472] Smith G P, Golden D M, Frenklach M, et al. 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