2016燃燒學(xué)年會(huì)集文獻(xiàn)

2燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001） 摘要OH-PLIFO2/H2OCO/H2的本生燈火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量測(cè)量，采OH濃度的測(cè)量值和計(jì)算結(jié)果基本一致。隨著當(dāng)量比的增大，火焰溫度先增大后降低，OH的濃度逐漸降低。關(guān)鍵詞O2/H2O燃燒；CO/H2；OH-PLIF夠直接獲得高濃度的CO2，可以直接封存或者進(jìn)一步利用。等[3,4]提出一種高效的“watercycle”發(fā)電技術(shù)，在高溫高壓的純氧燃燒火焰中噴入水或水H2O/CO2的混合工質(zhì)。SalvadorC[5]和SeepanaS[6]等提出了常壓O2/H2O燃燒技術(shù)，碳?xì)淙剂显贠2/H2O氣氛的鍋爐中燃燒。孫紹增等[7-10]對(duì)煤基合O2/H2O下的層流火焰特性和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了大量研究，高的水蒸氣濃度的O2/H2O燃燒的主要特點(diǎn)，水蒸氣的添加降低了火焰溫度，同時(shí)改變了化學(xué)CO和H2是氣化氣（合成氣）的主要成分，其燃燒特性和燃燒機(jī)理對(duì)于碳?xì)淙剂系那鍧嵏咝Ю梅浅Ｖ匾?。不同稀釋氣體（CO2、N2和H2O）CO/H2燃燒特性產(chǎn)生重要張哲巔等[22]對(duì)合成氣/濕空氣對(duì)沖擴(kuò)散火焰的研究發(fā)現(xiàn)，H2O的存在對(duì)火焰尺寸的影響不明顯，但會(huì)使得合成氣火焰中的CH自由基消失；水蒸氣濃度對(duì)CO的排放的影響是非單調(diào)性的?；蓥蝃23]PLIF測(cè)量了合成氣擴(kuò)散燃燒火焰中的OH自由基的分布，發(fā)現(xiàn)H2OCO燃燒的影響是通過促進(jìn)OH自由基實(shí)現(xiàn)的。西安交通大學(xué)的王金華和湯成龍等[24-29]采用本生燈和OH-PLIF方法研究合成氣層流和湍流火焰的傳播特性和火焰前鋒度分布對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究非常重要。本文主要采用先進(jìn)的OH-PLIF測(cè)量技術(shù)，對(duì)規(guī)律，分析討論當(dāng)量比對(duì)CO/H2/O2/H2O燃燒化學(xué)反應(yīng)的影響。1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要包括水蒸氣控制發(fā)生裝置，氣體預(yù)熱爐，高2所示。CO、H2、O2由單獨(dú)的氣瓶供應(yīng)，CS200系列）控制氣體的流量，精度為設(shè)定點(diǎn)的±1%或滿量程的±0.35%。CO和H2CO/H2O2/H2O經(jīng)過預(yù)熱后達(dá)到設(shè)定的預(yù)熱溫度，經(jīng)混氣罐混合均勻后進(jìn)入高J.等[13,33]N.Bouvet等[31,34]OH-PLIF平面激光誘導(dǎo)熒光（PlanarLaserInducedFluorescencePLIF）技術(shù)采用激光空間分辨率、高靈敏度、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)。OH是燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物，對(duì)燃燒強(qiáng)，容易被捕捉到，從而使OH-Plif測(cè)量技術(shù)成為燃燒診斷的重要工具。ProTM7nsICCD（Andor,iStar,1024×1024）OH的熒光信號(hào)，紫外鏡頭900nm,DG645ICCD門寬設(shè)置為20nsOH基產(chǎn)生的熒光被ICCD全部收集。

kln(RE/CE

計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到，kB是玻爾茲曼常數(shù)，Ei代表量子態(tài)i的能量。本文測(cè)量火焰中的溫度時(shí)采用OH基躍遷的A2Σ+X2Π1,0)的Q2(2)和P1(7)的激勵(lì)線進(jìn)行溫度測(cè)量，選擇波長(zhǎng)VersluisM等[40]提出利用兩束對(duì)向入射激光至火焰，兩束光在溫度、碰撞淬滅和光學(xué)收燒CH4/Air火焰中的OH濃度進(jìn)行了測(cè)量。OHOH對(duì)激光的吸收較強(qiáng)，VersluisM等人[40]提出的理論計(jì)算別是在火焰根部，OH存在的區(qū)域非常窄，采用理論計(jì)算法較難獲得理想的結(jié)果，VersluisM等[40]提出的測(cè)量方法在本生燈火焰上的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步的研究。本文采用定標(biāo)法對(duì)O2/H2O氣氛下的CO/H2火焰中的OH濃度進(jìn)行測(cè)量。OHOH的定量測(cè)量[35,38,39,42-45。在弱激發(fā)狀PLIF系統(tǒng)多采用弱激發(fā)方式進(jìn)行燃燒測(cè)量，Daily[46]Hanson等[47]Stockman[45]和汪亮SLIF=??????4?? =

(????????

) ) 可以認(rèn)為Fref/??≈1。同時(shí)在實(shí)際測(cè)量時(shí)需要選擇玻爾茲曼分?jǐn)?shù)與溫度的相關(guān)性最小的度的相關(guān)性最小，此時(shí)可以認(rèn)為fB,ref/fB≈1OH283.553nm。于是

位體積內(nèi)的OH的摩爾數(shù)。圖2標(biāo)準(zhǔn)型McKenna燃燒 圖3OH定標(biāo)系統(tǒng)實(shí)物中自由基的分布采用了不同的平焰燃燒器進(jìn)行了定量測(cè)量，CH4/Air火焰中的溫度分布推薦的氣體流量，CH4：1.31L/min,空氣12.4l/min，保護(hù)氮?dú)猓?l/min。FaH4中給出了采用比色皿所獲得的激光在高度方向上的熒光圖像，通過歸一化處理，能獲6rHb7HH的濃度較高，火焰面基本水平，沿著燃燒器的高度方向增大時(shí)，H的熒光信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，說明進(jìn)入了燃盡區(qū)，燃燒反應(yīng)逐漸減弱，由于H依然存在。 內(nèi)熒光信號(hào)能夠和OH濃度匹配，普林斯頓大學(xué)的琚詒光等[38]采用該方法進(jìn)行了OH-PLIF的定標(biāo)。光信號(hào)和OH濃度的比例因子，比例因子為：??????,??????/????????,??????=1.9895x10-5理后，獲得的熒光信號(hào)圖像乘以該比例因子，既可以得到實(shí)際火焰中的OH摩爾濃度00熒光強(qiáng)度（熒光強(qiáng)度（0

00 燃燒器軸線高度 8.23m/s。出口采用壓力出口，壁面邊界條件采用無滑移壁面，壁面溫度參考OH400KH2O47%，CO/H2比為流量計(jì)改變CO/H2和O2的比例，獲得不同當(dāng)量比下的本生燈火焰。不同當(dāng)量比時(shí)O2/H2O氣氛下CO/H2本生燈火焰溫度分布實(shí)驗(yàn)測(cè)量值如圖10所示，隨著當(dāng)量比的增大，火焰溫度先增大后減小，在當(dāng)量比為1.0時(shí)火焰溫度最大。100K121.0OH的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)進(jìn)行激發(fā)，測(cè)量OHOH的濃度對(duì)于測(cè)量非常關(guān)鍵，濃度越大，所獲得的信噪比越高，OH濃度較低時(shí)較難準(zhǔn)確測(cè)量。 性較強(qiáng)，在高溫下CO2的光譜輻射特性降發(fā)生變化[54]，F(xiàn)luent中已有輻射模型不能在每在誤差，在2000K的火焰溫度下，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的差別在可接受的范圍內(nèi)。OH-PLIF法，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量不同當(dāng)量比下火焰中的溫度分布，和計(jì)火焰溫度火焰溫度-

-6-5-4-3-2- 水平位置OH的區(qū)域，隨OH的濃度逐漸降低。隨著當(dāng)量比的增大，火焰的高度先降低后增大，不OH的濃度逐漸降低，OH的高濃度區(qū)域逐漸變小，即火焰厚度減小，該結(jié)論與已有空氣氣氛下的研究一致[55]。圖14給出了不OH濃度分布的計(jì)算結(jié)果。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)值和25%。141.010mmOH濃度沿著徑向方向測(cè) 火焰高度10火焰高度10OH濃度OH濃度-

-6-5-4-3-2- 水平位置1617給出了不同當(dāng)量比時(shí)火焰中O和H分布的計(jì)算結(jié)果，O和H在本生燈HCO和H2促進(jìn)了OOH的消耗，生成了更多的H自由基。

OHfluent數(shù)值計(jì)算方法結(jié)合本文修正的OH濃度降低，H自由基的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大。StangerR,WallT,SporlR,etal.OxyfuelcombustionforCO2captureinpowerplants[J].INTJGREENHGASCON,2015,40:55-125.YinCG,YanJY.Oxy-fuelcombustionofpulverizedfuels:Combustionfundamentalsandmodeling[J].APPLENERG,2016,162:742-762.AndersonR,HustadC,SkutleyP,etal.Oxy-fuelTurboMachineryDevelopmentforEnergyIntensiveIndustrialApplications[J].EnergyProcedia,2014,63(0):511-523.AndersonR,ViteriF,HollisR,etal.Oxy-FuelGasTurbine,GasGeneratorandReheatCombustorTechnologyDevelopmentandDemonstration[C].in:ASMETurboExpo2010:PowerforLand,Sea,andAir,2010:733-743.SalvadorC.Modeling,design,andpilot-scaleexperimentsofCANMET'sAdvancedOxy-fuel/steamBurner[C].Intern.oxy-combustionResearchNetwork.Windsor,CT,USA,SeepanaS,JayantiS.Steam-moderatedoxy-fuelcombustion[J].EnergyConvers.Manage.,2010,51(10):1981-1988.孫紹增,孟順,趙義軍etal.水蒸氣純氧條件下合成氣燃燒特性[J].化工學(xué)報(bào)2015,12):孫紹增,孟順,許煥煥etal.一種煤基燃料近零排放發(fā)電系統(tǒng)及方法CN102628401A[P].SunS,MengS,ZhaoY,etal.ExperimentalandtheoreticalstudiesoflaminarflamespeedofCO/H2inO2/H2Oatmosphere[J].IntJHydrogenEnergy,2016,41(4):3272-3283.MengS,SunS,XuH,etal.TheeffectsofwateradditiononthelaminarflamespeedsofCO/H2/O2/H2Omixtures[J].IntJHydrogenEnergy,2016,41(25):10976-10985.BurkeMP,ChaosM,DryerFL,etal.NegativepressuredependenceofmassburningratesofH2/CO/O2/diluentflamesatlowflametemperatures[J].Combust.Flame,2010,157(4):618-631.SunHY,YangSI,JomaasG,etal.High-pressurelaminarflamespeedsandkineticmodelingofcarbonmonoxide/hydrogencombustion[J].Proc.Combust.Inst.,2007,31:439-446.NatarajanJ,KocharY,LieuwenT,etal.PressureandpreheatdependenceoflaminarspeedsofH2/CO/CO2/O2/Hemixtures[J].Proc.Combust.Inst.,2009,32(1):1261-HanM,AiY,ChenZ,etal.LaminarflamespeedsofH2/COwithCO2dilutionatnormalandelevatedpressuresandtemperatures[J].Fuel,2015,148(0):32-38.WengWB,WangZH,HeY,etal.EffectofN2/CO2dilutiononlaminarburningvelocityofH2–CO–O2oxy-fuelpremixedflame[J].IntJHydrogenEnergy,2015,40(2):1203-1211.WangZH,WengWB,HeY,etal.EffectofH2/COratioandN2/CO2dilutionrateonlaminarburningvelocityofsyngasinvestigatedbydirectmeasurementandsimulation[J].Fuel,2015,141(0):285-292.WangJH,HuangZH,KobayashiH,etal.LaminarburningvelocitiesandflamecharacteristicsofCO-H2-CO2-O2mixtures[J].IntJHydrogenEnergy,2012,37(24):19158-19167.VonElbeG,LewisB.Free-radicalreactionsinglowandexplosionofcarbonmonoxideoxygenmixtures[J].Combust.Flame,1986,63(1–2):135-150.RightleyML,WilliamsFA.BurningvelocitiesofCOflames[J].Combust.Flame,1997,110(3):285-297.HeY,WangZH,YangL,etal.InvestigationoflaminarflamespeedsoftypicalsyngasusinglaserbasedBunsenmethodandkineticsimulation[J].Fuel,2012,95(1):206-213.WengWB,WangZH,HeY,etal.EffectofN2/CO2dilutiononlaminarburningvelocityofH2–CO–O2oxy-fuelpremixedflame[J].Int.J.HydrogenEnergy,2015,40(2):1203-1211.張哲巔.濕空氣擴(kuò)散火焰的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究[D].博士論文惠鑫.合成氣稀釋擴(kuò)散火焰的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究[D]. 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