第六章-新型燃燒技術(shù)

第六章新型燃燒技術(shù)-富氧純氧燃燒及旋流火焰

2提綱1.背景介紹技術(shù)優(yōu)點(diǎn)研究進(jìn)展2.實(shí)驗(yàn)研究3.工程應(yīng)用Energyisthesinglemostimportantchallengefacinghumanitytoday!—Nobellaureate,RickSmalley,April2004,TestimonytoU.S.Senate3Ref.Worldenergyconsumptionbyfuel1990-2035(quadrillionBtu).

擴(kuò)展能源資源：

核能-風(fēng)險(xiǎn)

可持續(xù)能源-需實(shí)現(xiàn)技術(shù)和成

本的突破2.提高能源利用效率:

能源安全

環(huán)境安全背景–節(jié)能4未來(lái)降低CO2排放的關(guān)鍵技.

Ref.IEA,EnergyTechnologyPerspective2010,2010.本研究提出純氧燃燒及空氣富氧燃燒降低能源損耗和CO2排放。背景–CO2

減排5背景–NOx

減排NOx:光化學(xué)煙霧，溫室效應(yīng)(N2O是CO2的310倍)。降低

NOx

CCS技術(shù)(CO2

CaptureandSequestration)由空氣引入的氮?dú)獗幌剂?/p>

+

純氧工業(yè)應(yīng)用

(高溫產(chǎn)業(yè))

加熱和熔化金屬（鐵，鋁...）及礦物質(zhì)（水泥，石灰，陶瓷，玻璃...）

廢棄物焚燒

優(yōu)點(diǎn)：

提高熱效率,降低燃料損耗,提高火焰穩(wěn)定性.

富氧空氣燃燒(Oxygen-EnrichedAir)Ref.Baukal,C.E.,Oxygen-EnhancedCombustion,CRCPress,BocaRaton,FL,1998注入氧氣(O2Lancing)氧氣與燃料預(yù)混

(Air-oxy/fuel)純氧燃燒(Fuel/O2)1.提高效率，減少能耗，從而降低CO2

排放。2.為Fuel/O2/CO2提供參考=>CCStechnique.空氣富氧燃燒純氧燃燒CCS,減少NOx6背景–富氧/純氧燃燒7純氧燃燒熱處理技術(shù)純氧火焰被加熱試件

直接火焰沖擊純氧燃燒熱處理技術(shù)被加熱帶鋼（自左向右移動(dòng)）純氧火焰熱效率高達(dá)80%，相比于空氣燃燒及傳統(tǒng)的富氧無(wú)焰燃燒技術(shù)，其熱流密度分別增加了10倍和5倍；生產(chǎn)量可提高50%，燃料節(jié)約達(dá)50%。Ref.J.VonSchéele,Useofdirectflameimpingementoxyfuel,Ironmaking&Steelmaking,36(2009)487-490.玻璃熔爐減排，包括煙塵減少50%-70%，NOx減少85%-90%，CO2

和SO2各減少21%和29%。傳統(tǒng)的玻璃、陶瓷及金屬加工產(chǎn)業(yè)都是廢氣排放大戶，采用先進(jìn)的純氧燃燒技術(shù)將有助于降低NOx排放，促進(jìn)CO2回收和利用節(jié)能17%-28%，減少爐窯損失18%-42%，并能顯著提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，在納入純氧制取成本的基礎(chǔ)上，純氧燃燒綜合節(jié)能量可達(dá)14.75%，考慮到大幅減少的NOX排放，純氧燃燒依然具有很大的優(yōu)勢(shì)。純氧燃燒熱處理優(yōu)勢(shì)Ref.干大川，探討推廣玻璃窯爐純氧燃燒技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題

貝榮華，關(guān)于玻璃池窯爐采用純氧燃燒技術(shù)的認(rèn)識(shí),石油和化工節(jié)能,8純氧燃燒在點(diǎn)火、反應(yīng)速率、火焰溫度、煙氣輻射、對(duì)流換熱以及流動(dòng)等方面與傳統(tǒng)空氣燃燒差異顯著。煙氣輻射放熱效果大大加強(qiáng)：煙氣的主要成分是CO2和H2O；高加熱和熔化效率：火焰溫度高，燃燒速度快，因而純氧燃燒產(chǎn)生的煙氣流速快，煙氣粘度大；純氧燃燒熱通量(heatflux)：純氧條件下的熱通量相比于30%氧氣濃度的燃燒增加了2.3倍，而且熱通量峰值在純氧條件下位于滯止區(qū)；熱化學(xué)放熱(thermochemicalheatrelease)：純氧火焰中存在大量的O，H和OH等自由基，其在進(jìn)入冷邊界層時(shí)發(fā)生重組，釋放大量的熱。純氧燃燒中的新理論Ref.C.E.Baukal,B.Gebhart,CombustSciTechnol.,104(1995)339-357.C.E.Baukal,B.Gebhart,CombustSciTechnol.,104(1995)359-385.C.E.Baukal,B.Gebhart,Exp.Therm.FluidSci.16(1998)247-59.M.J.Remie,etal.,JournalofHeatandMassTransfer,50(2007)2816-2827.C.E.Baukal,B.Gebhart,Exp.Therm.FluidSci.15(1997)323-35.9提綱1.背景介紹技術(shù)優(yōu)點(diǎn)研究進(jìn)展2.實(shí)驗(yàn)研究3.工程應(yīng)用10深冷空分法先將空氣壓縮，再膨脹降溫，冷卻后液化，利用氧氮的沸點(diǎn)溫度不同（在大氣壓下氧的沸點(diǎn)為-182.98℃，氮的沸點(diǎn)為-195.8℃）。提取率為96%，氧氣純度99.6%，其能耗為0.51kWh/m3。變壓吸附法分子篩變壓吸附分離空氣制氧，一是利用分子篩對(duì)氮的吸附親和能力大于對(duì)氧的吸附親和能力以分離氧，氮；二是利用氧在碳分子篩微孔系統(tǒng)狹窄空隙中的擴(kuò)散速度大于氮的擴(kuò)散速度，使在遠(yuǎn)離平衡的條件下可分離氧氮。提取純度不超過(guò)90%，但設(shè)備簡(jiǎn)單且價(jià)格相對(duì)低廉，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，能耗也較低0.38kWh/m3。純氧制取技術(shù)1112背景–

純氧燃燒(擴(kuò)散火焰)純氧/甲烷擴(kuò)散燃燒火焰（Φ

=1,功率190kW）.燃燒器示意圖Ref.

R.J.Harris,W.HorneandA.Williams,Combustion.Flame26(1976)311-321.13Ref.S.Yon,J.Sautet,AppliedThermalEngineering,Vol.32,(2012)83-92.Hythaneinpureoxygencombustion燃燒器示意圖(對(duì)流擴(kuò)散型)甲烷/空氣對(duì)流擴(kuò)散火焰甲烷/氧氣對(duì)流擴(kuò)散火焰Ref.A.Beltrame,etal.,

Combust.Flame124(2001)295–310.

SootandNOFormationinMethane–OxygenEnrichedDiffusionFlames背景–

純氧燃燒(擴(kuò)散火焰)14背景–擴(kuò)散與預(yù)混燃燒Chemkin計(jì)算甲烷/空氣化學(xué)反應(yīng)甲烷/空氣對(duì)流擴(kuò)散火焰發(fā)熱量及溫度分布對(duì)流速度：40cm/s發(fā)熱量峰值：500J/cm3.s高溫區(qū)域受限于質(zhì)量擴(kuò)散甲烷/空氣預(yù)混火焰發(fā)熱量及溫度分布入口流速：40cm/s發(fā)熱量峰值：4500J/cm3.s火焰帶下游均為高溫區(qū)域。15CH4/O2-N2層流燃燒速度Ref.Jahn,G.,DerZündvorganginGasgemischen(Dissertation),Oldenbourg,Berlin,1934.背景–

純氧預(yù)混燃燒難點(diǎn):燃燒速度高，預(yù)混合燃燒易發(fā)生回火和爆震危險(xiǎn)。優(yōu)點(diǎn)：高溫(3000K),

保護(hù)環(huán)境(降低NOx及CO2回收利用)，熱傳遞效率高，降低能源損耗。燃料空氣混合腔回火預(yù)混燃?xì)饣鹧鏈囟萒b污染物NOx

可調(diào)節(jié)當(dāng)量比進(jìn)行控制背景–

預(yù)混燃燒16本研究解決方案：急速混合管狀火焰純氧燃燒技術(shù)燃料與氧化劑分別注入在燃燒器并在其內(nèi)快速混合、燃燒，有效避免回火現(xiàn)象的發(fā)生。GlassWallPremixture旋回型管狀火焰Ref.

S.Ishizuka:Proc.Combust.Inst.20(1984)287-294

17背景–管狀火焰Ref.Y.Wangetal.,Proc.Combust.Inst.32(2009)1141–1147.非旋回型管狀火焰

旋回強(qiáng)度對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響Ref.R.ChenandF.D.James,Symposium(International)onCombustionVol.22(1988)531-540.管壁管狀火焰火焰特征：

[1]旋回流中的管狀、層流火焰；[2]RayleighStability:動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定；[3]溫度分布對(duì)稱性:熱穩(wěn)定；[4]氣、固體粉末及液體燃料。突出優(yōu)點(diǎn)：

燃燒器壁面溫度較低，

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行?；鹧鎯?nèi)部：高溫、低密度燃?xì)饣鹧嫱獠浚旱蜏?、高密度未燃?xì)釶remixture管狀火焰徑向溫度分布背景–旋回型管狀火焰18Source:

Ishizuka,1984穩(wěn)定射流火焰(主焰可達(dá)130m/s)大功率煤油燃燒器

(功率2MW,12英寸)背景–管狀火焰的應(yīng)用微型燃燒器19斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)η=12%Source:

Shimokuri,etal.,2005，2011

急速混合型Flame潛在的回火危險(xiǎn)無(wú)回火現(xiàn)象，安全O2/Air

orO2CH4CH4預(yù)混型FuelAirFuel＋AirO2/Air

orO2背景–急速混合管狀火焰2021提綱1.背景介紹技術(shù)優(yōu)點(diǎn)研究進(jìn)展2.實(shí)驗(yàn)研究3.工程應(yīng)用d=16mm燃燒器示意圖石英玻璃管切向入口玻璃管長(zhǎng)切向入口長(zhǎng)度8mm入口寬度(W=2,1mm)石英玻璃觀察窗(L=50,100mm)燃料燃料氧化劑氧化劑22實(shí)驗(yàn)裝置CH4O2AirFlow

meterO2+AirO2+AirCH4CH4CH4/Air-O2實(shí)驗(yàn)裝置

2324空氣-甲烷燃燒甲烷/空氣管狀火焰：穩(wěn)定、層流火焰（Qair=4.0m3N/h,L=75mm）同時(shí)受火焰拉伸、曲率的影響，且二者相互獨(dú)立！

=1.2

=1.0

=0.8QCH4=1.0Φ=0.200QCH4=0.46

Φ=0.0902QAir=0.0m3/hQO2=10.0m3/hβ

=1.000QCH4=0.45Φ=0.090CH4/Air-O2

(W=2mm)QCH4=1.0

Φ=0.328QCH4=0.9Φ=0.295QCH4=0.8Φ=0.262QAir=10.0m3/hQO2=4.0m3/hβ

=0.436QCH4=1.0Φ=0.260QCH4=0.9Φ=0.234QCH4=0.78Φ=0.203QAir=8.0m3/hQO2=6.0m3/hβ=0.549QCH4=0.775

Φ

=0.143QCH4=0.75Φ=0.138QCH4=1.0Φ=0.185QAir=4.0m3/hQO2=10.0m3/hβ

=0.7725入口寬度W=2mm;石英管長(zhǎng)L=50mm26CH4/Air-O2

(W=1mm)燃燒不穩(wěn)定火焰直觀圖27QO-total=6.0m3/hβ=0.67,Φ=0.6,0.8,1.0目的：獲得高當(dāng)量比,高氧氣濃度下均勻、穩(wěn)定的層流火焰CH4/Air-O2

(W=1mm)28CH*時(shí)序圖—β=0.67Φ=0.6火焰特征間隔：△t=0.1msCH*變化周期1.1ms，頻率909Hz高速相機(jī)A火焰前鋒面高速相機(jī)B火焰?zhèn)纫晥D29相似度分析11324455667822818293951627230聲壓特性小振幅增強(qiáng)，低頻振動(dòng)能量向高頻振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變聲壓波動(dòng)值：APF(1.0)>APF(0.8)>APF(0.6)△t=0.004s△t=0.03s31

火焰聲壓

結(jié)構(gòu)振蕩

頻率頻率Φ=0.6

909Hz903HzΦ=0.8

1952Hz1960HzΦ=1.0

2051Hz2050Hz低頻振動(dòng)能量向高頻振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變頻譜特性32聲學(xué)模型理論分析圓柱腔內(nèi)聲共振的基本理論RaichelDR.etal.Springer-VerlagNewYork,Inc.,2006.MorsePM,IngardKU.TheroreticalAcoustics[J].1968.Helmholtz固有頻率αmn取值α10和α01，計(jì)算頻率為68913Hz和33115Hz，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)值2050Hz。主要考慮αmn=0,軸向振蕩的固有頻率:實(shí)驗(yàn)工況絕熱溫度均在在2500K以上；依據(jù)計(jì)算軟件Chemkin計(jì)算cad和Tad。聲速修正公式33結(jié)果分析軸向模式的聲學(xué)共振；減少氧化劑總量，混合氣體摻混效果變差，軸向頻率與實(shí)驗(yàn)聲壓頻率差值變大。氧化劑實(shí)驗(yàn)聲壓頻率

軸向頻率固有頻率流量當(dāng)量比次頻主頻m3/hHzHzHzHzCH4CO2O2Flow

meterO2+CO2O2+CO2CH4CH4CH4/O2-CO2CH4/O2-CO2

管狀火焰

(無(wú)逆火,無(wú)NOx,CCS)34富氧燃燒(CO2)CH4/O2/CO2管狀火焰(無(wú)逆火,無(wú)NOx,CCS)35

:氧化劑中氧氣摩爾含量

:當(dāng)量比(完全反應(yīng)為1)

=0.50均穩(wěn)管狀火焰振蕩燃燒通常的富氧燃燒

≤0.40（CCS）振蕩燃燒CH4:O2

+CO236CH4+2O2=CO2+H2O穩(wěn)定、高溫CH4/O2/CO2管狀火焰

(當(dāng)量比1，減少產(chǎn)物中O2及CO)

=0.86，TF2950K

=0.86CH4+CO2:O22950K富氧燃燒(CO2)新突破CH4:O2

+CO237CH4+CO2:O2富氧燃燒(CO2)-火焰外觀瞬態(tài)及平均CH*圖像，高速相機(jī)10000幀/sCH4/O2振蕩燃燒側(cè)視圖

(W=2mm,L=50mm)CH4/O2–振蕩燃燒38CH4/O2

–高速攝影火焰外觀比較0msOOFF

0.44ms0.88ms1.32ms1.76ms2.20ms2.64ms3.08ms3.52ms3.96ms4.40ms4.84ms5.28ms6.60ms6.16ms5.72ms

=0.15,W=2mm,左：火焰前緣，右：下游側(cè)視圖0.22ms0.44ms0.66ms0msOOFF

=0.15,W=1mm,管狀火焰0.22ms0.44ms0.66ms0msOOFF

=0.2,W=1mm，擴(kuò)散火焰振蕩燃燒高速攝像機(jī)：4500張/秒QO2

=4.0[m3N/h]需有效抑制擴(kuò)散火焰的形成。3940純氧燃燒-火焰外觀Φ=0.15Φ=0.20Φ=0.50Φ=0.50Φ=0.20Φ=0.15Φ=0.12W=2mmW=1mm管狀火焰不穩(wěn)定燃燒穩(wěn)定管狀火焰形成的量化指標(biāo)？氣體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析41化學(xué)反應(yīng)時(shí)間(Chemkin計(jì)算)混合時(shí)間(實(shí)驗(yàn)測(cè)量)

L:層流火焰厚度

Su:層流燃燒速度

m:混合層厚度

Dmass:質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)

(Da:

Damk?hler數(shù))定量測(cè)量！數(shù)值計(jì)算軟件Chemkin-PRO

一維預(yù)混層流燃燒模型(ChemkinPremixcode)

定常，絕熱，自由傳播火焰化學(xué)反應(yīng)機(jī)理:GRI-MechVersion3.0

(53類反應(yīng)物，325個(gè)基本反應(yīng)方程式)42層流燃燒速度(Su)

化學(xué)反應(yīng)時(shí)間

()邊界條件：

定壓(1atm)，入口溫度298K入口流速50cm/s，計(jì)算區(qū)域33cm.(-3,30cm)考慮熱擴(kuò)散(Soreteffect)，采用多組分輸運(yùn).層流燃燒速度–Chemkin-PRO43不同當(dāng)量比及氧氣含量的層流燃燒速度層流火焰厚度–δL

一維預(yù)混合層流火焰厚度:Ref.

ThierryPoinsot,DenisVeynateTheoreticalandNumericalCombustionδL例：當(dāng)量比為F=0.3時(shí)CH4/O2預(yù)混合層流燃燒,

44δL=118.4μmSu=131.0cm/s,Tb=2547K,兩端開(kāi)口,全長(zhǎng)120mm

示蹤粒子流示蹤粒子流無(wú)示蹤粒子流無(wú)示蹤粒子流MgO示蹤粒子空氣+MgO空氣+MgO燃燒器空氣空氣ZXYO干燥空氣干燥空氣YAG激光PIV相機(jī)P.C.同步器PIV系統(tǒng)

(ParticleImageVelocimetry)PIV系統(tǒng)(TSI),雙脈沖

Nd:YAG激光

(120mJ/pulse,15Hz,532nm)45混合時(shí)間-

τm

燃料與氧化劑混合過(guò)程分析W=2mmW=1mm,

Vt=0.729m/s46流場(chǎng)分析

氧化劑燃料燃料氧化劑Ref.

B.Shi,etal,Proc.Combust.Inst.34(2013)3369-3377.

邊界層理論Ref.

E.Fernández-Tarrazoetal.,CombustionandFlame144(2006)261–276DTA:

熱擴(kuò)散系數(shù)Ref.

HermannSchlichtingBoundary-LayerTheory平板邊界層原理

47若

Sc=1,則為混合層厚度

Dmass:質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)W=2mm48旋回型流動(dòng)混合層定量分析-PIV

氧化劑燃料燃料氧化劑Source.Shi,etal,

Proc.Combust.Inst.34(2013)3369-3377.

入口處的混合過(guò)程由邊界層型流動(dòng)主導(dǎo)（非平行流動(dòng)）流場(chǎng)可視化流場(chǎng)分析(W=1mm)49O周向速度分布混合層厚度:δ0

的驗(yàn)證邊界層型流動(dòng)PIV測(cè)量Re:200燃燒實(shí)驗(yàn)Re:20,000Valid!50Ref.H.Schlichting,BoundaryLayerTheory,7thEdition,P.40-41

Recritical=320,000未燃條件下：Ref.D.Shimokuri,Y.Zhang,S.Ishizuka,PIVmeasurementsona2-inchtubularflameburner,Proc.ofthe6thAsia-PacificConferenceonCombustion,Nagoya,Japan,2007,p.154-157Fig.6.RadialdistributionsofcircumferentialvelocityVθofcombustionflow(Upper:Velocity,Lower:Chemi-luminescent).在火焰帶外圍，燃燒狀態(tài)下的周向速度基本與未燃狀態(tài)一致。燃燒條件下是否有效?51δ0

的驗(yàn)證管狀火焰成立條件

Source.B.Shi,etal.,Combust.Flame161(2014)1310-1325.

52即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)前，燃料與氧化劑須混合良好。CH4/O2

根據(jù)Da=1.0，推算所需最小流量，為燃燒器設(shè)計(jì)、流量控制提供定量依據(jù)！流場(chǎng)分析

QO=0

QO=QF

QO=0.5QF

QO=2QF

Source.B.Shi,etal.,

Combust.Flame(accepted）.

53入口處的混合最好！總流量恒定混合及流動(dòng)分析-旋回流混合(燃?xì)廨啓C(jī))W=2mmL=64mmSw=0.3454QF=QO=0.15m3N/hW=2mmL=32mmSw=0.69

W=2mmL=16mm

Sw=1.37

W=2mmL=8mm

Sw=2.74

Sw>0.60,產(chǎn)生回流

，促進(jìn)燃料與氧化劑混合Source:B.Shi,etal.,Exp.Therm.FluidSci.54(2014)1-11.55甲烷富氧燃燒燃燒器改進(jìn)56甲烷純氧燃燒甲烷-純氧火焰（非均勻、穩(wěn)定、層流）5.5kW27.3kWQO=6.0m3/h,

=1.0CH4/AirCH4/O2T=2220K=0.25W/m·KHRR=4.5x103

J/cm3sT=3050K

=2.8W/m·KHRR=2.54x105J/cm3s57甲烷富氧燃燒相圖(CO2)不同氧氣濃度下燃燒區(qū)間相圖58甲烷富氧燃燒綜合考慮摻混，直徑及流量等59丙烷/空氣燃燒Φ=1.6Φ=1.0Φ=0.8N2dilutedpropane/oxygenpremixedcombustionatβ=0.21(CaseA,3.0m3/h).Steadystationary,uniform,laminarflames!60丙烷富氧燃燒(CO2)β=0.30β=0.40β=0.50β=0.60CO2dilutedpropane/oxygen

combustionatΦ=1.0(CaseA,β=0.30-0.60,QF-total=QO-total=3.0m3/h).

Steadystationaryflames,becomingnon-uniformwithincreasingβ.

Steady,uniformSteady,uniformSteady,uniformSteady,non-uniform61丙烷富氧燃燒相圖(CO2)β=0.60β=0.70β=0.80β=1.0InstantaneousflameimagesofC3H8/O2/CO2mixturesatstoichiometry

(CaseC,Φ=1.0,

β=0.60-1.0,QO-total=4.0m3/h).Steady,non-uniformUnsteady,anchoredflameSteady,non-uniformSteady,non-uniformWF=0.25mmWO=0.5mmR=1/2,βmax=0.7762丙烷富氧燃燒相圖(CO2)不同氧氣濃度下燃燒區(qū)間相圖63丙烷富氧燃燒相圖(CO2)不同氧氣濃度下燃燒區(qū)間相圖64氫氣/空氣火焰結(jié)構(gòu)氫氣/空氣火焰結(jié)構(gòu)圖65氫氣火焰結(jié)構(gòu)-N2稀釋氫氣/氧氣/氮?dú)饣鹧娼Y(jié)構(gòu)圖66氫氣火焰結(jié)構(gòu)-CO2稀釋氫氣/氧氣/二氧化碳火焰結(jié)構(gòu)圖67氫氣燃燒相圖(N2及CO2)68氫氣層流燃燒速度69氫氣富氧燃燒-Da70提綱1.背景介紹技術(shù)優(yōu)點(diǎn)研究進(jìn)展2.實(shí)驗(yàn)研究3.工程應(yīng)用純氧切割技術(shù)傳統(tǒng)切割技術(shù)O2/C3H8預(yù)混合湍流預(yù)熱,缺點(diǎn):預(yù)熱火焰太短，影響切割超音速O2流管狀火焰切割技術(shù)O2/CH4管狀層流預(yù)混合火焰

超音速氧氣流CH4O2預(yù)熱(CH4/O2火焰,Φ=1.0)CH471切割試件課題來(lái)源：小池酸素㈱會(huì)社，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施技術(shù)難點(diǎn)：高溫、穩(wěn)定預(yù)熱火焰并與超音速流耦合。加工試件CH4/O2火焰H2/O2熔化石英玻璃管：無(wú)逆火，節(jié)約40%的H2、O2。純氧燃燒熱處理先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)72

H2/O2火焰熱處理時(shí)間3s課題來(lái)源：ウシオ電機(jī)㈱會(huì)社解決難點(diǎn)：設(shè)計(jì)燃燒器實(shí)現(xiàn)高溫火焰精確控制、保護(hù)燃燒器。73等離子體等離子體分高溫和低溫等離子體。等離子體溫度分別用電子溫度和離子溫度表示，兩者相等稱為高溫等離子體。非平衡等離子體（低溫）：等離子體放電過(guò)程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個(gè)體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，所以稱為低溫等離子體，也叫非平衡態(tài)等離子體。電場(chǎng)強(qiáng)度：放入電場(chǎng)中某點(diǎn)的電荷所受靜電力F跟它的電荷量比值，定義式E=F/q，適用于一切電場(chǎng)；其中F為電場(chǎng)對(duì)試探電荷的作用力，q為試探電荷的電荷量。單位N/C，或V/m。電子能量(reducedelectronenergy)：E/n,其中E為電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m),n為氣體密度(個(gè)/cm3),通常用Td作單位，放電條件下，通常通過(guò)電子能量描述電子激發(fā)的速率。等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。74等離子體輔燃-高速飛行器燃料在燃燒室駐留時(shí)間很短微波放電，產(chǎn)生等離子體75等離子體輔燃技術(shù)等離子體可有效擴(kuò)大可燃范圍(丙烷)OH分布圖等離子體輔燃常規(guī)燃燒Ref

PillaG.etal.,IEEETransactionsonPlasmaScience2006,34(6):2471-7.等離子體76等離子體輔燃低氮燃燒Ref.Karpenkoetal.,Proc.Combust.Inst.31(2007)3353–3360.200MWatGusinoozersk（古西諾澤爾斯克）UlanBator（烏蘭巴托）77等離子體輔燃低氮燃燒Ref.Karpenkoetal.,Proc.Combust.Inst.31(2007)3353–3360.降氮原因：二段燃燒，第一段等離子體輔燃，煤粉中氮元素形成了氮分子（缺少空氣），第二段中引入二次空氣溫度有所降低，熱力型NOx量減少。等離子輔燃使NOx量降低一半未燃碳量大大減少，因等離子體促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)線-筒式脈沖電暈反應(yīng)器，NOx脫除率可達(dá)95%，但能耗較大78等離子體輔燃低氮燃燒燃煤鍋爐煙氣NOx污染等離子體治理技術(shù)電子束法降低煙氣NOx，利用效率低，設(shè)備龐大，維護(hù)費(fèi)用高介質(zhì)阻擋放電，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能表面放電Ref.

魏恩宗等,環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備.Vol.4,No.1,(2003)58–62.79等離子體輔燃低氮燃燒Ref.林赫等,熱力發(fā)電

2002(4)24–28.高壓電源熱電偶放電電極反應(yīng)器NOx分析儀NaOH溶液吸收瓶13、14干燥氧氣12.氧氣增濕裝置9.干空氣10.N2+NO氣體單位能量NOx脫除量47g/(kW.h),煙氣總NOx脫除率可達(dá)90%。直流電暈法，等離子體過(guò)程誘導(dǎo)H2O-O2自由基簇射技術(shù)，結(jié)合化學(xué)吸收脫除煙氣中的NOx及SOx。煤燃燒模擬煙氣等離子體輔燃詳細(xì)機(jī)理未知！80等離子體輔燃(CH4-Air)Ref.Kimetal.,Proc.Combust.Inst.31(2007)3319–3326激發(fā)態(tài)的N2：熱力型NO

NNH形成NOOH自由基：電子碰撞：結(jié)論：等離子體產(chǎn)生大量NO(尤其是OH自由基),燃燒

區(qū)域火焰消耗了部分NO，使NO總量較低。81等離子體發(fā)生裝置電弧放電：高溫等離子體；熔化、熔接微波放電：部分高溫等離子體輝光放電：E/n接近于臨界值流光放電：200%超電壓表面介質(zhì)阻擋放電：10倍超電壓納秒級(jí)脈沖放電：10倍超電壓，輔燃足夠短的時(shí)間確保無(wú)電子累積和離子的重組！82分子能量分子能量=平均動(dòng)能+轉(zhuǎn)動(dòng)能量+振動(dòng)能量+電子能量原子能級(jí)分布：受激發(fā)的氧分子->分子氧(singletoxygen),如O2(a1Δg),O2(b1Σg+)受激發(fā)的氮分子->如,~0.03eV

0.2~2eV

3~10eV氣體離子化基態(tài)激發(fā)態(tài)能量8