O2/H2O条件下合成气同轴射流扩散火焰稳定性研究

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随着环境问题和全球变暖的加剧，各国将关注的焦点放在发展先进发电技术和CO2捕捉与封存技术（CCS）。本课题组基于CES零排放发电技术，提出煤基-氧-水蒸气燃烧的近零排放发电系统（Oxy-Coal Combustion Steam System of Near-Zero Emissions，OCCSS），具有高发电效率的同时实现CO2捕捉封存，驱油回收。OCCSS系统采用甲烷或者合成气作为燃料，以氧气和水蒸气混气作为氧化剂，系统中燃烧环境具有高温、高压、高氧、高水蒸气浓度的特点，基于OCCSS系统的极端燃烧条件，本文实验研究了合成气同轴射流扩散火焰在O2/H2O气氛下燃烧的稳定特性。
　　已有的同轴射流扩散火焰稳定性研究都采用空气作为氧化剂，而本文研究中将水蒸气和氧气混合作为氧化剂气氛。设计了同轴射流火焰燃烧器，同时验证了试验台的可靠性与准确性。该燃烧器能够为合成气火焰的稳定性研究提供充足均匀的O2/H2O氧化剂气氛。在此基础上，研究了合成气成分、水蒸气浓度、预热温度以及稀释剂对于火焰稳定性的影响规律。
　　实验结果表明，纯CO火焰在空气中燃烧时，火焰根部存在淬熄距离，并且无法成为稳定的悬空火焰，而是直接从喷嘴处吹熄。在实验研究的所有工况下，CO/H2火焰在O2/H2O气氛中均无法实现稳定抬升。氢气浓度越大，合成气火焰的吹熄速度增长越迅速，火焰长度减小，燃烧速率加快，这是由于H2良好的反应性、快的火焰传播速度、高的扩散系数共同决定的。火焰吹熄极限随水蒸气浓度（50％-90%）的增大而减小，并且在水蒸气浓度大于70%之后，火焰吹熄极限的下降极为迅速。高浓度水蒸气吸收了反应区大量的热量、改变了物质的输运特性、参与到化学反应中，同时具有较高的辐射特性，这是由于水蒸气的化学效应和热力学效应共同作用的结果。预热温度的升高改变了燃气的反应性和热物性参数，为燃烧创造了有利的环境，极大的促进了火焰稳定。
　　分别用CO2和N2稀释燃料，与N2相比，CO2作为稀释剂使得火焰吹熄极限下降更为明显。这是由于CO2和N2热力学参数、输运特性不同，同时CO2参加反应，抑制了正向反应CO+OH→CO2+H的进行。实验中对比分析了CO/H2混气在O2/H2O、O2/N2、O2/CO2条件下的稳定特性，研究表明在不同CO/H2比例下，火焰稳定特性具有较大差异。在高CO浓度（大于90%）时，CO/H2混气在O2/H2O条件下吹熄极限最高；当CO浓度低于85%时，合成气在O2/N2气氛下的稳定性最好，O2/CO2气氛下次之，O2/H2O气氛下最差，这可以归结于H2O对于高浓度CO燃烧的促进作用。
　　临近吹熄极限时，火焰根部的脉动改变了火焰根部的流场、组分浓度场分布、释热率、拉伸率等，造成火焰局部淬熄，加剧了不稳定扰动。火焰过渡到湍流时，火焰结构、燃烧强度、传播速度等有较大变化，高强度湍流容易引起局部火焰熄灭，造成火焰不稳定。

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作者
薛彧;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科动力工程
授予学位硕士
导师姓名赵义军;
年度 2016
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类人造燃料、合成燃料;
关键词
合成气; 同轴射流; 扩散燃烧; 氧气; 水蒸气; 火焰稳定性;

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