移动火焰锋面(MFF)模型的理论对比与实验验证

本文根据碳粒非均相着火,有无颗粒温度跃变现象,来判断CO的均相着火,阐述了MFF模型中颗粒边界层CO着火燃烧假设的理论意义。通过实验与理论对比,证明了小于100μm的碳粒有可能发生CO着火。MFF模型预报与连续膜模型,以及实验点都有好的符合。利用MFF模型推导出三种极限情况的燃烧模式,揭示了MFF模型与连续膜模型的理论关联。从理论与实验对比中,进一步地验证了MFF模型。     

考虑碳粒表面还原反应的移动火焰锋面(MFF)模型

在原始移动火焰锋面(MFF)模型的基础上,提出一种考虑碳粒表面还原反应的改进MFF模型。该模型给出了包括表面还原反应和 CO容积反应在内的碳粒燃烧反应速率的显式表达式,便于分析和讨论各种工况下碳粒的燃烧状态和影响因素。与原始的 MFF模型和单膜模型相比,所计算的颗粒温度和燃烧速率更符合严格的连续膜模型的预报结果,而计算时间只为连续膜模型的数十万分之一。研究结果表明,改进的 MFF模型是一种简单可行、适于工程应用的碳粒燃烧理论模型。     

孤立碳颗粒聚团燃烧过程的研究

数值模拟气体流过孤立碳颗粒聚团的燃烧反应过程。计算表明穿过颗粒聚团的气体流量主要与颗粒聚团空隙率有关。当颗粒聚团空隙率小于0．8时,穿过颗粒聚团的气体流量可忽略不计。碳颗粒聚团内温度呈现迎来流面低、背流面高,两侧低中间高; CO和CO2含量呈现迎来流面低、背流面高,两侧低中间高的变化趋势;而O2含量迎来流面高、背流面低,两侧高中间低。颗粒聚团内不同位置的颗粒消耗的碳量不同。颗粒的相互团聚将降低碳的消耗量,同时也抑制碳颗粒燃烧过程NO和N2O的生成。     

灰对煤焦燃烧的动力学研究

基于表观动力学灰膜缩核模型,本文发展并利用耦合的灰膜与灰渗透本征动力学模型,详细研究焦炭颗粒燃烧特性。氧化反应与气化反应耦合能够高精度预测煤焦颗粒燃烧特性。随灰膜形成比例下降,焦炭颗粒燃烧温度升高,碳燃尽时间缩短;当碳转化率低于80%时,碳转化率主要受灰膜影响,灰渗透影响甚微;但当碳转化率大于80%时,灰膜与灰渗透同时起作用。     

DMM及纳米颗粒添加剂对农用柴油机燃烧与排放性能的影响

本文通过在柴油中添加小比例二甲氧基甲烷(DMM)以及纳米氧化铝(Al2O3)颗粒研究一台小型农用柴油机的燃烧与排放特性。研究表明,随着柴油中DMM添加比例的增大,发动机燃烧特性参数如缸内压力、燃烧放热率及制动热效率得到明显地提升,着火延迟期以及CA50逐渐减小;排放方面HC和NOx增加,而CO和碳烟得到有效地抑制。燃油中同时添加DMM和纳米Al2O3颗粒后,发动机燃烧及排放方面得到了不同程度地优化。因此,将DMM与纳米颗粒的有机结合可为代用燃料在农用发动机中的推广应用提供新的思路。     

溶有CO2燃油发动机NOx和碳烟排放的数值研究

本文在KIVA程序的基础上,建立了溶有CO2燃油低温着火模型、碳烟模型,修改了油滴的蒸发模型,并根据实测数据对溶有CO2燃油在缸内的喷射、蒸发、燃烧和燃烧排放物的生成过程进行了数值模拟,溶气燃油喷射时CO2析出过程产生的"微爆"作用促进了燃油的雾化,计算表明溶气燃油喷射形成的可燃混合气分布更均匀,从而改善了缸内局部高温和氧浓度分布不均的条件,减少了NOx和炭烟的生成.     

有限气相反应速率条件下MFF模型应用方法的研究

本文使用"CO相对燃烧速率"的概念和通用的"有效影响参数转化方程",将带有气相反应速率无穷快假设的移动火焰锋面(MFF)模型成功地扩展应用到有限气相反应速率条件的计算中。对于多组不同有限气相反应速率、以及不同粒径的碳粒燃烧计算,MFF模型扩展应用的预报结果都与严格连续膜模型符合较好,碳粒着火温度的预报也更为准确。     

煤粉燃烧炉内细颗粒物沿程演化特性模拟

本文针对微米及亚微米细颗粒物在煤粉自维持燃烧高温一维炉中的沿程演化特性进行了定量模拟。从高温火焰区到焦炭燃烧区,利用聚并机理和碳烟氧化模型计算了细颗粒物浓度的粒径分布(PSD)变化,表明碳烟氧化是焦炭燃烧区颗粒浓度分布变化的主要因素,仅聚并作用无法生成PM_(0.1)以上颗粒。并通过预设碳烟份额得到与实验值吻合较好的焦炭燃烧区出口颗粒浓度分布曲线。     

褐煤O2/CO2燃烧时可吸入颗粒物中碱性金属分布特性

通过沉降炉燃烧实验,研究了褐煤O2/CO2燃烧时可吸入颗粒物的生成和碱性金属元素在颗粒物中的分布特性.结果表明,燃烧气氛由O2/N2燃烧转变为O2/CO2燃烧时,亚微米颗粒物的生成量减少,但超细颗粒量增加.气氛对碱性金属元素分布的影响主要体现在亚微米颗粒范围内.与O2/N2燃烧相比,相同氧浓度下O2/CO2燃烧时所生成亚微米颗粒物中碱性金属向小粒径颗粒中富集.O2/CO2气氛下,低氧浓度燃烧时碱性金属元素对亚微米颗粒物的生成贡献大,而增加氧浓度其在亚微米颗粒物中质量份额则减小.     

O2/CO2煤粉燃烧时细灰颗粒中痕量元素分布特性的实验研究

通过三个煤种在沉降炉中的燃烧实验,采用X-射线荧光光谱仪对实验收集的细灰颗粒物的元素组成进行定量测定,研究了O2/CO2煤粉燃烧对痕量元素行为的影响.结果表明,与O2/N2燃烧相比,O2/CO2燃烧对LPI颗粒物中Cu、Zn和Mn元素的分布形式没有影响,但显著增加了Cu、Zn元素在亚微米颗粒中的富集程度, Mn元素住细灰颗粒上没有出现富集,但O2/CO2燃烧时Mn在亚微米和超微米颗粒中的含量均显著减少.     

V型热解火焰合成碳纳米管的催化剂选择与分析

碳纳米管是一种新型碳材料.催化剂是碳纳米管制备中的重要影响因素,而燃烧法合成碳纳米管必须使用催化剂.本文利用V型热解火焰来研究碳纳米管的合成条件,主要在理论和实验两个方面分析研究了催化剂的作用、种类、颗粒大小、失活等方面对碳纳米管生长的影响,从而为V型热解火焰法合成碳纳米管时催化剂的选取提供依据.理论分析和实验结果表明: Fe(CO)5作为一种铁剂催化剂非常适合催化CO合成碳纳米管.利用碳的"溶解-扩散-析出"机理可以用来解释Fe(CO)5催化CO合成碳纳米管的过程.     

煤粉挥发分火焰行为的理论分析与简化模拟方法

考虑热解的扩展连续膜模型,可以详细预报煤粉挥发分析出、焦碳燃烧的全过程.模型以CH4燃烧的反应动力学特性,近似地描述了挥发分火焰.提出新的简化模拟方法均相着火后挥发分燃烧的移动火焰锋面(MFFVC)模型,弥补了挥发分现有计算方法中未考虑颗粒边界层内挥发分均相着火及燃烧的不足.与挥发分现有计算方法、扩散控制的挥发分燃烧(DLVC)模型相比, MFFVC模型预报与考虑热解的扩展连续膜模型符合较好.     

燃煤循环流化床燃烧的综合数学模型

本文主要介绍了燃煤循环流化床燃烧的数学模型.采用本模型可以算出固体颗粒运动轨迹、固体颗粒浓度分布、气体成份分布、燃烧效率、碳浓度分布、温度分布、传热系数和释热率分布等,以及这些参数随运行工况的变化规律.计算结果与实验结果的对比表明本模型可以合理地估计各种不同运行参数对与上述各过程的影响,当然某些参数在定量计算上的准确性尚有待进一步的发展.     

基于图像处理的生物质颗粒燃烧特性研究

本文通过搭建McKenna型燃烧系统研究生物质颗粒的燃烧特性。基于数字图像处理技术分别研究氧浓度、流量和颗粒尺寸对生物质颗粒燃烧特征和挥发分火焰特征的影响。研究表明,随着氧浓度的增加,生物质颗粒的着火延迟时间、挥发分燃烧时间和碳燃烧时间均呈现下降趋势。挥发分火焰时均面积随着氧浓度的增加而减小,挥发分火焰时均平均亮度随着氧浓度的增加而增加。流量对生物质颗粒燃烧特性的影响与氧浓度的影响相似,而颗粒长度对生物质颗粒燃烧特性的影响与氧浓度和流量的影响相反。     

氧燃烧方式下痕量元素形态转化的试验和模拟研究

结合热重试验及XRF测量,采用化学热平衡分析方法对煤中易挥发的有毒痕量元素砷、铬、锑和汞在不同燃烧方式下的化学形态及分布进行了研究。计算表明,在常规燃烧方式下,痕量元素在400-1800 K的温度范围内容易蒸发,生成气相单质或氧化物。富氧燃烧条件下,高浓度的CO2(g)以及碳颗粒温度的降低在一定程度上会抑制痕量元素的蒸发,同时CO2(g)也会抑制痕量元素向气相次氧化物及单质的转化。     

煤粉燃烧过程碳烟生成的激光测量研究

燃煤锅炉生成的碳烟不仅会增强火焰辐射、影响燃烧外,还排放到大气环境中带来严重危害。为了进一步了解其生成机理从而更好地对其生成量及特性进行控制,对煤粉燃烧过程中颗粒周围碳烟的分布规律进行定量的研究十分必要。本文自行设计了注射式微量给粉装置,成功实现了0.1 g/h量级给粉率下的连续给粉,并通过改进多元扩散燃烧器和以及结合激光诱导白炽光(Laser Induced Incandescence)技术,首次实现了对单颗粒煤粉燃烧过程中碳烟分布的定量测量,发现对于70μm左右的煤粉颗粒,碳烟分布直径约为1 mm。此外还通过控制气氛,研究了含氧量对碳烟生成的影响,发现随着氧含量的上升,碳烟总浓度下降并且峰值出现更早的规律。     

强旋流燃烧中固体燃料沉积特性的模型化

在强旋流燃烧中,固体颗粒向壁面的沉积趋势急剧增强,高温下甚至发生附壁燃烧和熔渣流动等复杂现象。考虑到现有理论模型的缺陷,本文首先构建了相关的颗粒沉积、附壁燃烧和熔渣流动的子模型,并考察了在煤和木粉不同掺混比下,固体颗粒的沉积特性以及渣层的熔融特性。研究结果表明,在同样粒径时,木粉的沉积能力比煤粉弱很多,形成飞灰排放的趋势更加明显;与纯煤工况相比,适量木粉的添加,不但可以提高燃烧性能,同时也可以促使颗粒和沉积表面的快速熔化,有利于形成连续稳定的液渣层。本文的模型和数值模拟研究能够定量地反映出强旋流燃烧时的颗粒沉积规律,对于燃烧工程设计有一定的参考价值。     

进气中CO2浓度对预混合燃烧和排放影响的试验和模拟研究

本文研究了进气中CO2浓度对燃烧和排放特性的影响.研究表明在所有的预混合燃料比下,当CO2浓度增加时,NOx排放随之大幅减少,烟度排放有小的变化。利用KIVA3V和湍流与化学反应交互的燃烧模型对柴油机预混合燃烧进行了模拟研究,对缸内OH浓度的模拟计算表明,随着CO2浓度的增加,着火前期OH生成浓度明显向后推移,这表明燃料的氧化速率随CO2浓度的增加变慢,从而延长了着火滞燃期。进气中CO2浓度变大时,燃烧温度降低,有利于降低NOx的排放。     

不同前驱体模型对航空煤油扩散火焰碳烟颗粒生成的影响研究

采用不同的航空煤油化学反应机理和碳烟成核模型对气态航空煤油扩散火焰中碳烟颗粒的质量浓度和数量浓度进行预测.分别采用航空煤油详细化学反应机理和简化化学反应机理,结合非预混稳态扩散火焰面模型模拟燃烧反应.分别采用C2H2成核模型(基于乙炔浓度)和PAH成核模型(基于多环芳香烃浓度)预测碳烟颗粒浓度分布.研究结果表明,采用详细化学反应机理和PAH成核模型对碳烟体积分数的预测值与试验值吻合很好.相比于C2H2成核模型,采用PAH成核模型对碳烟体积分数的预测精度显著提升.     

单烃基苯/正庚烷模型柴油的实验研究

通过发动机台架试验,研究EGR工况下单烃基苯/正庚烷模型柴油的燃烧与排放特性,并与实际柴油对比。结果发现：与实际柴油相比,模型柴油滞燃期较长,其放热率峰值、缸内压力峰值、CO、THC和NO_x排放均高于实际柴油,Soot和颗粒排放低于实际柴油。在所有模型柴油中,正丁基苯/正庚烷模型柴油的燃烧性能和颗粒排放与实际柴油最接近,说明具有长支链的芳烃对颗粒影响较大。因此,在构建模型柴油过程中,需要考虑加入具有长支链的芳烃。