甲烷—空气燃烧中NOx排放量的数值模拟

本文在Ｐｅｔｅｒｓ等人提出的简化甲烷氧化反应机理的基础上，用准稳态近似法对甲烷－空气燃烧中ＮＯｘ的生成机理进行了简化，并用简化后的机理对良性搅拌反应器进行了计算，得到了与实验数据及用详细化学反应机理的计算值较为符合的结果，证明了对甲烷－空气燃烧中ＮＯｘ生成进行数值模拟时采用简化反应机理是可行的。同时，对生成ＮＯ的三种反应机理的相对重要性进行了分析比较。     

CH4/空气含氮燃烧的14步简化机理

从含氮的详细机理GRI2-11出发，通过分析确定了主要物质后，利用敏感性分析和自动简化机理的计算程序，构造出一套含氮反应的CH4/空气燃烧14步总包简化机理，该简化机理包括18种组分和14个总包反应，其中，总包反应速率通过准稳态假设由准稳态物质的关系式来确定。利用良搅拌反应器和层流预混火焰的燃烧问题对其进行了检验。通过与详细机理的计算结果比较表明，该简化机理能在大范围热力学参数变化范围内很好地预测燃烧现象以及NO的生成量。     

正十二烷高温燃烧详细化学动力学机理的系统简化

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法, 以典型航空燃料的替代组分正十二烷为研究对象, 开展了正十二烷高温燃烧化学动力学机理的系统简化. 首先采用多步直接关系图法(DRG)和基于计算奇异值摄动法(CSP)重要性指标的反应移除方法对由1279个组分, 5056个基元反应组成的正十二烷燃烧详细机理进行框架简化, 得到了包含59 个组分, 222 个基元反应的框架机理; 进一步采用CSP对框架机理进行时间尺度分析, 选出了10个准稳态物种, 采用准稳态近似方法(QSSA)构建了包含49个组分的全局简化机理. 计算结果表明, 在较宽的参数范围内, 框架机理和全局简化机理均能够重现正十二烷详细机理在高温燃烧的点火延迟时间、熄火以及物种浓度分布等方面的模拟结果.     

空气污染各组分对甲烷超声速燃烧性能的影响

在与甲烷详细化学反应机理对比验证基础上,采用18组分24步简化反应机理模拟甲烷超声速燃烧过程,从化学动力学和热力学角度用数值方法研究了乙醇燃烧加热空气中的七种主要污染组分(H2O,CO2,O,OH,CO,H,H2)对甲烷超声速燃烧性能的影响.分析结果表明:在一定条件下,进口空气中污染组分H2O的增加造成平均比热容增加,总温降低,并作为第三体抑制甲烷的燃烧过程,使超燃室的性能下降;CO2因大分子量特性使燃气平均分子量增大,降低超燃室做功能力,H2O和CO2两组分对甲烷超燃性能都起消极作用;污染组分自由基H、O、OH和燃烧中间产物CO、H2使燃烧室燃烧效率上升,对甲烷超燃性能起积极作用.     

庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理的系统简化和分析

采用详细化学反应动力学机理的系统简化方法, 对庚酸甲酯高温燃烧化学动力学机理进行了系统简化. 首先采用两步直接关系图法(Directed relation graph method, DRG)和主成分分析(Principle component analysis, PCA)方法对由1087个物种、4592步可逆反应组成的庚酸甲酯燃烧的详细机理进行框架简化, 得到了包含108个物种, 547步基元反应的框架机理. 在此框架机理基础上, 进一步采用计算奇异值摄动法(Computational singular perturbation, CSP)对框架机理进行时间尺度分析, 再选取30个准稳态物种, 采用准稳态近似(Quasi steady state approximation, QSSA)方法构建了包含78个物种、74步总包反应的全局简化机理. 模拟结果表明, 在较宽的参数范围内, 框架机理和全局简化机理均能重现庚酸甲酯高温燃烧时的点火延迟、物种浓度分布和熄火等燃烧特性. 此外, 基于框架机理阐明了庚酸甲酯高温燃烧的反应路径和对点火有重要影响的基元反应. 与详细机理相比, 框架机理保留了良好的精确性和全局性, 可以很好地反映庚酸甲酯的燃烧特性, 有助于对生物柴油的燃烧过程的理解.     

甲烷—空气燃烧中NOx生成的简化模型研究

用特征值－特征向量法对甲烷－空气燃烧时ＮＯＸ生成的化学反应机理进行了简化，得到了仅由１５个基元以应组成的简化反应模型。对比计算结果表明，该模型能在较宽燃空比内与全面模型很好吻合，因而可望用于燃烧过程数值模拟时对ＮＯＸ生成的预测     

基于特征值分析的正癸烷骨架和总包简化机理

使用基于特征值分析的骨架简化方法对由118个组分和527个反应构成的正癸烷详细机理进行了简化,获得了一个由70个组分、327个基元反应组成的骨架机理;采用基于特征值分析的计算奇异摄动(CSP)简化方法对骨架机理进行进一步简化,得到一个38组分、34步的总包简化机理.通过对简化机理、骨架机理和详细机理的对比发现,简化机理和骨架机理能够很好地再现详细机理的特性,并能够描述正癸烷的主要燃烧特性,为进一步实现耦合化学反应动力学与流体力学的工程计算,提高计算效率提供了可用的燃烧模型.     

基于特征值分析的正癸烷骨架和总包简化机理

使用基于特征值分析的骨架简化方法对由118 个组分和527 个反应构成的正癸烷详细机理进行了简化,获得了一个由70 个组分、327 个基元反应组成的骨架机理; 采用基于特征值分析的计算奇异摄动(CSP)简化方法对骨架机理进行进一步简化,得到一个38 组分、34 步的总包简化机理. 通过对简化机理、骨架机理和详细机理的对比发现,简化机理和骨架机理能够很好地再现详细机理的特性,并能够描述正癸烷的主要燃烧特性,为进一步实现耦合化学反应动力学与流体力学的工程计算,提高计算效率提供了可用的燃烧模型.     

Pt／SBA-15、Pt／SBA-16催化剂的合成、表征及甲烷催化燃烧性能

以Na2SiO3.9H2O为硅源,H2PtCl6为铂源,水热法一步合成了Pt质量分数约1%的Pt/SBA-15和Pt/SBA-16催化剂.采用XRF、XRD、HRTEM等方法对样品进行了表征.在微型固定床反应器中考察了催化剂的甲烷催化燃烧性能.结果表明:合成的Pt/SBA-15和Pt/SBA-16样品分别具有SBA-15和SBA-16的高度有序的介孔结构;通过这种简便、低成本的方法可将Pt颗粒高分散地引入到样品的孔道内;催化剂表现出了较好的甲烷催化燃烧性能,在常压、原料气为含3.5%CH4的空气和GHSV=6000mL/(gcat.h)的反应条件下,在大约580℃下甲烷即可完全转化.     

甲烷在O_2/CO_2气氛下的框架和总包简化机理

构建了适用于甲烷在O_2/CO_2气氛下燃烧的框架机理和总包简化机理.首先使用直接关系图法将甲烷详细氧化机理GRI Mech 3.0初步简化成了包含24组分和126步反应的框架机理;然后,在框架机理的基础上使用准稳态假设法得到了17组分14步反应的总包机理.最后,对框架机理和总包机理在不同火焰类型中的计算结果进行验证.结果表明,发展的框架机理和总包机理适用于多种反应器,与详细机理的计算结果基本相同.     

基于特征值分析的骨架机理获取方法

基于特征值分析法,建立了一套复杂化学反应动力学模型简化方法,并采用该方法对甲烷空气燃烧的详细化学反应动力学模型进行了简化.从GRI1.2得到了21个组分,83个反应的骨架机理.该机理与详细的GRI1.2机理和DRM19机理在不同化学计量比和不同压力下对比了点火延迟时间,结果表明简化机理能有效地再现详细反应动力学模型的反应机理,并具有更高的计算精度.从GRI3.0简化得到两种骨架机理分别为26个组分、120个反应和30个组分、140个反应.这两个机理都能很好地对火焰传播速度以及主要组分和NO浓度分布进行反应动力学模拟.     

高性能甲烷催化燃烧催化剂的制备及其在天然气催化燃烧热水器上的应用

 以镧改性的Ce-Zr-O固溶体储氧材料和钇、锆改性的氧化铝(YSZ-Al2O3)的混合物为载体,浸渍活性组分Co3O4+Fe2O3+MnO2,以蜂窝状堇青石陶瓷材料为基体,制备了甲烷催化燃烧催化剂,考察了该催化剂老化前后的活性,并将其用于强鼓式家用天然气催化燃烧热水器. 结果表明,该催化剂具有很高的活性和稳定性. 使用此催化剂的天然气催化燃烧热水器的热效率达到101.1%, 同时烟气中CO和NOx污染物的排放浓度分别为0.014%和0.003%, 该热水器具有高效节能和环境友好双重优点.     

低温燃料化学特性对湍流预混火焰传播的影响

大分子碳氢燃料的低温化学反应及两阶段点火特性会显著影响火焰的分区及燃烧情况。本文采用数值模拟的方法探究了正庚烷/空气预混混合气在RATS燃具上的湍流火焰传播,与试验结果具有一致性。模拟使用的是44种物质,112步的正庚烷简化动力学机理。使用Open FOAM的reacting Foam求解器建立了简化模拟流道及出口的三维模型,模拟了在大气环境下,初始反应温度450–700 K、入口速度6 m·s~(-1)与10 m·s~(-1)、焰前流动滞留时间100 ms及60 ms、当量比φ=0.6的正庚烷/空气混合气湍流火焰燃烧情况。结果发现,标准化湍流燃烧速度与混合气初始温度以及流动滞留时间有关。在低温点火阶段,正庚烷氧化程度受到初始温度与速度的影响,燃料分解并在预热区中产生大量中间物质如CH_2O,继而会影响湍流火焰燃烧速度。随着初始反应温度的升高,湍流燃烧火焰逐渐由化学反应冻结区过渡到低温点火区;温度超过一定数值后,燃料不再发生低温反应,此时燃烧位于高温点火区域。     

煤系高岭岩中固定碳燃烧动力学特性

煤系高岭岩中可燃矿物与不可燃矿物的共生组合增加了可燃矿物燃烧的复杂性,研究这类"燃料"的燃烧特性对充分利用煤矸石资源有积极的意义。参照FCC催化剂结焦燃烧机理,基于一系列假设,建立了煤系高岭岩中固定碳燃烧反应模型—未反应收缩核模型。采用空气气氛下等温热重法研究了煤系高岭土中固定碳的燃烧反应。研究表明,低于700℃,反应的控制步骤是煤系高岭岩中固定碳燃烧界面化学反应。通过对非均一颗粒体系的未反应核收缩模型计算分析,获得煤系高岭岩中固定碳燃烧反应动力学参数,活化能(E)为100.12kJ/mol,频率因子(A)为2.27×106s-1。     

解耦法:一个构建简化或骨架机理的有效方法

高保真的简化或骨架反应机理对多维计算流体力学（CFD）燃烧模拟极其重要。首先,针对不同简化目标,使用包含误差传播和敏感性分析的直接关系图方法（DRGEPSA）通过简化主要参比燃料（PRF）详细机理,获得了一系列简化机理,发现简化机理的结构随简化目标的改变而显著不同;其次,基于不确定性定量化方法评估简化机理的性能,结果表明为避免简化机理的预测结果失真,需要在简化方法中使用较小的相对误差;最后,提出了解耦法的理论依据,并使用该方法构建PRF燃料的骨架机理。结果发现通过耦合详细H₂/CO/C₁子机理和骨架C₄-C_n子机理,最终的骨架机理能够满意地预测滞燃期和火焰传播速度。     

La_2NiBO_6催化剂的制备及其对甲烷燃烧反应的催化性能

以柠檬酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法制备了一系列双钙钛矿型催化剂La_2NiBO_6(B=Mn,Fe,Co,Cu,Ce),其结构经SEM,XRD,N2-BET和H2-TPR表征。以甲烷燃烧反应为模板反应,研究了La_2NiBO_6的催化性能。结果表明:La_2NiCeO_6催化性能最好,起燃温度T_(10%)为461℃,最终转化温度T_(90%)为565℃。