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高浓度CO_2气氛下NO释放及火焰特性的动力学研究

作　者: 赵然
导　师: 邱建荣；刘豪
学　校: 华中科技大学
专　业: 热能工程
关键词: 氧燃烧二氧化碳氮氧化物火焰特性化学反应动力学
分类号: TK16
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,温室气体CO2排放所造成的全球性气候变化已经成为国际社会关注的热点之一。作为实现CO2控制的三大技术方向之一,氧基燃烧方式在本世纪得到了迅速的发展,显示出了良好的应用前景。氧燃烧方式下的物理化学过程都有着完全不同于常规燃烧方式的现象和机理,蕴含着极其丰富的基础研究内容,许多相关基础科学问题有待解决。O2/CO2循环燃烧方式与传统的空气燃烧方式最根本的不同点在于燃烧气氛发生了显著变化,在此燃烧方式下,原本来自空气中的N2被CO2取代,因此炉膛中富含高浓度的CO2和CO气体。由于CO2辐射性能和热容量等物理化学特性都与N2不同,CO更是直接能够参与到影响反应进程的某些重要反应过程中去,这种气氛的不同使得燃料的燃烧特性以及污染物生成机理都发生了很大变化。氧燃料新型燃烧技术下低NOx排放其内在机理,以及该燃烧技术下火焰特性的改变规律需要系统而深入的研究。本文首先对高浓度CO2气氛下甲烷燃烧均相反应体系中NO还原及转化行为进行模拟计算,探讨了温度、压力、过氧系数、CO2浓度、O2浓度、初始含N污染物组分等因素对NO形成及其还原的影响规律,采用生成率分析和敏感性分析方法考察了重要基元反应在两种气氛下生成率区别以及高浓度CO2气氛对主要基元反应的影响,并得到了不同气氛下NO的反应历程。计算结果表明：与空气气氛相比,富燃条件下O2/CO2气氛不利于NO的还原,而贫燃条件下O2/CO2气氛有利于NO还原。生成率分析表明高浓度CO2气氛能够促进NO还原并对NO的生成具有一定的抑制作用。进一步的,本文研究了高浓度CO2气氛下甲烷火焰NO前驱物的转化机理,探讨了多种影响因素对NO前驱物转化过程的影响规律,不仅给出了不同气氛下燃烧系统中重要的中间产物,重要的基元反应,而且得到了不同气氛下NO前驱物的转化历程。计算结果表明NO前驱物HCN和NH3在两种气氛下的反应历程是不相同的,O2/CO2气氛富燃条件下NO前驱物的主要转化历程为：HCN→NCO→N2O→N2,NH3→NH2→N2,O2/CO2气氛贫燃条件下NO前驱物的主要反应历程为：HCN→NCO→N2O→N2, NH3→NH2→NNH→N2。与上一部分甲烷火焰NO还原部分的内容结合在一起,这就从微观反应动力学的角度解释了两种气氛下NO生成和转化行为的差异和氧燃烧技术低NO生成特性的内在机理。为了采用详细化学反应动力学方法定量、精确地分析燃煤NO在氧基燃烧技术下的释放规律和内在机理,本文进一步采用了沉降炉实验与模拟相结合的方法研究了氧燃烧方式下煤粉燃烧氮氧化物生成及释放规律,提出了计算流体力学与详细化学反应动力学相结合的煤粉异相燃烧过程“分区”模拟方法。模拟结果与实验数据吻合良好,证明了模拟分析方法的正确性。数值模拟过程再现了炉内煤粉颗粒燃烧过程,不仅验证了O2/CO2气氛下炉内温度偏低且煤粉挥发分析出及燃尽推迟等现象,而且更进一步分析了炉内高浓度CO2气氛对煤粉燃烧氮氧化物生成及排放燃烧化学基元反应的影响过程。采用详细机理分析方法,本文给出了高浓度CO2气氛下起主要作用的基元反应,并比较研究了两种气氛下不同的NO生成转化反应历程差异：O2/CO2气氛下NO的主要反应历程为NO→N→N2,而对比空气气氛下,NO的主要反应历程为N2→N→NO，本文通过从甲烷到煤粉的一系列NO及其前驱物的生成及转化机理分析,发现高浓度CO2气氛一定程度上改变了氮氧化物生成转化过程的内在反应机理和反应路径,本文研究表明高浓度CO2气氛本身的物理及化学作用对氧燃烧技术低NOx排放做出了不可忽略的重要贡献。O2/CO2气氛下高浓度CO2的存在对碳氢化合物的火焰特性有重要影响。本文从化学动力学角度,对C5～C7三种代表性液态烷烃燃料(正戊烷、正己烷、正庚烷)在O2/CO2、O2/N2、O2/CO2/Ar等不同气氛下的火焰特性(包括着火延迟,火焰传播速度,绝热火焰温度等)进行了模拟计算,探讨了不同气氛、过氧系数、O2浓度、CO2浓度、不同烷烃燃料等对三种火焰特性的影响规律。结果表明,在相同O2浓度下,O2/CO2气氛下着火延迟比O2/N2气氛延长,火焰传播速度要比O2/N2气氛下明显减小,绝热火焰温度比O2/N2气氛降低,表明CO2的存在对火焰传播和火焰稳定性有阻碍作用。着火延迟随过氧系数的增大而减小,火焰传播速度随过氧系数的增大而先增大后减小,绝热火焰温度随过氧系数的增大而增大。在O2/CO2/Ar气氛下,保持O2浓度不变,着火延迟随CO2浓度的增大而增大,火焰传播速度随CO2浓度的增大而减小,绝热火焰温度随CO2浓度的增大而降低。在O2/CO2气氛下,随着O2浓度的提高,着火延迟逐渐降低,火焰传播速度逐渐增大,绝热火焰温度逐渐增加,说明提高O2浓度可改善O2/CO2气氛下烷烃的燃烧特性。通过比较三种不同烷烃燃料不同火焰特性(包括着火延迟、火焰传播速度、绝热火焰温度等)受高浓度CO2气氛的影响因素分析,发现不同烷烃燃料火焰特性变差,不仅与CO2的热物性和低扩散率等物理因素有关,也与高浓度CO2气氛下燃烧系统内CO2的化学反应动力学作用有关。最后,本文系统介绍了详细化学反应动力学机理模型的不确定性分析方法,提出了一种简单的不确定性误差分析与控制方法。这种针对随机误差控制的详细化学反应机理模型精确性评价方法可以用来评价详细化学反应动力学机理模型本身存在的随机误差对模拟预报结果的影响大小。进一步的,本文以实例验证了本文所提出方法的正确性和可行性。本文研究结果表明,该算法相对其他的方法简单有效,且更具有一般性,具有一定的科学价值和实际意义。本文研究成果为新型燃烧方式和近代动力学方法在我国的应用以及CO2的减排和再利用技术提供了科学依据。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-28
  1.1 温室效应与环境保护  11-17
  1.2 新型低碳燃烧技术  17-19
  1.3 氧燃烧方式下氮氧化物与火焰特性的研究进展  19-25
  1.4 本文的主要工作  25-28
2 计算分析方法和模型构建  28-46
  2.1 引言  28
  2.2 近代化学反应动力学方法  28-35
  2.3 基于量子化学方法的模型构建  35-39
  2.4 动力学反应器模型及求解器算法  39-45
  2.5 本章小结  45-46
3 高浓度CO_2气氛下NO的生成和转化机理  46-89
  3.1 引言  46-47
  3.2 高浓度CO_2气氛下甲烷火焰中NO生成机理  47-59
  3.3 高浓度CO_2气氛下甲烷火焰中NO前驱物的转化机理  59-71
  3.4 高浓度CO_2气氛下煤粉火焰中NO生成机理  71-86
  3.5 本章小结  86-89
4 高浓度CO_2气氛下的火焰特性  89-115
  4.1 引言  89-92
  4.2 高浓度CO_2气氛下液态烷烃燃料的着火延迟特性  92-100
  4.3 高浓度CO_2气氛下液态烷烃燃料的火焰传播速度特性  100-107
  4.4 高浓度CO_2气氛下液态烷烃燃料的绝热火焰温度特性  107-113
  4.5 本章小结  113-115
5 详细化学反应动力学机理模型的精确性评价  115-129
  5.1 引言  115-116
  5.2 不确定性分析方法  116-118
  5.3 详细化学反应动力学机理模型的精确性  118-119
  5.4 精确性评价算法的实例验证  119-127
  5.5 本章小结  127-129
6 全文总结和展望  129-135
致谢  135-137
参考文献  137-151
附录1 攻读博士学位期间发表的论文  151-153
附录2 攻读博士学位期间的发明专利  153-154
附录3 攻读博士学位期间参与的项目  154

高浓度CO_2气氛下NO释放及火焰特性的动力学研究

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