基于基元反应动力学观点的CO／H2／N2燃气高温低氧燃烧的数值模拟
氢燃料燃烧性能数值模拟分析
氢燃料燃烧性能数值模拟分析作者：阿俊利郭朋彦张瑞珠陈磊李志远来源：《河南科技》2017年第23期摘要：本文将氢燃烧的化学反应机理与Chemkin多区火花点火燃烧模型耦合，分析压缩比、点火提前角等因素对氢燃料燃烧性能的影响，结果表明：当压缩比不同时，缸内温度随着压缩比的增大而略微下降，缸内压力随着压缩比的增大而增大；当点火提前角不同时，缸内温度变化不大，缸内压力随点火提前角的增大而增大。
关键词：氢燃料；化学反应机理；燃烧性能中图分类号：TK46 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）12-0110-02Numerical Simulation Analysis of Combustion Performance of Hydrogen FuelA Junli Guo Pengyan Zhang Ruizhu Chen Lei Li Zhiyuan（College of Mechanical， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）Abstract： In this paper， the chemical reaction mechanism of hydrogen combustion is coupled with the Chemkinmulti-zone spark ignition model to analyze the influence of compression ratio and ignition advance angle on the combustion performance of hydrogen fuel. The results showed that when the compression ratio is not at the same time， the temperature of the cylinder with the increase of the compression ratio and decreases slightly， the cylinder pressure increases with the increase of the compression ratio； when the ignition advance angle is not at the same time， little change of temperature in the cylinder， the cylinder pressure increases with the increase of the ignition advance angle.Keywords： hydrogen fuel；chemical reaction mechanism；combustion performance近年来，清洁燃料的研究已经随着化石燃料的枯竭和污染排放法规的加强而引起越来越多的关注。
211064127_逆水煤气变换反应研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期逆水煤气变换反应研究进展王晓月，张伟敏，姚正阳，郭晓宏，李聪明（太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室，山西 太原 030024）摘要：逆水煤气变换（RWGS ）反应是将二氧化碳（CO 2）加氢转化为甲醇、低碳烯烃、芳烃以及汽油等高附加值化学品和燃料的关键步骤，对于实现CO 2资源化利用具有重要意义。
本文综述了近年来RWGS 反应的研究进展，包括RWGS 反应热力学分析、催化机理、可选择的催化剂种类以及提升催化剂性能策略等方面。
文章从热力学角度分析，RWGS 反应在高温下有利，而低温下存在甲烷化竞争反应。
RWGS 反应机理主要包括氧化还原机理以及缔合机理，其中缔合机理包括甲酸盐路径和羧酸盐路径等。
相比于其他催化体系，负载型金属催化剂展现出较优异的RWGS 反应性能。
另外，通过添加碱金属助剂、形成双金属合金以及选择合适载体和减小金属颗粒尺寸以优化金属-载体相互作用等手段可实现低温高效稳定的RWGS 反应催化剂的设计开发。
关键词：逆水煤气变换反应；二氧化碳；一氧化碳；热力学；催化剂中图分类号：TQ073 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1583-12Research progress of reverse water gas shift reactionWANG Xiaoyue ，ZHANG Weimin ，YAO Zhengyang ，GUO Xiaohong ，LI Congming(State Key Laboratory of Clean and Efficient Coal Utilization, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)Abstract: Reverse water gas conversion (RWGS) reaction is a key step in the catalytic hydrogenation ofcarbon dioxide (CO 2) to high value-added chemicals and fuels such as methanol, light olefins, aromatics and gasoline, which is of great significance for the utilization of CO 2. This review summarizes the research progress of RWGS reaction in recent years, including thermodynamic analysis of RWGS reaction, catalytic mechanisms, selective catalysts and strategies to improve the performance of catalysts. From the perspective of thermodynamics, RWGS reaction is favorable at high temperature, as methanation reaction emerges at low temperature. The mechanisms of RWGS reaction mainly consist of redox mechanism and association mechanism, and the latter further contains a formate route and/or carboxylate route. Compared with other catalyst system, supported metal catalysts commonly exhibit a superior RWGS reaction performance. In addition, the rational design of RWGS reaction catalysts with high reactivity and durability could be realized by adding alkali metal additives, forming bimetallic alloy as well as modulating the metal-support interaction via selecting a good support or reducing the metal particle size.Keywords: reverse water gas shift reaction; carbon dioxide; carbon monoxide; thermodynamics; catalyst综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0816收稿日期：2022-05-05；修改稿日期：2022-07-13。
煤粉高温富氧无油点火的数值模拟
煤粉高温富氧无油点火的数值模拟郑建祥;李时光;朱秀丽【摘要】Simulate the ignition process of oil-free pulverized-coal in high-temperature oxygen-enriched by using Fluent software. Compare the oxygen-enriched condition with air condition in the difference flow rate of high-temperature air,as well as in different flow rate of primary air,and in different temperature of high-tem-perature air when igniting the pulverized coal. The results show that the temperature of oxy-enriched condition is higher than in the condition of air. Carbon monoxide content from burner exit is higher in air condition than in oxygen-enriched condition,and it could be seen that pulverized coal could completely burned in the oxygen-enriched condition. Ignition distance of pulverized coal increase after decrease as the rate of high-temperature is increasing. High temperature of primary air could decrease the ignition distance of pulverized coal.%高温空气无油点火技术对贫油的我国来说是一种较好的弥补，而我国火力发电又以劣质煤为主，导致高温空气点火时会使煤粉着火不稳定。
低热值气体燃料燃烧室数值模拟与试验研究
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ： ｌ ｗ ｃ ｌ ｒ ｉ ｖ ｌ ｅ ｕ ｌ ｃ ｍｂ ｓ ｏ ； ｎ ｍ ｅ ｉａ ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｏ ｉｃ ａ ｕ ｆ ｅ ； ｏ ｆ ｕ ｔｒ ｕ ｒ ｌ ｉ ｌｔ ； ｃ ｏ
ａ ｒ ｅ ｇｎ ； ｘ ｅ ｉ ｎ ｅ ｏ ｎ ｉｅ ｅ ｐ Nhomakorabeaｒ ｍｅ ｔ
数据 比较表 明二者 基本 吻合 ， 这说 明计算方法合理 ， 可用来估算低 热值燃 料燃烧 室的燃
烧性 能。
关 键 词 ： 热 值燃 料 ； 烧 室 ； 值 模 拟 ； 空 发 动 机 ； 验 低 燃 数 航 试
Ｎｕ ｍｅ ｉａ ｍ ｕａ ｉｎ ａ ｄ Ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｎ ｅ ｔ ａ ｉｎ ｏ ｒ ｅ ｇｎ ｒ ｌ ｃ Ｓｉ ｌｔ ｎ ｘ ｅ ｉ ｏ ｍｅ ｔ ｌ ｖ ｓｉ ｔ ｆＡｅ ｏ ｎ ｉｅ Ｉ ｇ ｏ Ｃｏ ｂ ｓｏ ｒ ｉｇ Ｌ ｗ ｌｒ ｉ ｌｅ Ｇａ ｅ ｍ ｕ ｔ ｒＢｕ ｎｎ ｏ Ｃａｏ ｉｃＶａｕ ｓ Ｆｕ Ｉ ｆ
Ａ ｓｒｃ： Ｔ ｅｎｍｅｉ ｌ ｉ ｕａｉ ｎ ｘｅｉ ｅｔｌｎ ｅｔ ａｏ ｅｏｎｉｅ ｂ ｔ ｔ ｈ ｕ ｒ ａ ｍ ｌｔ ｎａｄｅｐ ｒ ｎａ ｉ ｓｉ ｔ ｎｏ ａ ａｒｅｇｎ ａ ｃ ｓ ｏ ｍ ｖ ｇｉ ｆ ｎ
ｃ ｍ ｂ ｓｏｒ ｂ ｎ ｎ ｌｗ ｃ ｌ ｏ ｕ ｔ ｕｒ ｉ ｇ ｏ ａｏｒ ｖ ｌ ｅ ｇａ ａｕ ｓ ｅ ｗｅ ｅ ｃ ｄｕ ｔｄ． Ｔ ｔ ｒ ｌｎｔ ｌ ｒ ｏｎ ｃｅ ｈｅ ｕ ｂｕｅ
气是 黄磷 在 生 产 过程 中排 放 的尾
其余为水蒸气 、 粉尘 、 硫化氢 （ ， Ｈ
Ｓ 、 （ 等 组 分 。在 燃 机 实 际运 ）磷 Ｐ）
行 中 ， 磷尾气经 除尘 、 黄 干燥 、 化 净
液体燃料高温低氧燃烧的数值模拟研究
第9卷第3期2003年6月燃 烧 科 学 与 技 术Journal of Combustion Science and T echnologyV ol.9 N o.3Jun.2003 液体燃料高温低氧燃烧的数值模拟研究Ξ胡升腾,傅维标,钟北京,候凌云(清华大学工程力学系,北京100084)摘 要:结合一种新型的高温低氧燃烧炉的设计,对液体燃料的高温低氧燃烧进行了数值模拟.利用Fluent软件,考察了液体燃料在这一技术下的燃烧特性,并且给出了NO x排放特性.结果表明,高温低氧空气燃烧技术具有NO x排放极低,炉膛内温度分布均匀等优点.同时计算可知,回流阀所造成的回流区不仅能使火焰稳定,而且还能起到降低氧浓度的作用.关键词:高温低氧;液雾燃烧;NO x中图分类号:TK16 文献标识码:A 文章编号:100628740(2003)0320229205Study on the Simulation of the HT LOAC of Liquid FuelH U Sheng2teng,FU Wei2biao,ZH ONG Bei2jing,H OU Ling2yun(Department of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing100084,China)Abstract:C ombined with a new2style high temperature and low oxygen air combustion(HT LOAC)furnace,a simulation of the HT LOAC of pentane(C5H12,liquid)was performed.The combustion characteristics were studied under various kinds of situation, and the NO x emissions were simulated.The results show that the NO x emissions are very low,and the temperature distribution inside furnace is m ore sm ooth,and recirculation zone formed by a recirculation valve not only makes the flame be stable,but als o makes the concentration of NO x inside furnace be low.K eyw ords:HT LOAC;spray combustion;NO x 20世纪80年代末,日本学者[1]提出了一种全新型的高效低污染燃烧技术———高温低氧空气燃烧技术(HT LOAC),受到世界科学界和工业界的广泛关注.高温低氧空气燃烧技术利用了两大主要技术:高温预热空气燃烧技术和超低NO x燃烧技术. 高温预热空气带来的结果:燃烧温度极大提高,但可在贫氧条件下工作,因此NO x排放减小;火焰稳定;炉内温度分布均匀;可以燃烧的燃料范围扩大;提高了物理和化学过程的速率.为降低排放,必须采用超低NO x燃烧技术,传统方法有高温烟气回流、低氧燃烧[2]以及分级燃烧[3].1 计算模型 流动为轴对称,炉膛内气相流动采用k2ε模型,源项中加入了液相对气相的作用.辐射采用P21辐射模型(四热流模型)[4],化学反应采用混合物分数/概率密度函数模型,概率密度函数采用β函数.使用扩展的Z eldovich机理描述反应中热力型NO的生成. 液雾分散相模拟包含了轨道计算、传热传质计算以及分散相与连续相耦合.其中轨道计算使用分散随机运动模型(DRW),传热传质计算包含了内部加热阶段、液滴气化阶段和液滴沸腾3个主要阶段,分散相与连续相耦合包含了热量、质量和动量的交换.2 计算结果与分析2.1 问题描述 计算区域炉膛尺寸见图1.入口处空气速度均匀分布,速度为u.燃料为戊烷(C5H12),雾化角为60°,质Ξ收稿日期:2002207212. 作者简介:胡升腾(1978— ),男,硕士研究生.联系人:傅维标,fuwb@.量流量为0.004kg/s.回流阀的位置L 可以调整,回流阀起烟气回流的作用.通过计算不同回流阀位置下的流动与燃烧情况,进行对比,得出最佳燃烧状态.图1 问题描述 假设初始戊烷液滴直径分布遵循线性规律,范围从80～120μm.时间尺度常数取0.15.计算中,假设气体的导热系数和粘度为常数,这在湍流输运居主要地位的系统中是合理的.燃烧计算中,炉内气体的辐射吸收系数和散射系数分别取0.1m -1和0.01m -1,壁面发射率取0.8,并假设壁面绝热.2.2 网格划分 使用G ambit 软件对上述问题划分网格,如图2所示.轴线附近网格划分较密,沿径向0.1m 的区域内,网格大小为0.003m ;大于0.1m 和小于0.4m 的炉膛区域内,径向网格大小为0.03m.轴向为均分网格,大小为0.01m.总网格数为6439个.图2 网格划分2.3 液雾燃烧特性 图3显示的是入口速度u =4m/s ,T =1300K 工况下液雾燃烧的一些特性的分布.图3a 显示了混合物分数的分布曲线.它表明了在气相中含有燃料的区域,其曲线分布只在富燃区较显著.图3b 显示了燃烧过程中液雾蒸发速率分布曲线.随着x 位置的增加,燃料蒸发的范围越来越广,蒸发速率越来越大.在x =0.7m 的位置蒸发速率降为0,蒸发结束的时刻也就是液相消失的时刻.图3c 显示的是液滴直径分布,可以看出在液雾下游液滴直径越来越小.2.4 流 场 图4给出了回流阀位于距计算区域入口0.15m 处,炉膛内轴向速度的计算结果与测量结果的比较,实验中冷态流场采用热球风速仪测量.(a )混合物分数的分布曲线(b )燃烧过程中液雾蒸发速率分布曲线(c )液滴直径分布图3 液雾燃烧的一些特性分布 受热球风速仪测量精度所限,实验仅测量了炉膛入口处x =0.33m 和出口处x =1.39m 的流速,可以看出实验测量值与计算值吻合.从图中还可以看出,在距空气入口0.25m 的炉膛内,靠近轴线附近的轴向速度存在一个负值区域,这就是回流区所在的位置.在靠近壁面的广阔空间内,0.25m 和0.33m 截面上的轴向速度均为负值,而到了0.5m 截面处,负值消失,这说明空气进入突扩空间后在炉膛空间内也形成了一个回流区,但速度值较小,因此回流区强度很小.・032・燃 烧 科 学 与 技 术 第9卷第3期图4 冷态炉膛速度分布的测量值与计算值比较 图5为回流阀位置对炉内流动的影响.图1中回流阀既可用于引起高温烟气回流,也可用于稳定燃烧.在速度矢量图图5中,可以明显看到回流阀后有一低速的回流区存在.在燃料喷枪前方的流速更低,小于2 m/s,这有利于燃烧的稳定.而且,由于烟气的回流,降低了O2浓度,实现了贫氧燃烧. 比较图5可见,随着回流阀与空气入口距离的增大,回流区长度逐渐减小,宽度略有增大.在空气射流进入炉膛后,炉膛上部也出现了一个大范围的回流区.随着空气射流速度的增加,回流区愈加明显.这说明,回流阀位置对于流场有较为明显的影响,也会对炉内燃烧状况有较大影响.因此,可以设想存在一个理想的回流阀位置,此时的炉内燃烧处于最佳状况.2.5 温度场 图6和图7为6种工况下的温度分布曲线.其中: L表示回流阀到空气入口的距离,m;T为入口空气温度,K. 图6为由常温空气燃烧工况下(T=300K)的炉内温度分布,可以看出回流阀位置对于炉内温度场分布有一定的影响,图6c温度差较小.观察回流阀后方的等温线分布,在图6a中当回流阀距空气入口L=0.10m时,其后温度场变化很小,这说明回流区的影响不够强烈.而对L=0.15m和0.20m两种情况,回流区内温度变化剧烈,回流区作用很明显. 图7为由高温预热空气燃烧工况下(T=1300K)的炉内温度分布,可以得出与上段相类似的结论,但回流区的作用在图a～c中都很明显.分析其原因在于预热空气温度很高,使得燃烧同样多燃料所需要的空气体积明显增大,导致回流阀四周的入口射流大大增加,从而使得回流区的强度和范围都有所增大,因此加大了回流区对于燃烧状况的影响. 由相同回流阀位置和不同空气预热温度工况下的等温线分布,不难发现随着空气预热温度升高,温度曲(a)回流阀距空气入口0.1m(b)回流阀距空气入口0.15m(c)回流阀距空气入口0.2m图5 回流阀位置对炉内流动的影响线密度减小,亦即炉膛空间内的温度分布更加均匀.空气温度300K时,炉膛空间内的温度波动幅度在150K 左右,而空气温度1300K时,炉膛空间内的温度波动幅度不到100K,这说明高温空气燃烧有利于炉内温度场的均匀.回流阀位置L=0.15m时,图6b和图7b的炉膛空间温度分布相差最小.观察图7b可以发现,回流阀在位置L=0.15m时,炉膛空间内的温度分布较低,但有局部高温点出现. 以上这些结果说明,回流阀位于L=0.15m时,炉膛内的燃烧状况最佳.2.6 O2浓度场与NO x浓度场 图8显示了O2浓度分布的测量值与计算值的比较结果.可以看出回流阀后的氧浓度较低,高温空气射・132・2003年6月 胡升腾等:液体燃料高温低氧燃烧的数值模拟研究(a)L=0.10m(b)L=0.15m(c)L=0.20m 图6 L=300K时炉内温度分布(a)L=0.10m(b)L=0.15m(c)L=0.20m图7 T=1300K时炉内温度分布流进入炉膛,卷吸炉内烟气在回流阀后形成回流区,使得氧浓度大大低于炉内平均水平. 图9和图10为炉膛内NO x浓度分布图.比较同温度、不同回流阀位置燃烧工况下的NO x分布,可以发现回流阀的位置能够调节NO x浓度.当回流阀位置距入口处0.15m时,NO x浓度每立方米仅为几十毫克,而其它两种回流阀位置下的NO x排放均高于相对应的普通空气燃烧排放.这充分说明,L=0.15m是回流阀的最佳位置,此时炉膛内燃烧温度降低,NO x排放也大大降低. 图9、图10与图6～8的计算结果对比还说明高NO x浓度区与高温度区重合,峰值温度越低,NO x排放越低;峰值温度出现地点的氧浓度越低,NO x排放越低.图8 O2浓度分布的测量值与计算值比较・232・燃 烧 科 学 与 技 术 第9卷第3期 值得指出的是,在高温低氧空气中燃烧液体燃料时,液体燃料必然会在高温贫氧区发生高温裂解,使得C和H分离.其中H由于反应速率快而很快与周围的氧发生反应,而C则难以与氧反应,因此C更容易形成碳黑.随着运行时间的增长,碳黑就会在蓄热体中积累,造成积碳阻塞.(a)L=0.10m(b)L=0.15m(c)L=0.20m图9 T=300K时N O x排放特性(mg/m3)(a)L=0.10m(b)L=0.15m(f)L=0.20m图10 T=1300K时N O x排放特性(mg/m3)3 结 论 1)液体燃料高温低氧燃烧温度场分布较为均匀. 2)在燃料喷枪前加一个钝体回流阀,能够起到降低燃烧区域氧浓度的作用,还能起到稳定燃烧的作用. 3)计算表明回流阀形成的烟气回流区可以起到降低NO x排放的作用.参考文献:[1] T anaka R.H igh T em perature Air C ombustion2Advanced S trategicT echnology Originated in Japan[R].T echnical N ote900420,1996.[2] G upta A K,Hasegawa T.H igh tem perature air combustion:Flame charac2teristics,challenges and opportunities[A].Proceedings o f Beijing Sympo2sium on“high Temperature Air Combustion”[C].Beijing,1999.[3] 祁海鹰,徐旭常.中国开发应用高温空气燃烧技术的前景[R].北京:高温空气燃烧新技术讲座,1999.[4] S iegel R,H owell J R.Thermal Radiation H eat Transfer[M].W ashington:Hemisphere Publishing C orporation,1992.・332・2003年6月 胡升腾等:液体燃料高温低氧燃烧的数值模拟研究。
CH_4在O_2CO_2气氛下预混火焰特性的数值模拟
CH_4在O_2/CO_2气氛下预混火焰特性的数值模拟CO2等温室气体的过量排放导致的全球气候变暖问题已经引起了全世界各国的关注。
O2/CO2燃烧技术又称燃烧中捕集技术,被认为是一种极具前景的控制温室气体排放的有效办法。
由于纯氧代替空气作为燃料燃烧的助燃剂,烟气中CO2含量大幅度提升。
CO2对于火焰的影响概括为三方面:火焰的热力学性质发生改变;气体辐射换热能力增强;CO2直接参与化学反应对火焰的影响。
本文考虑了以上三方面影响,对CH4在O2/CO2气氛下燃烧的层流、湍流火焰性质进行了数值研究。
层流计算方面,利用耦合了 New WSGG辐射模型的PREMIX 计算程序,采用GRI3.0详细化学反应机理,对CH4/CO2/O2混合气层流预混火焰进行数值模拟。
研究发现,气体辐射换热降低了层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和重要中间产物的平衡浓度。
CO2浓度越高,下降幅度越大。
当CO2替换为FCO2后,层流火焰传播速度、中间产物平衡浓度大幅度提升;火焰的平衡温度升高。
CO2直接参与化学反应对层流火焰特性的影响大于辐射换热对火焰特性的影响。
化学当量比相同时,随着氧浓度的增大,层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和重要中间产物的平衡浓度增大。
氧浓度相同时,随着当量比的增大,层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和O、OH基的平衡浓度先增大后减小,当量比等于1时最大,大于1时次之,小于1时最小;H基略有不同,在当量比大于1时最大,等于1时次之,小于1时最小。
随着未燃气初始温度的升高,层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和重要中间产物的平衡浓度增大。
随着压力的升高,层流火焰传播速度下降,层流火焰平衡温度略有上升,重要中间产物的平衡浓度下降。
湍流计算方面,利用Zimont燃烧模型对湍流火焰进行数值模拟。
使用UDF 加入了New WSGG辐射模型,考虑了气体的辐射换热。
研究发现,气体辐射换热对湍动能、轴向速度分布、燃烧产物的浓度分布影响不大;湍流火焰温度略有下降。
基于SIMPLEC算法的高温热管启动特性数值模拟
ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ／ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ０ ｎ ／ ｃ ｏ ｎ ｄ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ．Ｔｈ ｅ ｄ ｕ ｓ ｔ ｙ ｇ ａ ｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ
Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ — ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｈｅ ａ ｔ Ｐｉ ｐ ｅ Ｓ ｔ ａ ｒ ｔ ｕ ｐ
Ｃｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ Ｉ Ｍ ＰＬＥＣ Ａｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ
ｗａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ｆ ｌ ｏ ｗ ｒ ｅ ｇ ｉ ｍｅ ｓ ． Ｖｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ Ｓ Ｉ Ｍ ＰＬＥＣ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｓ ｉ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ｗａ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ｌ ｙ ｃ ｏ ｍ—
葛攀和， 郭 键， 孙晓博， 胡 古， 柯国土
（ 中 国原 子 能 科 学 研 究 院 反 应 堆 工 程 技 术 研 究 部 ， 北京 １ ０ ２ ４ １ ３ ）
摘要 ： 为研 究 高 温 液 态 金 属热 管 的 瞬 态 特 性 ， 开 发 了高 温 热 管 瞬 态 分 析 程 序 ， 程 序 可 模 拟 高 温 液 态 金 属 热 管 自凝 固状 态 启 动 过 程 中涉 及 到 的 复 杂 的 相 变 、 蒸 气 流 动 及 气 液 交 界 面 的 传 质 传 热 特 性 热 管 管 壁 与 吸 液 芯 区域 采 用 纯 导 热 模 型 ， 考 虑 了 吸 液 芯 内部 工 质 的 熔 化 和 凝 固 以及 气 液 界 面 的 蒸 发 和 冷 凝 。蒸 气模型采用一 维的尘气模型 （ Ｄ Ｇ Ｍ） ， 该模 型可精 确描述 热 管启动 过程 中不 同阶段 的蒸气 的运 动特性 。 热 管 启 动 过 程 中蒸 气 为 高 度 可 压 缩 ， 因此蒸 气速度 与压 力 的求解采 用可 压缩 流动 的 Ｓ Ｉ ＭＰ Ｌ Ｅ Ｃ算 法 进 行 计 算 。最 后 程 序 模 拟 了 钠 热 管 的 启 动 过 程 ， 并 与 试 验 数 据 进 行 了 比较 。结 果 表 明 ， 程 序 模 拟 结 果 与 试
基于量子化学计算柴油在CO2O2氛围下的燃烧特性
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2022年第41卷第6期基于量子化学计算柴油在CO 2/O 2氛围下的燃烧特性王龙1，刘永峰1，毕贵军2，宋金瓯3（1北京建筑大学，北京市建筑安全监测工程技术研究中心，北京102616；2新加坡科技研究局制造技术研究院，新加坡637662；3天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072）摘要：为研究柴油在CO 2/O 2氛围下燃烧反应机理与燃烧特性，本文提出了量子化学计算的机理与光学实验，通过分子平均局部离子化能和表面静电势分析分子的反应活性位点，通过计算化学计算了新的化学反应路径，对反应路径进行敏感性分析和简化，然后计算了火焰自然光度和火焰浮起长度，最后搭建了具备光学通道的定容燃烧弹实验平台并进行柴油燃烧的流体力学模拟。
计算结果与实验结果对比结果表明，在35%CO 2+65%O 2氛围下火焰浮起长度最大误差、最小误差和平均误差分别为13.9%、0.5%和1.4%，均为可接受的误差，说明此机理适用于CO 2/O 2氛围下柴油燃烧特性的研究。
高浓度二氧化碳会致使火焰发生分叉，引起湍流现象，并且二氧化碳在高温下会热解成一氧化碳和氧自由基。
一氧化碳的碳端化学反应活性比氧端的大，碳端平均局部离子化能为12.62eV 且静电势极小值为−0.51eV 。
关键词：计算化学；平均局部离子化能；表面静电势；定容燃烧弹；流体力学；二氧化碳中图分类号：TK421；TQ517文献标志码：A文章编号：1000-6613（2022）06-2948-11Characteristics of diesel combustion under CO 2/O 2atmosphere byquantum chemistry calculationsWANG Long 1，LIU Yongfeng 1，BI Guijun 2，SONG Jin ’ou 3(1Beijing Engineering Research Center of Monitoring for Construction Safety,Beijing University of Civil Engineering andArchitecture,Beijing 102616,China;2Agency for Science,Technology and Research,Singapore 637662,Singapore;3StateKey Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:To study the reaction mechanism and combustion characteristics of diesel fuel under CO 2/O 2atmosphere,quantum chemical calculations and optical experiments were performed.The reactive sites on molecules were analyzed by the average local ionization energy and surface electrostatic potential,and new chemical reactions were proposed by computational chemistry calculations,which were simplified after sensitivity analysis to compute the flame natural luminosity and the flame lift-off length.Finally,a constant volume combustion chamber experimental platform with optical channels was built and fluid mechanics simulation of diesel combustion was pared with the experimental results,the calculated maximum,minimum and average errors of the flame lift-off length under 35%CO 2+65%O 2atmosphere were 13.9%,0.5%and 1.4%,respectively,which were all acceptable and indicate the suitability of the new mechanism.It was found that high concentration carbon dioxide causes flame研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1478收稿日期：2021-07-13；修改稿日期：2021-10-20。
华中科技大学徐明厚-燃烧过程数值模拟
CFD/NHT的教学与科研工作。
∫ (1）时间平均：
φ
t
(
xo
)
=
lim
T →∞
1 T
T 0
φ
(
x0
,
t)
dt
（2）空间平均： （3）系综平均：
∫ φs
(t0
)
=
lim
x→∞
1 x
xφ
0
(
x,
t0
)
dx
∑ φe (x0 ,t0 )
=
1 N
N
φn (x0 ,t0 )1 Nhomakorabea（4）系综平均的几率平均形式：
∞
∫ φe ( x0 , t0 ) = −∞ φ ( x0 , t0 ) P(φ ) dφ
⎪ ⎪
R zx =
w ′u ′
⎪ ⎪
w ′2
u ′2
⎪ ⎪⎭
煤燃烧国家重点实验室
R R R 3. 坐标关联系数
Rx1,2 =
u1′ u2′
⎫ ⎪
u1′2
u2′2
⎪ ⎪
x1,
、
2
y1,
、
2
z1, 2
Ry1,2 =
v1′ v2′
⎪ ⎪ ⎬
v1′2
v2′2
⎪ ⎪
Rz1,2 =
w1′ w2′
⎪ ⎪
w1′2 w2′2 ⎪⎭
废物热处理平衡产物和净输入热功率计算模型
废物热处理平衡产物和净输入热功率计算模型李要建;田君国;徐永香;盛宏至【摘要】基于吉布斯自由能最小原理和能量守恒原理建立了能预测废物经过热解、气化或焚烧处理后产物分布和净输入热功率的计算模型.采用EQUIL程序计算模拟了平衡产物成分随含水率、温度和过量空气系数的变化规律,并在此基础上得到温度和产物分布对净输入热功率的影响.研究结果表明,该计算模型能有效预测在废物热解、气化或焚烧处理过程中含水率、温度和过量空气系数对产物分布和净输入热功率的影响.【期刊名称】《燃烧科学与技术》【年(卷),期】2009(015)006【总页数】7页(P521-527)【关键词】热解;气化;焚烧;吉布斯自由能;净输入热功率【作者】李要建;田君国;徐永香;盛宏至【作者单位】中国科学院力学研究所,北京,100190;中国科学院力学研究所,北京,100190;中国科学院力学研究所,北京,100190;中国科学院力学研究所,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】X705随着社会经济和工业生产的迅猛发展，人类生活、生产行为产生大量废弃物，直接排放到自然环境中将导致生态环境严重恶化并威胁到人类健康和生存，因此废物必须得到妥善的处理. 高温热处理技术是处理废物最合适的技术，主要包括热解、气化和焚烧[1-2]，如图1所示.由于采用的过量空气系数α和热源不同，废物经热解、气化或焚烧处理后的主要产物也大不相同，如焚烧法尽量使有机废物中的组成元素C、H转化为CO2和H2O，气化则是合成气CO和H2[3]，而热解产物随环境气氛不同变化较大，一般是炭黑和小分子量气体H2、CO或碳氢化合物CH4、C2H2和C2H4等[4-5].不同的高温热处理技术得到的产物有很大不同，这表明α大小对产物分布有极大影响，同时它也决定了废物高温热处理过程特性和能量输入特性.很多研究者提出计算模型预测废物热解或气化的平衡产物分布，主要关注在某一α下平衡产物分布随温度的变化规律[6-8]，鲜有过量空气系数对平衡产物分布影响规律的报道.事实上，废物中总是或多或少地含有一定水分，H2O在高温下参与化学反应而影响最终的平衡产物分布，另外，H2O蒸发潜热很大，若含水率变化较大(15%～35%)将对净输入热功率造成较大影响.因此，笔者根据吉布斯自由能最小原理和能量守恒原理提出能预测有机废物在热解、气化和焚烧处理平衡产物分布以及净输入热功率的计算模型，并选取模拟医疗废物为计算对象，在计算中主要考察了温度、过量空气系数和含水率的影响.图1 主要的高温热处理技术1 计算模型在高温热处理过程中，反应区温度一般比较高，保证良好混合和足够长的停留时间，可假定反应区中发生的有机物裂解、气化或者焚烧反应已趋平衡，即达到了热力学平衡态.处理装置中基本维持常压，因此可采用吉布斯自由能最小原理来计算平衡产物成分.计算思路如图2所示，首先对给定废物进行物理组成分析，包括水分、灰分、纸张纱布、塑料等，再对有机成分进行元素分析，一般为C、H、O、N、S和Cl等. 根据元素分析结果计算出废物完全燃烧理论空气量，调整不同的α即有不同的反应输入，再利用热力学平衡计算软件得到产物成分分布随温度的变化关系，最后，根据能量守恒原理计算净输入热功率随温度和平衡产物分布的变化规律.计算中假定灰分不参与有机物热解、气化或焚烧反应，仅对能量平衡有贡献.图2 产物分布和净输入热功率随α和温度变化计算流程1.1 模拟医疗废物针对模拟医疗废物进行计算，其物理组成和元素分析结果如表 1所列.模拟医疗废物中不含S元素，但平衡产物计算程序中考虑了H2S、SO2、SO3、COS和CS 等硫化物的影响.热处理装置废物进料速率为210 kg/h.1.2 平衡产物分布计算笔者采用吉布斯自由能最小法，即在定压条件下，达到热力学平衡态时体系吉布斯自由能最小.应用吉布斯自由能最小法时，需要人为选定产物组分并知道各产物组分的热力学数据.研究中采用CHEMKIN-Ⅲ子程序EQUIL进行计算，选定产物135种，包括重要产物炭黑、HCl、H2、Cl2、H2O、O2、N2、NH3、HCN、CO、CO2、COS、H2S、SO2、SO3、CH4、C2H2和C2H4等，热力学数据主要摘自巴伦和网络热力学数据库[9-10].计算中改变温度和α，即得到产物分布随温度和α的变化规律.表1 模拟医疗废物物理组成和元素分析物理组成塑料碳水化合物聚乙烯PVC纤维淀粉蔗糖水分灰分总计化学式C2H4C2H3ClC6H10O5C12H22O11H2O质量分数/%12340101520100元素分析/%wCwHwOwCl33.4266.63738.2331.70480 1.3 净输入热功率计算除去散热损失外，加入热处理装置中的能量全部用于提升产物的焓值，于是将能量守恒原理应用于废物处理过程,即Q外-Q损+Qr=ΔH+ΔH潜(1)式中：Q外为废物处理过程中从外部加入的能量，如电能或助燃燃料，与废物自身化学能无关，kJ；Q损为废物热处理过程中向外界散失的能量，kJ；Qr为热解、气化或焚烧反应释放出的废物自身的化学能，kJ；ΔH潜为相变潜热，计算中仅考虑H2O的蒸发潜热，kJ；ΔH为产物显焓增加量，kJ.净输入热功率Pn定义见式(2)：Pn=P外-P损(2)式中：P外是外部能量输入功率，P损是散热损失功率，二者可分别由Q外、Q损算出.联立式(1)和式(2)可求得净输入热功率Pn，它将外加能量和散热损失综合起来考虑，只与反应释放出的废物化学能和产物显焓、潜热有关，表征热处理技术的能量输入特性.ΔH可通过各产物显焓加和得到，即ΔH=∑Ni(ΔHi×ni)(3)式中：N为产物组分数目，计算中为N=135；ni为第i种组分物质的量，kmol；ΔHi为第i种组分显焓增加量，kJ/mol；二者可由EQUIL计算得到.不同的α释放出的废物化学能不同，因此反应释放能量Qr将随α改变，对于某一α，Qr可由Hess定律求得，Qr等于产物生成焓之和减去废物生成焓，即Qr=∑N·W(4)式中:为第i种组分生成焓，废物生成焓，kJ/kg.由Hess定律知，废物以化学当量比燃烧产物生成焓减去等于废物热值qW，kJ/kg，而wW可通过门捷列夫公式式(5)和式(6)估算，再由式(7)反算出废物生成焓.(5)(6)(7)式中:为废物高位热值；为废物低位热值；mC、mH、mO、mS是100 kg废物中碳、氢、氧、硫的质量；W为100 kg废物中含水量.基于EQUIL计算结果，由式(1)～(7)联立可求出净输入热功率Pn随含水率、α和温度的变化规律.计算中灰分定压比热取为1.3 kJ/(kg·K).2 计算结果2.1 不同温度对产物分布的影响图3示出了含水率为0.15，α分别为0、0.15、0.30和0.50时平衡产物分布随温度变化情况.由于HCl和N2基本不随温度变化，故未在图2中示出.对多次计算结果数据分析发现，只要废物原始组分中氢原子与氯原子物质的量之比大于1，则Cl在产物中始终以HCl的形式稳定存在，所以当氢原子与氯原子物质的量之比大于1时，生成物中HCl物质的量等于废物中Cl物质的量.一般地，废物组分总可以满足比值大于1的条件.对比图3中4张图可以发现，4种α下平衡产物分布随温度变化趋势相同，可分为3个温度段：在200 ℃以下，主要产物是炭黑、CH4、CO2和H2O.从图3中可以看出，在同样的温度和含水率情况下，α增加CH4减少，CO2和H2O增加. 在200～1 000 ℃，主要平衡产物是炭黑、CH4、CO、CO2、H2和H2O，且平衡产物分布变化剧烈.CO2随温度先增后减，峰值在600 ℃左右.炭黑逐渐减少，CO和 H2则一直增加，α越大炭黑下降越快.在1 000～1 600 ℃时，各主要产物随温度变化平缓，在同样的温度和含水率情况下，α增加，炭黑、CO和H2减少，CO2和H2O增加.图3表明，温度越高越有利于抑制炭黑生成，同时可提高CO和H2产率.由于各主要产物在600～1 000 ℃量变化很大，对热解或气化而言，为得到预期的产物和产率，必须慎重选择合适的处理温度.(a) α=0(b) α=0.15(c) α =0.30(d) α=0.50图3 不同温度对平衡产物成分的影响2.2 不同α对产物分布的影响图4给出了含水率0.15，温度分别为950 ℃和1 250 ℃时产物成分随α变化曲线.由图4可见：当α>1时，废物中的C、H分别被转化为热力学稳定的产物CO2和H2O，基本不再随α变化，CO、CH4、H2和炭黑几乎为零，O2随α线性增加.实际上，当α>1时温度对产物分布的影响可以忽略；当α<1时，废物中的C、H被转化为热力学稳定的产物炭黑、CO、CH4、H2、CO2和H2O，且随α变化剧烈.O2几乎全部消耗，不随α而变.在0.1<α<0.3时，CO曲线存在峰值点，设α*为CO峰值点对应的过量空气系数，其值随温度升高而减小，这是因为温度升高更多的炭黑转化成了CO.当α<α*时，同样α下1 250 ℃时CO和H2比950 ℃大很多，而炭黑、CO2和H2O少很多.(a) 950 ℃(b) 1 250 ℃图4 不同α对产物分布的影响2.3 不同含水率对产物分布的影响图5为α=0和α=0.30温度分别为950 ℃和1 450 ℃时平衡产物分布随含水率的变化曲线.当α=0时，两种温度下CO和H2曲线均先升后降，随含水率增加，炭黑减少，CO2和H2O增加，而当α=0.30时，两种温度下炭黑、CO和H2均随含水率增加而减少，CO2和H2O增加.同样温度不同α情况下，炭黑、CO2和H2O变化规律一致，CO和H2变化规律不同.图5表明，含水率增加可抑制炭黑生成，且温度越高抑制效果越明显，这是因为H2O增加导致反应(8)(见第3节)平衡右移.同时含水率过高会抑制CO和H2生成，促进CO向CO2转化，使合成气产率降低.(a) α=0，T=950 ℃(b) α=0.30，T=950 ℃(c) α=0，T=1 450 ℃(d) α=0.30，T=1 450 ℃图5 不同含水率对平衡产物分布的影响2.4 不同α对Qr和Pn的影响2.4.1 反应释放热量图6给出了不同温度下Qr随α的变化曲线.图6表明，当α<1时，Qr随α逐渐增加，开始时热解反应或气化反应吸热，且温度越高吸热量越大，α继续增加，气化反应开始变为放热反应，即废物化学能被释放出来.但在α>1时几乎不变，这说明废物化学能被全部释放出来.对比同样的α，温度越高Qr越小，反应向吸热方向移动，但是温度对Qr的影响远没有α大.2.4.2 净输入热功率根据式(1)～(7)求得Pn随α变化曲线如图7所示.由图7可知，随α增加，Pn先减小后增加，在α=1时达到最小.可对比图 6来解释图7所示的变化规律：当α<1时，由图6可知Qr随α增加而增加，因为能量守恒方程式(1)右端增加不及Qr增加快，所以结合式(2)知Pn必定减小; 当α>1时，由图6可知Qr为定值，随α增大，O2和N2增多，能量守恒方程式(1)右端显焓线性增加，所以结合式(2)知Pn必定也线性增加.净输入热功率有明显的物理意义，它能预测处理系统能量分配情况.如α=0时，温度为1 250 ℃时Pn=300 kW，为正值，由于散热损失Q损总是大于0，若要维持温度为1 250 ℃就必须向系统中输入外加能量.如α=1，温度为1 250 ℃时Pn=-302 kW，为负值，此时Q外=0，若要维持温度为1 250 ℃系统就必须向外界散失大量热，否则温度将升高导致能量守恒方程式(1)右端显焓项增加，Pn增加，直至曲线与横轴相交.当然，从图7可知，也可加大α使Pn曲线与横轴相交，最终使能量分配得以匹配.图6 α对Qr的影响图7 α对Pn的影响2.5 不同含水率对Qr和Pn的影响图8示出了α=0和0.30温度分别为950 ℃和1 450 ℃时含水率对Qr和Pn的影响.当α=0时，含水率增加，Qr增加，Pn减少.Qr曲线在950 ℃和1 450 ℃时相差不大，但Pn有较大不同，这是由于双重作用的结果：一方面含水率增加，废物中有机成分减少，热解反应(α=0)所需能量减少，同时将更多的炭黑转化成CO和CO2，释放废物部分能量，使得Qr增加而Pn减少;另一方面，含水率增加，更多能量用于加热水，此作用使Pn增加.但是，当α=0.30时，Qr和Pn随含水率变化比α=0时平缓，且950 ℃时Pn略有增加，而1 450 ℃时略有减少.由于加入了α=0.30的空气，废物部分化学能释放出来，所以输入能量比α=0少很多.(a) α=0(b) α=0.3图8 不同含水率对Pn和Qr的影响3 讨论平衡产物分布由化学反应平衡决定.众所周知，温度和反应物浓度是影响化学反应平衡的重要因素，因此改变温度、含水率和α都会对产物分布造成影响，前述计算结果已清晰地揭示了这种影响，阐释清楚这种影响需要明了化学反应，处理有机物过程中重要的化学反应如下[5-8]：CO+H2O→H2+CO2(8)C(s)+O2→CO2(9)→CO(10)→CO2(11)C(s)+CO2→2CO(12)C(s)+H2O→H2+CO(13)C(s)+2H2→催化剂CH4(14)CH4+O2→2H2O+CO2(15)→H2O(16)可以借助反应式(8)～(16)来解释图3～图8所示的变化规律.如图3(d)，高于1 000 ℃时，温度升高，H2O和CO增加，同时CO2和H2减小，该现象可用化学反应式(8)平衡向左移动解释.再如图4所示，随α增大，O2增多，反应(9)～(11)、(15)、(16)平衡右移，导致炭黑、CH4和H2逐渐减少，CO2和H2O逐渐增加.而CO先增加后减小，这是由于O2浓度低时，反应(10)占主导，O2氧化炭黑生成CO，随着反应进行，炭黑逐渐减少，O2则继续增加，反应(11)占主导，CO又被氧化成CO2.所考察的3个影响因素中，α和温度对产物分布、Qr和Pn影响都很大，这说明在废物处理过程中合理控制工艺参数α和温度的重要性.计算结果中有两方面需要注意：①低于1 000 ℃时产物变化剧烈，对于热解或气化来讲，使产物成分不易控制，而高于1 000 ℃时产物变化平缓，温度过高不仅对改变产物帮助不大，而且对处理装置耐温材料要求较高，因此，1 000 ℃左右是适宜的处理温度；②当α>1时，产物分布随温度和α变化都不大(除了N2和O2).对焚烧来讲，要求α在1.6～2.0，显然蕴藏于废物内的化学能全部被释放出来，对于高热值废物(如表1中模拟医疗废物，低位热值约13 368 kJ/kg)，注入大量空气不仅能提供富氧环境，而且能降低尾气温度使之保持在适当的水平.对于热解或气化，期望得到有价值的目标产品如CH4、H2或CO等，同时尽可能抑制炭黑生成，这需要注入适量空气.如果α小于α*，不仅生成大量炭黑，还需要输入较大能量，达不到处理目的，但若α>α*，α越大，CO2和H2O的越多，合成气热值越低，另外α增加也使尾气量大增，更促进污染物SOx和NOx的生成，因此α控制在α*左右对提高合成气产率有益.废物中总不可避免地含有一定量的水分，它会参与化学反应(如反应式(8) 、(13)、(15)和 (16))并影响化学反应平衡和产物分布.H2O有助于抑制炭黑生成，它能提供O通过反应(13)将C转化为CO，因此H2O有时作为气化剂使用，然而，过高的含水率会抑制CO生成，同时水的蒸发潜热很大，增加了能量消耗.对原始组分为C、H、O、N、Cl的系统，经过多次计算实验发现，高于1 000 ℃时产物分布有表2所示规律.表2 各元素在产物中主要赋存形态元素条件主要赋存形态说明Cln(H)/n(Cl)>1HClNN2C、H、On(O)/n(C)<1CO、H2和炭黑O不足,没有足够的O将炭黑转化成COn(O)/n(C)>1且2(n(O)-n(C))/(n(H)-n(Cl))<1CO和H2共存H2O和CO2共存O优先与H2结合,同时促进部分CO转化成CO2,CO和H2份额多,H2O和CO2份额少2(n(O)-n(C))/(n(H)-n(Cl))>1且[n(O)-n(C)-0.5(n(H)-n(Cl))]/n(C)<1CO和H2共存H2O和CO2共存更多H2和CO被氧化成H2O和CO2,H2O和CO2份额多,CO和H2份额少[n(O)-n(C)-0.5(n(H)-n(Cl))]/n(C)>1O2、H2O和CO2空气过量表2可解释图2～图4中各主要产物变化规律.如图5中同样温度、不同α情况下，炭黑、CO2和H2O变化规律一致，而CO和H2变化规律不同，这是因为α=0时，含水率增加，H2O能提供更多的O将炭黑转化成CO，此时，CO和H2增加，而炭黑减少.当H2O增加到使n(O)/n(C)>1时，炭黑已完全转化，含水率继续增加，一方面促进CO部分氧化成CO2，另一方面使总C减少，所以含水率增加到一定程度时CO和H2就会降低.当α=0.3时，n(O)/n(C)>1而2(n(O)-n(C))/(n(H)-n(Cl))<1，CO和H2为主要产物，同时有少量H2O和CO2，此时含水率增加同样起到两方面作用，所以CO和H2一直下降.采用表2中的规律可方便快捷地选择合适的过量空气系数.4 结论(1)基于吉布斯自由能最小原理和能量守恒原理建立了能预测废物经过热解、气化或焚烧处理后产物分布和净输入热功率的计算模型.并针对处理能力为210 kg/h 的模拟医疗废物处理装置，研究了温度、含水率和过量空气系数α对产物分布的影响，并计算了温度和过量空气系数对反应释放能量和净输入热功率的影响. (2)若将废物热处理过程中温度控制在700～900 ℃且α<1，最终产物随温度和α变化剧烈，使得处理过程不易控制.当处理温度高于1 000 ℃时，如表2所示的规律可以应用.废物中水分可抑制炭黑生成，但含水率过高需要消耗大量能量加热水.过量空气系数决定了高温热处理技术的过程特性，由表2可知，α对产物分布影响极大，同时它也决定了净输入热功率特性.根据不同的处理目的和废物中的含水率，应合理选择处理温度、α和净输入热功率.参考文献：[1] 盛宏至. 医疗废物高温热处理技术[J]. 中国环保产业，2004，A02：64-69. Sheng Hongzhi. Pyrolytic treatment of medical wastes [J]. China Environmental Protection Industry, 2004, A02:64-69 (in Chinese).[2] Nema S K, Ganeshprasad K S. Plasma pyrolysis of medical waste [J]. Current Science, 2002, 83(3):271-278.[3] Whetherold B, Orr D, Maxwell D. A Comparison of Gasification and Incineration of Hazardous Wastes [R].Austin Texas:National Energy Technology Laboratory, 2002.[4] Sheng Hongzhi, Huang Zhiqin, Li Yaojian, et al. Plasma-arc technology for the thermal treatment of chemical wastes [C]//IT3’07 Conference. Phoenix, AZ, USA, 2007:860-868.[5] Lemmens B. Assessment of plasma gasification of high caloric wastestreams [J]. 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H2O和N2对CO预混燃气熄火特性的影响
H2O和N2对CO预混燃气熄火特性的影响申小明;袁怡祥;詹德君;谢鹏福;高庆;谭春青【摘要】针对以CO为主要可燃成分的低热值燃气,设计加工了平口烧嘴装置.在该装置上进行了CO与CH4预混熄火特性的对比实验;考察了H2O,N2对CO预混火焰熄火特性的影响.结果表明:与CH4相比,CO点火困难,稳定燃烧范围更窄;随着N2添加比的增大,熄火当量比逐渐增大;添加适当比例的H2O能够提高预混火焰的稳定性.采用CHEMKIN软件对在实验气体中添加不同比例H2O的层流火焰速度和敏感性系数进行了模拟计算,对比实验熄火特性曲线和层流火焰速度变化曲线,发现两者变化趋势相近,并且均在H2O的添加比例为3％～15％时出现极值点.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2015(033)011【总页数】7页(P1693-1699)【关键词】低热值;H2O;预混;熄火特性;敏感性分析【作者】申小明;袁怡祥;詹德君;谢鹏福;高庆;谭春青【作者单位】中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院大学,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院大学,北京 100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190【正文语种】中文【中图分类】TF055;TQ038.4标准状态下，根据燃料发热量的大小可将其分为高热值燃料、中热值燃料和低热值燃料[1]，[2]。
高热值燃料的热值大于15.07 MJ/m3，如天然气、甲烷等；中热值燃料的热值为6.28～15.07 MJ/m3，如填埋气、以氧气为气化剂的合成煤气和转炉煤气等；低热值燃料的热值小于6.28 MJ/m3，如以空气为气化剂的合成煤气、生物质气化气和高炉煤气等。
以生物质气化气和高炉煤气为代表的典型低热值燃料，来源广、产量大，受到广泛关注。
基元反应与基元反应动力学
基元反应与基元反应动力学
赵学庄;臧雅茹
【期刊名称】《大学化学》
【年(卷),期】1992(007)005
【总页数】8页(P29-35,41)
【作者】赵学庄;臧雅茹
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】O643
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H2空气CSTR双稳定状态及点火过程的基元反应模拟
第12卷第2期燃烧科学与技术V01．12NO．2 2006年4月Journal of Combustion Scienc e a n d T e c h n o l o g y A p r．2006H2／空气CSTR双稳定状态及点火过程的基元反应模拟李卓毅，张会强(清华大学工程力学系，北京100084)摘要：利用基元反应机理数值模拟了H：／空气良好搅拌反应器(C ST R)系统的双稳定状态和点火过程．在入口温度较低时，系统在低流量和高流量时都存在一个熄火极限．在着火极限流量范围内，既存在一个高温稳定状态(着火状态)，还存在一个略高于入口温度的低温稳定状态，具有双稳定状态．随着入口温度的增加，CSTR系统低流量的低温稳定状态会消失．在双稳定条件下，系统的最终状态取决于系统初始填充空气的温度．当该温度高于点火温度时，系统处于高温稳定态；低于点火温度时，系统则处于低温稳定态．点火温度与系统压力的关系为典型的“z”型曲线．关键词：良好搅拌反应器；双稳定温度；点火；基元反应中图分类号：TKl6 文献标志码：A 文章编号：1006—8740(2006)02—0151—04Simulation of the Bistable States and I gnition in anH2／Air CS TR丽t lI Detailed ChemistryⅡZ hu o-y i．Z HA NG Hu i—q i a n g(Department of Eng ine eri ng Mec h a n ic s，T s i n g h ua University，Beijing 100084，China)A b s t r a c t：T h e b is ta b le s t a t es and ignition in anH2／air CSTR(continuous—flow stirred ta n k reactor)are nu mer ica lly sim u-la t ed b a se d the detailed ch em is try．Un de r t he co nd it i on of lo w inlet te mp er at ur e．t he re extinguish limits at t he lo wfl ow r a t e and t he high flow r a t e respectively．Within c om b us ti b le limits of f lo w rates，the sy stem h as tw o stable states：hJi ghtem pe ra tur e state(burning state)，and the lo w te mp er atu re s tat e．Th e low—temperature stable s t a t e at lo w fl ow r a t e willdis·appear witll increase of inlet tempe ra tu re．In bistable st a t e s．t h e final s t a t e s of sys tem determ ine d by the tem pe ra tu re ofinitial filling air of th e s ys t e m．I f t h e t e mp e ra t ur e i s hi gh er than the ignition tem pe ra tur e，t he s ys te mstabi liz es at t he hJlgh te mp er at ur e．O th er wi se，it stabilize sat lo w temperature．The relation betwe en ignition t em pe rat ur eand pr e ss u re in C S T Rsyst em is typical Z’cnrve．K ey w o rd s：c o n ti n u ou s—f l o w stirred tank reactor；bistable states；ignition；detailed chemis tr y燃烧系统的稳定工作状态是人们十分关心的问线性和非单调性现象，同时，氢元素是碳氢燃料的重要题，特别是对超音速燃烧问题．不同的初始条件会导致成分，因此H：／空气的基元反应几乎存在于所有的碳系统最终的稳定状态有很大的不同，着火和灭火也就氢燃料燃烧中呤]．因此，本文采用基元反应机理模拟成为系统稳定状态转变的临界状态，而它们的不可逆了H：／空气CSTR系统的稳定工作状态以及着火和灭性反映了火焰的非线性特征．由于实际燃烧过程非常火等过程，并研究了n2／空气反应过程强烈非线性、非复杂，准确描述着火和灭火比较困难，因此人们采用良单调性对稳定燃烧状态的影响．与单步反应机理相比，好搅拌反应器(continuous—flow stirred tank r ea c to r，本文得到的这些结果更真实．CSTR)模型和单步化学反应研究燃烧系统的稳定性、着火、灭火过程，并取得了一些成果¨_2J． 1 计算模型然而，着火和灭火过程与多组分的多步反应过程密切相关，因此单步反应无法描述一些燃烧过程的非CSTR模型如图1所示，容器可以是其他形状．入收稿日期：2005—09·28．作者简介：李卓毅(1981一)，男，硕士研究生；联系人：张会强，zhanghq@mail．tsinghua．edu．cn．万方数据燃烧科学与技术第12卷第2期 口质量流量为m(g ／s)，温度为t 。
基于一维／三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟
基于一维／三维模型耦合的富氧燃烧天然气发动机数值模拟姜伟;张玉银;李世琰;张勇;张伟【摘要】以某1．0 L3缸汽油机为基础，利用 GT-Power与Converge建立了天然气发动机耦合仿真模型，并利用原机试验数据对模型进行了验证，研究了进气富氧与 EGR 对天然气发动机性能的影响特性，对利用进气富氧与EGR 改善天然气发动机的性能进行了探讨。
结果表明，随进气氧气体积分数提高，天然气发动机平均有效压力显著提高，最大可提高22．8％（氧体积分数为28％时）；同时缸内温度和 NOx 排放升高，排气与传热的能量损失增加，燃气消耗率略有升高。
加入EGR 可以降低富氧燃烧下天然气发动机燃气消耗率，随着 EGR 率增加，燃气消耗率主要呈先减小后增加趋势；且随进气氧浓度提高，各浓度下最低燃气消耗率对应的 EGR 率逐渐提高；NOx 排放随EGR 率增加而逐渐降低，在进气氧体积分数为23％，25％，27％，29％时，EGR 率分别为10％，15％，20％，25％即可将NOx 排放降到原机水平；利用进气富氧与 EGR 可以有效地改善天然气发动机动力不足与 NOx 排放高的状况。
%The coupled simulation model of CNG engine was built with GT-Power and Converge software based on a 1.0 L gasoline engine and was calibrated with test data of original engine.Then the influences of oxygen-rich intake and EGR on CNG engine perform-ance were researched and the performance improvements thereof were discussed.The results show that BMEP for CNG engine increases obviously with the increase of oxygen volume fraction and increases by 22.8% at most in 28% oxygen content.Moreover,the in-cylin-der temperature,NOx emission,the energy loss of exhaust and heat transfer all increase and BSFC slightly increases.The specific CNG consumption under the conditions ofrich oxygen decreases by introducing EGR and shows the trend of first decrease and following in-crease with the increase of EGR rate.The corresponding EGR rate of the lowest CNG consumption increases gradually with the increase of oxygen content.NOx emission increases with the increase of EGR rate and can reach the emission level of original engine when the EGR rate is 10%,15%,20% and 25% respectively in oxygen volume fraction of 23%,25%,27% and 29%.Accordingly,the oxy-gen-rich intake and EGR can improve the power and NOx emission of CNG engine effectively.【期刊名称】《车用发动机》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P39-43)【关键词】天然气发动机;富氧燃烧;废气再循环;数值模拟【作者】姜伟;张玉银;李世琰;张勇;张伟【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240;上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240;上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240;上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240;上海空间电源研究所，上海 200245【正文语种】中文【中图分类】TK421.5天然气作为传统发动机的替代燃料有着许多优点：资源丰富，价格低廉，燃烧产生的有害排放低，二氧化碳排放低，辛烷值高等。
高温富油燃气超声速燃烧数值模拟
高温富油燃气超声速燃烧数值模拟
王春;司徒明;马继华;杨茂林
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2000(21)2
【摘要】发展了二维超燃流场的数值模拟计算程序 ,用来进行高温富油燃气超燃流场的数值计算。
数值解法采用了 Mac Cormack预估 -校正两步显式格式求解矢通分裂形式的 N- S方程组 ,湍流模型采用了壁面率修正的 Baldwin- Lomax代数方程模型和用于剪切混合层的普朗特混合长度模型。
在超燃计算中 ,应用 C2 H4- O2 两步反应的有限速率化学反应模型 ,模拟高温富油燃气超燃试验的试验状态。
计算结果表明 ,在高温富油燃气超燃流场中。
【总页数】4页(P60-63)
【关键词】超音速冲压喷气发动机;烃类燃料燃烧;数值模拟
【作者】王春;司徒明;马继华;杨茂林
【作者单位】航天机电集团公司31所;北京航空航天大学热动力研究所
【正文语种】中文
【中图分类】V235.213
【相关文献】
1.航空燃气轮机火焰筒高温低氧燃烧状态数值模拟 [J], 谢超;王力军
2.富氧燃气发生器三维燃烧流场的数值模拟 [J], 曹再勇;蔡体敏;谭永华
3.双燃烧室冲压发动机富油燃气超声速燃烧数值模拟 [J], 于江飞;晏至辉;刘卫东
4.富氢/富氧燃气同轴直流喷嘴燃烧过程数值模拟 [J], 李茂;杜正刚;金平;蔡国飙
5.碳氢燃气超声速剪切流动燃烧数值模拟 [J], 王慧;侯凌云
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基于化学反应动力学的氨-氢混合无碳燃料燃烧爆炸机理研究
基于化学反应动力学的氨-氢混合无碳燃料燃烧爆炸机理研究滕霖;单志伟;李西贵;李卫东;罗宇;江莉龙【期刊名称】《油气与新能源》【年(卷),期】2024(36)1【摘要】碳中和背景下,氨-氢混合无碳燃料备受关注,但合成氨与氨分解制氢过程也存在着氨-氢混合燃爆的风险。
目前对氨-氢燃烧爆炸详细机理的研究不够充分,传统的详细机理十分复杂,计算耗时过长。
为了研究高压下氨-氢混合气体的燃烧爆炸特性,使用零维均质模型(即不考虑空间分布且物理和化学性质均为均匀的简化模型),采用带有误差传播的有向关系图(DRGEP)法简化现有的氨-氢燃烧爆炸详细机理,再通过敏感性分析得到基元反应较少的氨-氢燃烧爆炸简化机理。
将简化机理与计算流体动力学(CFD)模型耦合,开展管道内氨-氢燃烧数值模拟。
结果表明,简化机理在验证层流火焰速度和点火延迟时间等方面表现出良好的性能。
在爆破压力为59.61 atm和69.97 atm下,平均激波速度的相对误差低于1.4%,精度较高;且与简化机理耦合的CFD模型节约了计算资源。
研究成果有助于推动氨-氢燃烧CFD模拟技术的发展,可为氨-氢混合无碳燃料的燃烧过程及爆炸防控提供理论指导。
【总页数】10页(P72-81)【作者】滕霖;单志伟;李西贵;李卫东;罗宇;江莉龙【作者单位】福州大学化工学院【正文语种】中文【中图分类】O355【相关文献】1.碳氢燃料燃烧化学反应动力学模型研究进展2.利用定容燃烧弹研究天然气掺氢混合燃料直喷燃烧循环变动3.氨-丙烷混合燃料降碳燃烧的排放特性4.N2O—C2烃类燃料推进剂燃烧化学反应机理与动力学分析5.掺氢对甲烷–乙烯混合燃料燃烧碳烟生成影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究
火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究刘庆宗;董维中;丁明松;江涛;高铁锁【摘要】针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析.研究结果表明:1)对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2)热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3)气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2018(036)004【总页数】9页(P642-650)【关键词】火星探测器;高温气体;非平衡效应;气动特性;数值模拟【作者】刘庆宗;董维中;丁明松;江涛;高铁锁【作者单位】中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳 621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳 621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳 621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳 621000【正文语种】中文【中图分类】V411.3;O354.70 引言火星是地球轨道外第一近邻，各项自然条件与地球较为接近，是行星探测的首选目标。
早在20世纪60年代初，前苏联和美国就逐步开始了火星探测活动。
前苏联的火星探测任务大多失败了，美国也只有7次成功着陆火星[1-2]，火星探测充满了困难和挑战。
低热值气体燃料燃烧室数值模拟与试验研究
低热值气体燃料燃烧室数值模拟与试验研究何敏;杨灵;冯大强;屈成泽【摘要】以某型航空发动机燃烧室为研究对象,对低热值燃料燃烧室进行了数值模拟和试验研究.采用RNG k-ε模型、小火焰紊流燃烧模型和P-1辐射模型,预估了紊流特性、化学反应速率和辐射通量;应用SIMPLE算法,对离散方程进行求解.计算结果与试验数据比较表明二者基本吻合,这说明计算方法合理,可用来估算低热值燃料燃烧室的燃烧性能.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2010(036)003【总页数】4页(P39-41,44)【关键词】低热值燃料;燃烧室;数值模拟;航空发动机;试验【作者】何敏;杨灵;冯大强;屈成泽【作者单位】中国燃气涡轮研究院,四川,江油,621703;中国燃气涡轮研究院,四川,江油,621703;中国燃气涡轮研究院,四川,江油,621703;中国燃气涡轮研究院,四川,江油,621703【正文语种】中文1 引言世界能源格局不断变化，天然气价格不断上涨，与此同时，焦化、煤炭等企业附带产出了大量焦炉煤气、煤层气等一些中、低热值可燃气体。
为了安全起见,对低热值燃料大多采取放空和点燃排放的办法，这不仅仍然给环境造成极大污染，也造成能源的巨大浪费。
因此，开发以中、低热值气体为燃料的燃气轮机必将产生巨大的社会效益和经济效益，所以越来越受到广泛的重视[1-3]。
气体燃料的来源和产地不同，其热值也就不同，一般称小于7536.24 kJ/m3为低热值，1800～15072.48 kJ/m3为中热值，而大于15072.48 kJ/m3为高热值[4]。
黄磷尾气是黄磷在生产过程中排放的尾气，主要成分为CO，约占90%左右，其余为水蒸气、粉尘、硫化氢（H 2 S）、磷（P）等组分。
在燃机实际运行中，黄磷尾气经除尘、干燥、净化等工艺处理，最终进入燃烧室燃烧的基本上为纯的CO，其热值约为10000 kJ/kg，属低热值燃料。
本文对某型发动机低热值燃料燃烧室进行了数值模拟和试验研究，所采用的燃料为纯CO气体[5]。
高热值生物质燃气气化炉的数值模拟
高热值生物质燃气气化炉的数值模拟朱茂葵;卿德藩;陈爱瑞;米冰洁;罗阳成【摘要】研究了以干木质颗粒作为燃料,以空气—水蒸气作为气化剂的户用高热值燃气生物质气化炉,利用Fluent14.0模拟了水蒸气入口距离气化炉内炉栅位置高度h、空气入口流量V0与水蒸气入口流量Vs这三个参数对CO、H2和CH4的体积浓度和燃气热值影响,并采用实验验证数值模拟的结果.研究的结果表明：若水蒸气入口位置高度h=195 mm,水蒸气入口流量Vs=1.41 m3/h时,空气入口流量V0=0.86 m3/h,生物质燃气燃烧热值最大为Q=9.95 MJ/m3,相比单一空气气化剂作用下提高了98.21%.%In this research,with woody particles as fuel and air-steam as gasification agent, the high heating value gas biomass gasifier uses numerical value of software Fluent 14 . 0 to simulate the impact of the three parameters,the position height ‘h’ from the entrance of steam to the gasifier grate,the air inlet flow V0 and the steam inlet flow Vs ,on CO,H2 and CH4 volume concentration and gas calorific value and use experiment to verify the result of numerical simulation. The results of research show that when the position height‘h’ is 195 mm,the steam inlet flow Vs is 1. 41 m3/h and air inlet flow V0 is 0. 86 m3/h,the combus-tion of biomass gas calorific value arrives its top,the value is Q=9. 95MJ/m3,which is 98. 21% higher than when single gas agent is used.【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】6页(P71-76)【关键词】高热值;生物质;气化炉;数值模拟【作者】朱茂葵;卿德藩;陈爱瑞;米冰洁;罗阳成【作者单位】南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001;南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001;南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001;南华大学城市建设学院，湖南衡阳421001;南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001【正文语种】中文【中图分类】TK229.8key words：higher heating value;biomass;gasifier;numerical simulation随着社会经济的快速发展，人类社会的经济发展对化石能源的依赖程度日益加深，从而导致化石能源的消耗日益加剧[1].上世纪70～80年代，全世界范围内发生了煤炭和石油等能源短缺危机，再次唤起了人们对生物质气化技术的研发[2].因此，生物质气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术得到了快速发展[3-4].目前国内外开发的生物质气化炉以供热、发电和合成液体为主，如美国Range Fuels和Pearson的气流床气化炉，德国CHOREN的气流床气化炉等；山东能源研究所的下吸式XFL气化炉、辽宁市能源所的下吸式固定床气化炉等[5].由于目前户用生物质气化炉大多以空气作为气化剂来制作生物质燃气，但是空气含有大量的N2而使生物质燃气的燃烧热值降低.因此，提高燃气热值成了目前研究的重点.本文研究的户用高热值燃气生物质气化炉采用空气—水蒸气作为气化剂对提高生物质燃气热值进行了数值模拟研究.使用水蒸气—空气作为气化剂来提高燃气热值低的问题，是由于水蒸气—空气气化剂中O2、水蒸气与生物燃料C成分进行氧化反应，生成了可燃气体成分为H 2、CO和CH4等，从而提高了燃气的燃烧热值.因此，使用水蒸气—空气作为气化剂要优于单一空气气化剂.气化炉主要由水蒸气供给系统、供风系统、换热系统、炉盖等组成，其结构形式如图1所示.主要研究了水蒸气入口位置高度h、水蒸气入口流量Vs和空气入口流量V0对燃气组分CO、H2和CH4燃烧热值的影响.气化炉进行气化反应计算截面图如图2所示，设定炉栅位置距离炉盖内侧总高度H为750 mm，炉膛内横截面为边长L=250 mm的正方形.因为生物质气化炉内的燃烧气化反应存在很多的化学物理变化，为了便于对气化炉进行数值模拟研究，因此对气化反应过程进行的简化和假设如下[6-8]：1)假设在燃料进行气化反应的气体均为理想气体；2)假设燃料中的C完全转化，而H、N、O则完全转化为气体；3)假设燃料颗粒的体形均相同，成分不参与气化反应；4)当气化炉处于稳定工况时，气化反应的参数均假设为常数.基于以上假设，气化反应遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒以及组分转换和平衡等基本规律.因此可用基本守恒方程来进行相应的数学描述和分析，选用变量Φ将方程组表示为以下通用形式：(ρφ)+div(ρuφ)=div(Γφgradφ)+Sφ(式中，通用变量φ表示湍流场中各变量瞬时值，如速度分量ui，温度T，组分浓度Ym等；Γφ为输运系数，Γφ=με/σφ，其中σφ为湍流Prandtl数或Schmidt数，其值由实验确定，可看成常数.με为湍流粘性系数，με=μ+μΤ=(v+vΤ)ρ，其中νΤ或μΤ称为涡流粘性或涡流系数，Sφ为各方程源项.通用方程中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项 [7-10].2.1 网格划分为了对数值模拟进行等效简化并减少数值模拟的计算量，将气化炉的三维模型等效简化为二维模型，接着对该二维模型计算区域划分结构化网格，划分好的结构网格如图3所示.2.2 边界条件的设置对气化炉数值模拟设定初始条件和边界条件如下：气化炉初始温度350 K，炉内装有5 kg生物质燃料；气化反应温度的范围为750～1 350 ℃；设置空气入口和水蒸气入口为速度入口条件，空气入口流速均匀分布且常温，其范围是0.002 1～0.056 7 m/s，水力直径为0.3 m；水蒸气温度为375 K，水蒸气入口速度范围0～1.26 m/s，流速均匀分布，水力直径为0.01 m；燃气出口使用压力出口，其水力直径为0.05 m.其中，水力直径及湍流强度的计算公式[11]如下：DH=4·I=0.16式中，DH为水力直径，A和S分别为流体通道进出口各自的截面面积与周长；I为湍流强度，Re是根据水力直径为特征长度求得的雷诺数.对模型的求解控制参数进行设定：采用FVM对计算区域作基本守恒微分方程进行离散化处理，使用Simple算法处理压力和速度的耦合问题，为了提高数值模拟计算的精度和结果的稳定性，能量方程和动量方程则采用二阶迎风格式；使用加热入口质量流量作为提供点火源来启动燃烧，并采用EDC输运模型来考虑湍流—化学反应相互作用.2.3 数值模拟结果2.3.1 水蒸气入口高度h对燃气燃烧热值的影响在气化炉运作情况相同的条件下研究h对燃气组分的体积分数及燃烧热值的影响，取水蒸气气化剂流量为1.80 m3/h，空气气化剂流量为0.66 m3/h，并在气化反应稳定时，对3种不同水蒸气入口位置高度h进行了数值模拟研究，得到3种不同水蒸气入口高度h1=165 mm，h2=195 mm，h3=225 mm的数值模拟的温度分布云图分别如图4至图6所示.从图4至图6所示的3种不同h的温度场分布可得：在气化反应的时间和物质的量均相同的条件下，气化炉内生物质燃气组分的体积浓度是由气化炉内气化反应的还原区的大小所决定的，即还原区面积越大则燃气体积浓度越大，反之越少.从图5所示，当水蒸气入口位置高度h2=195 mm时，炉内气化反应的区域在炉膛壁面处且红色高温燃烧区面积最大，这样能更好地为水蒸气的产生提供所需的热量，而且红色高温燃烧区面积明显大于比h1和h3两种情况的面积.即可说明当h2=195 mm时气化反应所生成的燃气组分体积浓度最高，由此计算得到的生物质燃气燃烧热值最高.2.3.2 两种气化剂流量对燃气燃烧热值的影响对三种水蒸气气化剂入口位置的不同高度(h1、h2和h3)进行数值模拟研究，每一组水蒸气入口流量Vs与空气入口流量V0均是一对固定值.为了比较不同的水蒸气入口位置高度的水蒸气入口流量Vs与空气入口流量V0对燃气体积浓度以及燃烧热值的影响，根据增加水蒸气流量，则减少空气流量的原则，建立并对Vs与V0的12组定值进行数值模拟，12组定值表如表1.气化炉气化反应的空气入口流量在单位时间内的最大值为1.85 m3/h，水蒸气入口流量的最大值为2.81 m3/h，且所需的空气流量最小值为0.05 m3/h；得到数值模拟的结果如图7至图9.根据燃气热值计算公式：QDW=∑riQDW,i由图7至图10的模拟曲线图可以得到：当水蒸气气化剂入口位置高度h2=195 mm，水蒸气流量Vs=1.41 m3/h和空气流量V0=0.86 m3/h时，气化反应生成的燃气组分中CO、H2和CH4的体积浓度最大且燃烧热值最大.前文采用软件进行了数值模拟并得到了数值模拟结果，为验证其数值模拟结果，则使用实验研究方法对前面的参数进行实验验证.进行实验装置简图如图11所示.根据水蒸气入口位置高度h、空气气化剂流量V0与水蒸气流量Vs三个参数的正交试验设计得到的正交表，使用正交实验所设计的正交表组合该三个参数得到如表2的9种工况，并对这9种工况的燃气热值模拟结果与相应的实验测试结果进行比较，其比较结果如表3.从表3可得，九种工况下实验测试的燃气热值结果均小于数值模拟结果，实验值与模拟值相对误差都在15%以下，属于相对误差允许范围，则可说明实验测试结果与数值模拟结果基本符合，从而验证了数值模拟结果的正确性，同时也说明了数值模拟方法的可行性.由表2和表3得到的试验序号4为最优参数组：h=195 mm、V0=0.86 m3/h、Vs=1.41 m3/h.为了研究在最优参数组下气化反应生成的生物质燃气热值提高程度，选取该最优参数组合与只有单一空气气化剂且V0=1.18 m3/h时生物质燃气的燃烧热值进行比较，其比较结果如表4.由表4可得：最优参数组合的燃气热值比单一空气气化剂作用下提高了98.21%.因此，数值模拟结果达到了提高生物质燃气燃烧热值的要求，而实验测试结果达到了验证数值模拟结果正确性的要求.由此可得，生物质燃气热值有：Q优化参数>Q单一空气气化剂.1)由数值模拟结果与实验测试结果分析，当水蒸气气化剂入口位置高度h2=195 mm，水蒸气流量Vs=1.41 m3/h和空气流量V0=0.86 m3/h时，气化炉气化反应生成的生物质燃气组分CO、H2和CH4的体积浓度最大且燃气燃烧热值最高.2)气化炉较优参数组合的燃气燃烧热值比单一空气气化剂作用下提高了98.21%.此外，生物质燃气热值有：Q优化参数>Q单一空气气化剂.[1] 倪维斗.我国的能源问题与对策[J].宁波大学学报(人文科学版),2009,22(1):5-8.[2] 赵全云.利用生物质燃料的气化加热设备设计与分析研究[D].太原市:太原理工大学,2011.[3] 张齐生,马中青,周建斌.生物质气化技术的再认识[J].南京林业大学学报，2013,37(1):1-10.[4] 张丽萍.生物质能利用技术的发展概况[J].山东化工,2013,42(4):54-62.[5] 邓先伦,高一苇,许玉,等.生物质气化与设备的研究进展[J].生物质化学工程,2007,41(6):37-41.[6] 蒋建春,应浩,戴伟娣,等.锥形流化床生物质气化技术和工程[J].农业工程学报,2006,22(1):211-216.[7] 刘作龙,孙培勤,孙绍晖,等.生物质气化技术和气化炉研究进展[J].河南化工,2011,28(1):21-25.[8] 刘作龙.在不同气化剂条件下生物质气化模拟研究[D].郑州:郑州大学,2011.[9] Hyvarianen A,Oja E.Independent component analysis:algorithms and application[J].Neural Networks,2000,13(4/5):411-430.[10] Cardoso J F.Sources separation using higher ordermoments[C]//Glasgow.International Conference on Acoustic Speech and Signal Processing(ICASSP’1989).New York:Institute of Electrical and Electronics Engineers,1989:2109-2112.[11] 沈丽.户用生物质气化炉燃烧模拟及实验研究[D].长春:吉林大学,2011.[12] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004:114-158.[13] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001:47-48.。
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到不同空气预热温度下温度场 、流场 、组 分分布特性及 变化规律 。针对模 拟结果 ，从 自由基 基元反应 动力学理论 出发 ，采用详细 的化学反应模 型 ，结 合 Ｋｎｅｕ 化学计算 软件进行煤 气 ｉｔ ｓ ｃ
高 温 低 氧 燃烧 的数 值 模 拟 ，得 出火 焰 温 度 、各 种 自由 基 浓 度 、Ｎ 浓 度 等 变 化 规 律 。结 合 两 Ｏ 方 面 分 析 结 果 找 出 变化 规 律 ，为 实 际燃 烧 中污 染 物 的 有 效 控制 提 供 理 论 依 据 。 关键 词 高 温 低 氧燃 烧 基 元 反 应 动 力学 数 值 模 拟
Ｌｅｔ ｎｃＳｓ ｍｓ ｏ ，Ｌｄ ） Ｕ ｉ ｄＡ ｔ ｏｉ ｌ ｒ ｉ ｙｔ ． ｔ． ｅ ｏ ｖ ｃｏ ｅ Ｃ
Ｇａ ｉ ｅ ｇ ｏ Ｔａｍ ｎ
（ ｏｔｅｓ ｒ Ｕ ｉ ｒｉ ） Ｎ ｒ ａｔ ｎ ｎ ｅｓｙ ｈ ｅ ｖ ｔ
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Ｖｏ ＿ ７ Ｎｏ ５ ｌ２ ． Ｓ ｐ． ０ ｅ ｔ ２ ０８
ＥＮＥＲＣＹ Ｆ０Ｒ ＭＥＴＡＬＬ ＵＲＧＩ ＣＡＬ Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＹ
基 于 基 元反 应 动 力 学观 点 的 Ｃ ／ ２ Ｎ Ｏ Ｈ ／ ２燃 气
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｍ ｒ ｃ ｌｓｍｕｌ ｔｏ ｆｈｉ ｈ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｏ ｙ ｅ ｏ ｂ ｓ ｏ ａ ｉ ｎ ｏ ｇ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｌ ｗ ｘ ｇ ｎ ｃ ｍ ｕ ｔ ｎ ｉ
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高温 低 氧燃 烧 的数值 模 拟
张 先珍 栗 工 战 洪仁 寇 丽 萍 王 立鹏 高泰 荫
（ ．沈 阳化工 学院 ，２ １ ．联合汽 车电子有 限公 司 ，３ ．东北 大学 ）
摘 要 应用 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ软 件 ，采 用 ｋ— ｓ模 型 对 Ｃ ／ Ｎ Ｏ Ｈ ／ 的 湍 流 高 温 低 氧 燃 烧 进 行 模 拟 ，得
高温低 氧 燃 烧 ， 即高 温 空 气 燃烧 （ ｉ ｅ — Ｈｇ Ｔ ｒ ｈ ｎ
ｐｒｔｒ ｉ Ｃ ｍ ｕｔ ｎ Ｔ Ｃ） 是 利 用 高 温 预 ｅａ ｅＡｒ ｏ ｂ ｓ ｏ ，Ｈ Ａ ， ｕ ｉ
排放 ， 被称 为是“ ｌ世纪关 键技术 之 一” ｌ。 ２ ＿ Ｊ 由于使 用详细反 应模 型 的湍流燃 烧模拟 十分 困难 ，对于 高温低 氧燃烧反 应 ，往往 简化 为一步
。
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