| 基于详细化学反应简化机理的燃烧污染物生成数值模拟与实验验证 |
| 英文题名 | Numerical Simulation of Combustion Pollutant Formation Based on Reduced Mechanism of Detailed Chemical Reactions and Experimental Validation
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| 郭啸峰
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| 导师 | 魏小林
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| 2014
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 流体力学
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| 摘要 | 燃料的进一步高效清洁利用需要对燃烧过程拥有更精细的认识，掌握燃烧反应及污染物生成的机理，寻找发挥关键作用的因素，对反应过程进行强化或者抑制，实现进一步节能减排的目标。以往通过实验和简单的基于化学平衡或通观模型的数值模拟进行研究的方法，在深入探索燃烧规律的过程中显得日趋乏力。详细化学反应机理深入化学反应本质，描述自由基间的相互作用，为精细化研究提供了有力工具。然而，由于耦合计算时过大的计算消耗，一般无法直接应用于化学流体力学的数值模拟中。 本课题针对以上现状，首先通过程序编写和整合完成了机理简化自动生成程序，开发了简化机理与Chemkin和CFD程序的接口，实现了详细化学反应机理简化、验证及其耦合CFD程序的功能。在此基础上，本研究确立了采用基于详细化学反应机理的简化机理进行精细化数值模拟的方法，以及基于完整的详细化学反应机理进行化学反应路径分析的精细化反应分析手段，作为本研究在数值和分析方面的主要研究方法，并结合实验，对如下燃烧过程中的具体问题进行了探索。 （1）研究微量HCl对CO燃烧的影响规律。结果表明，氧气过量条件下，微量HCl对CO的燃烧有明显的抑制作用，该抑制作用随HCl浓度的增加而增强，随温度的升高而减弱；化学当量及富燃料条件下，HCl的抑制作用并不明显。HCl对CO燃烧抑制作用的主要区域为反应后期、燃烧未强烈反应的非火焰区域，在燃烧集中发生的火焰区域，高温对OH生成的促进作用更强，使HCl在此区域的作用不明显。HCl抑制CO燃烧主要通过抑制OH活性自由基的生成体现，主要反应为OH+HCl→Cl+H2O和OH+ClO→Cl+HO2。 （2）探索微量碱金属添加物对NH3选择性非催化还原NO的影响。结果表明，碱金属添加物没有改变温度、氧气浓度和氨氮比对SNCR的影响规律，但使“温度窗口”向低温方向扩展50~100 K，并在较大温度范围内增加脱氮效率，其效果与碱金属添加物的种类几乎无关，但是Na添加物的效果好于K添加物。碱金属K和Na的原子在高于一定的浓度后对脱氮效率的促进程度几乎没有影响。Na在低温区域促进脱氮的原因是促进NH2和OH自由基的生成，其主要反应为NaOH+O2→NaO2+OH、NaOH+M→Na+OH+M和NaO+H2O→NaOH+OH。相同形式的含K反应由于较高的活化能和较低的温度指数，反应速率较低，对NH2和OH生成的促进作用有限，这是其在低温下促进作用低于钠盐的原因。 （3）研究煤与生物质混燃过程中NOx和SOx污染物的排放特性。结果表明，氮硫含量较低的生物质燃料能够有效降低污染物的生成，主要是因为其与煤相比，能够有效减少燃料氮和燃料硫的来源；同时挥发分含量通常较高，有利于在燃烧初期形成贫氧气氛，减少燃料氮和燃料硫的氧化。煤与生物质单一燃烧及混燃过程中NO的生成均受温度影响显著，低温燃烧能够明显减少NO的生成；然而，温度对SO2的最终排放浓度几乎没有影响，高温只是略微加速了SO2的释放过程。氮硫含量低、挥发份含量高、发热量高的生物质是减少NO和SO2排放的理想混合燃料，生物质混合率越高，污染物排放浓度减少得越显著。 （4）发展包含C/H/O/N/S/Cl/K/Na元素的简化反应机理。结果表明，该简化机理在温度T=1373-1773 K和过量空气系数α=0.8~1.2的范围内与详细机理的计算结果基本相符，误差满足工程计算的要求，并大幅节约了计算时间，能够在考虑燃料燃烧、NOx和SOx的生成外，同时考虑Cl元素对燃烧过程的影响，以及碱金属元素K和Na对还原NO的作用规律，并为碱金属在迁移和转化过程中影响换热面的结焦和腐蚀提供气相参考数据，可作为煤粉和生物质燃烧CFD数值模拟中气相化学反应机理，从而对锅炉燃烧过程进行更深入研究。 |
| 索取号 | 31129
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48973
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| 专题 | 高温气体动力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
郭啸峰. 基于详细化学反应简化机理的燃烧污染物生成数值模拟与实验验证[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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