重油O2/CO2扩散火焰的燃烧特性及NOx生成机理研究

随着CO2的捕集、封存和利用研究的不断深入，利用CO2驱油日益受到重视，同时以蒸汽驱油为目的的重油注汽锅炉也被广泛使用。基于此背景，提出O2/CO2燃烧方式应用于重油注汽锅炉富集CO2的新方法，在实现有效驱油的同时封存CO2。本项目拟通过引入混合数和流场混合均匀度来研究重油富氧扩散火焰燃烧稳定性；在建立的重油雾化燃烧综合实验系统上对重油O2/CO2扩散火焰的燃烧特性进行研究，揭示重油在O2/CO2气氛下的着火过程、火焰形成过程以及燃尽过程；采用反应器网络分析法研究包含燃烧反应的NOx生成机理，探索O2/CO2燃烧方式下氧化剂的旋流数和O2浓度对NOx生成的贡献程度。通过本研究，阐明重油O2/CO2扩散火焰稳定燃烧的条件及提出重油燃烧过程中NOx生成排放高效低成本的控制方法，完善重油富氧燃烧理论，研究成果为实现高效低污染的重油富氧燃烧的工业应用提供指导。

本项目提出O2/CO2燃烧方式应用于重油注汽锅炉富集CO2的新方法，基于热重试验台探讨重油在各种气氛下热重特性及动力特性分析，深入研究了不同条件对重油O2/CO2燃烧扩散火焰稳定性的影响，且采用数值模拟和试验相结合的手段，揭示了重油在O2/CO2方式下扩散火焰的燃烧特性及污染物排放情况。. 热重试验台开展了重油O2/CO2燃烧特性及动力学参数的研究，讨论了升温速率、氧浓度及惰性组分对燃烧的影响，重油热分析失重过程分为四个阶段：小分子挥发阶段、中小分子低温氧化阶段、大分子氧化热解阶段及剧烈氧化燃烧阶段。升温速率增加使得氧化燃烧阶段失重峰值降低，而热流峰值增大。低温区，氧浓度对重油燃烧特性影响并不明显；高温区，氧浓度升高后燃烧过程缩短，DTG及DSC峰值增大。动力学分析表明，快速氧化阶段活化能高于慢速氧化阶段，且活化能随氧浓度升高而降低。单个扫描速率分析结果与多重扫描速率分析结果在低温区域相差较大，高温区域相差不大。. 搭建了重油O2/CO2燃烧试验系统，采用工业应用广泛的调制重油为研究对象，优化雾化喷嘴。基于试验台的参数以CFD软件为计算平台，分别对O2/N2气氛和O2/CO2气氛下的燃烧情况进行了数值模拟计算, 结果显示在富氧燃烧方式下，由于CO2具有较大的比热，炉内整体温度水平小于空气气氛，但随着氧浓度的增加炉内整体温度水平提高，燃烧得到强化。辐射换热量由于高的CO2浓度而高于空气气氛下，并随着氧浓度的增加而变大，而对流换热随着氧浓度的增加而减小。当炉膛加长后氧浓度在25%-32%时，换热量更接近于空气工况，实际运行中要综合考虑受热面的温度区域，选择合适的O2/CO2配比率。. 燃烧试验研究了O2/CO2气氛下氧浓度及惰性组分对火焰传播、温度场及污染物排放特性的影响，并与O2/N2气氛燃烧进行了对比分析。低氧浓度时，无法实现稳定燃烧，随氧浓度升高，火焰稳定性增强，更加明亮，温度梯度增大。与O2/N2气氛燃烧的对比表明，相同氧浓度下O2/CO2气氛燃烧的温度水平较低，火焰传播速度较低，且火焰形态随氧浓度的升高变化不明显。O2/N2气氛燃烧生成的NO量明显大于O2/CO2气氛燃烧，且随温度升高呈指数增长，CO与SO2浓度维持在较低水平。重油O2/CO2燃烧在氧浓度为31%-33%时可实现与空气燃烧近似温度。