热伴流下气体燃料MILD燃烧的基础研究

The MILD combustion is a new type of combustion technology, developed in past two decades, and occurs in the moderate or intense low-oxygen diluted enironment. Compared with the traditional combustion, its reaction zone increases dramatically where temperature distribution is uniform and no visible high-temperature flame front exists. In some applications, this combustion can obtain its thermal efficiency by 30% higher, and NOx emissions by 70% less, than does the tradional counterpart. Hence it has been considered as one of the most promising combustion technologies of the 21th centrary. This project is to deal with those basic problems of the MILD combustion which have not been understood. An open flame rig will be used that produces a turbulent fuel jet flame in a hot coflow (JHC) whose temperature, oxygen level and velocity can be easily controlled. By theoretical analysis, experimental measurements and numerical simulations, the project is aimed at (1) clarifying the effects of concentrations, temperatures and mixing extent of reactants on the occurrence and evolution of MILD combustion; (2) quantitatively examining how the coflow conditions influence the MILD combustion; (3) finding out the difference of Oxy-fuel and air-fuel MILD combustions; (4) clarifying chemical reaction details of the MILD combustion of methane and its mixture with hydrogen, proposing a simplified global chemistry model for practical uses in industries; (5) producing more than 10 quality papers to report our results of investigation at international first-class journals in the energy and combustion sicence field.

MILD燃烧是20多年来发展的一种中度或极度低氧稀释的温和燃烧模式。与传统燃烧相比，其反应区域大大增加、温度均匀、无火焰锋面存在；热利用效率可提高30%和NOx排放可降70%以上。国际燃烧界将它视为21世纪最具发展前途的新型清洁高效燃烧技术之一。但迄今该燃烧仍缺乏基础研究，导致工业应用难以推广。为填补此空缺，本项目将以高温伴流射流燃烧为对象，通过理论分析、实验测试和数值模拟等手段，深入研究气体燃料的预混与非预混MILD燃烧的机理。具体目标为：(1)弄清反应物浓度、温度及其混合程度等因素对该燃烧发生与发展的影响；(2)定量总结伴流热物理参数对该燃烧的影响；(3)弄清MILD氧燃烧与普通MILD燃烧之间的差异；（4）弄清甲烷及其与氢的混合物在MILD燃烧发生时的化学反应机制，提出适用于实际工业计算的总包化学反应模型；（5）在国际一流杂志上发表10篇以上论文报道研究成果。

MILD 燃烧是过去20多年发展的中度或极度低氧稀释条件下的一种燃烧技术。与传统燃烧相比，其反应区域大大增加、温度均匀、无火焰锋面存在；在某些条件下，热利用效率可提高近30%和NOx排放可降低70%以上。国际燃烧界将它视为21世纪最具发展前途的新型清洁高效燃烧技术之一。然而，该燃烧缺乏基础研究，背后的物理和化学本质还未被很好弄清。本项目的研究填补一些缺陷。主要以气体燃料射流在（开放式和封闭式）高温热伴流下的燃烧为对象，通过理论分析、实验测试和数值模拟等手段，深入研究了MILD燃烧分别在预混与非预混条件下的燃烧特性。主要内容包括：(1)考察反应物浓度、温度及其混合程度等因素对该燃烧发生与发展的影响；(2)考察伴流的组成成分、热物理参数对MILD燃烧的影响；（3）研究甲烷及其与氢的混合物在MILD燃烧发生时的化学反应机制。..研究获得的重要结果包括：（1）率先发现，在任何氧浓度的环境流下气体燃料都能实现MILD燃烧，只要环境流的温度足够高，从而改变了只有在低氧稀释条件下才能实现MILD燃烧的旧观念；（2）发现MILD燃烧下甲烷氧化过程中低碳反应路径所占的权重加大，使燃烧的整体化学反应速率与中间产物的生成速率受到了极大的抑制；(3)弄清了甲烷-O2/CO2燃烧、甲烷-O2/H2O燃烧和甲烷-O2/N2燃烧之间的异同；（4）发现MILD燃烧使N2O中间型路径对NO的生成最重要，在生成的NO中占高达60-90%，而传统燃烧发生时，热力型路径对NO生成贡献最大；（5）发展了一种不受燃料种类和反应物浓度等因素限制的能预测燃料自燃和强迫着火温度的RANS计算方法。..研究成果以15篇SCI论文发表在 Combust Flame，Energy 和 Energy Fuels 等国际杂志上和3篇EI论文发表在国内期刊杂志上，外加国内、国际会议上9篇报告；除此之外，基金支持的项目也产生了3个发明专利和2个实用新型专利。