宽压力范围合成气预混火焰的燃烧和污染物生成特性

结合CO2捕捉的IGCC技术被认为是最有潜力的近零排放先进发电技术，而实现煤气化合成气在燃气轮机中的高效低污染燃烧是其中一个重要环节。合成气具有组分多元、含氢量高、热值较低、H2/CO比变化大等特点，燃烧和污染物生成特性与常规气体燃料有很大的不同，迫切需要开展适用于IGCC宽压力范围的基础研究。本项目利用对冲火焰方法和定容弹方法的各自优点，全面系统地研究合成气预混火焰的燃烧和污染物生成特性，测定宽压力范围下合成气预混火焰的层流传播速度、吹熄极限和污染物生成浓度等，特别地，使用微重力国家实验室的落塔消除浮力作用准确地测量微弱合成气火焰的传播速度、熄灭浓度、可燃极限和燃烧非稳定性；另一方面通过详细的数值模拟和灵敏性分析研究合成气在宽压力范围的燃烧和污染物生成的化学动力学和控制机理。研究成果可以丰富燃烧学理论，并为合成气燃烧设备的优化设计和运行提供一定的理论指导。

采用实验和数值模拟相结合的方法研究煤气化合成气的基本燃烧特性。在实验方面，搭建了加压对冲火焰实验系统，系统地研究宽压力范围内合成气预混火焰的燃烧和污染物生成特性，同时使用微重力国家实验室的落塔来消除浮力作用，以准确地测量微弱合成气的熄灭浓度和可燃极限。在计算方面，使用详细化学反应机理和分子扩散模型，通过敏感性分析和路径分析的方法研究合成气预混火焰传播和熄灭现象的控制机制。. 实验和模拟都表明火焰传播速度和质量燃料速率随燃烧中H2份额的变化呈现出非线性的变化趋势。当H2份额较少时（≤15 %），质量燃烧速率随着H2份额迅速增加；当H2份额较大时（>15 %），增加的速度明显放缓，并且几乎呈线性。分析表明当H2份额较少时，含氢组分充当了CO火焰的催化剂；而当H2份额较大时，H2/O2化学动力学主导燃烧过程。基于渐近分析方法，提出了适用于H2/CO/空气贫燃层流预混火焰的火焰传播速度混合模型。经过校核，模型预测结果在较宽当量比范围、H2份额、来流温度条件下都与实验结果符合较好。在较宽压力范围内，混合模型预测结果与详细数值模拟结果也符合较好。. 实验发现，H2/CO/空气贫燃层流预混火焰的熄灭极限随着燃料中H2份额的增加而增加，随着当量比的增加而增加。从化学动力学的角度出发引入了熄灭因子来描述熄灭现象的临界条件，并发现火焰是否熄灭取决于由链分支反应和终止反应的竞争关系。微重力研究表明小拉伸下合成气预混火焰的熄灭现象对质量扩散比化学动力学更敏感。H2和H的优势扩散对熄灭极限起相反作用。. 实验证明，合成气的贫燃可燃极限随着未燃气体的温度线性降低。整体上“L-C”公式对合成气的贫燃可燃极限的预测较为准确，但是当燃料中H2和稀释气体的体积分数较大时，“L-C”公式的预测值会出现较大的偏差。. 发现稀释剂显著降低合成气/空气贫燃预混火焰的传播速度和熄灭极限。CO2比N2的稀释作用更强。在降低火焰传播速度和熄灭极限方面，稀释剂的热力学效应起到主导作用，CO2稀释的化学效应起到了次要作用，N2稀释的化学效应和稀释剂的扩散效应可以忽略。. 研究成果可以丰富燃烧学理论，并为合成气燃烧设备的优化设计和运行提供一定的理论指导意义。