高温O2/H2O/CO2伴流中气体碳氢燃料非预混射流火焰燃烧特性研究

The latest high temperature O2/CO2 combustion technology which combines the advantages of regenerative combustion and oxy-fuel combustion technologies shows great potential and demand in energy saving and CO2 emission decreasing. However, both CO2 and H2O are products of the hydrocarbon-fueled flame, and have significant impacts on the flame through the influence on diffusion, heat transfer and chemical kinetics under the high temperature condition, since their physical and chemical properties are totally different from those of the inert gas, N2. The combustion characteristics of hydrocarbon-fueled non-premixed jet-flames in hot O2/H2O/CO2 coflow will be investigated in the present study, and two typical gaseous hydrocarbon fuels, CH4 and C3H8 are selected for the study. The effects of fuel, fuel-injection, the oxidizer components and temperature on the flame height, flame temperature and blow-off limit will be investigated experimentally. The OH-PLIF and PIV methods will be utilized in the measuring of the flame structure and analysis. A numerical computation method using detailed kinetic model will be established, and detailed information on flow filed, specie distributions and reaction rates will be obtained. The effects of CO2, H2O and H2O/CO2 on the flame structure and combustion characteristics of the non-premixed jet-flames will be clarified based on the comparisons with the air-flames. The knowledge on the essential characteristics of the non-premixed jet-flames in hot O2/H2O/CO2 coflow will be captured, and will make significant contributions in the development of next generation high temperature O2/CO2 combustion technology.

集成了蓄热燃烧和富氧燃烧优势的高温O2/CO2燃烧新技术在节能及减少碳排放方面具有很大潜力和需求空间。然而，由于CO2和H2O都是碳氢燃料燃烧生成物，在高温环境中，CO2及H2O不同于惰性气体N2的物化特性，将会从扩散、传热及化学反应等方面对火焰造成影响。本项目拟对典型碳氢燃料CH4和C3H8在高温O2/H2O/CO2伴流中的非预混射流火焰燃烧特性进行研究。考察燃料及流动特性、氧化剂组分及温度对火焰高度、温度、吹熄极限等重要特征的影响，在此基础上，采用OH-PLIF及PIV方法分析火焰结构和自由基行为，并通过考虑详细化学反应机理的数值计算获得火焰内部流场、组分及反应速率等重要信息。通过与空气氛围中火焰的对比，揭示CO2及H2O在不同温度及流动下对非预混火焰燃烧特性和动力学机理的影响，揭示高温O2/H2O/CO2伴流中射流火焰本质特性，为发展高温O2/CO2燃烧新技术提供实验数据和理论指导。

对采用O2/CO2、O2/H2O/CO2及O2/H2O为氧化剂条件下非预混火焰燃烧特性展开了一系列研究。首先，通过考虑详细化学反应机理的一维对冲火焰数值计算研究了采用O2/CO2、O2/H2O/CO2及O2/H2O氧化剂条件下，不同氧化剂温度时非预混火焰的最高火焰温度随拉伸率的变化及不同燃料浓度时的拉伸熄灭极限。依托理论分析和数值计算结果建立了非预混火焰拉伸熄灭极限的定量分析方法，阐明了CO2和H2O对层流非预混火焰的影响机制。其次，建立了考虑详细化学反应机理的二维非预混射流火焰数值计算方法，对O2/CO2伴流中CH4层流非预混射流火焰进行了研究。利用OH-PLIF实验测量获得了非预混火焰中OH分布，通过实验与数值计算结果的对比验证了数值计算方法的合理性。通过引入人工CO2的方法比较了CO2传质特性、三体效应及化学反应特性对非预混射流火焰高度、宽度、温度及火焰结构的影响。通过对整个火焰内反应流程及基元空间分布的分析，阐明了CO2相关特性对非预混射流火焰燃烧特性的影响机制。最后，通过实验研究了O2 、CO2及H2O浓度、氧化剂温度等参数对湍流非预混射流火焰的高度、推举高度及吹熄极限的影响。通过对相关实验及计算结果的理论分析得到了无量纲的射流速度和无量纲推举高度、无量纲射流Re数和无量纲吹熄速度间的关系。分析了CO2物理化学特性对射流火焰推举及吹熄的影响。项目的相关研究工作已发表SCI论文1篇、 中文期刊论文2篇、参加国际学术会议2次国内学术会议1次。此外项目的部分研究工作已经投稿英文及中文论文各1篇，目前状态为在审。通过项目的执行培养科研骨干1名，青年研究人员2名，硕士研究生2名。