等离子体激励实现低热值煤气高效清洁燃烧的研究

采用实验方法研究等离子体激励对低热值煤气旋流扩散燃烧的火焰结构、吹熄、热声振荡、污染物（NOx和CO）生成以及点火等特性的影响，并在此基础上建立等离子体助燃数值模拟方法。考察反应物等离子体预处理，以及在火焰附近施加等离子体激励的助燃和减排效果。在旋流扩散火焰燃烧器适当位置施加一定强度的等离子体激励，通过电离空气产生活性自由基和增强空气旋流，增强稳定燃烧性，有助于解决燃气轮机燃烧低热值煤气时燃烧不稳定的问题，实现煤气的高效清洁燃烧。通过观测火焰OH分布、测量冷热态流场、分析燃烧产物和火焰的光谱分析，揭示等离子体助燃的机制，在此基础上总结等离子体激励器布局和激励参数与助燃效果之间的关系，优化等离子体激励器布局和激励参数，发掘等离子体助燃潜力，并建立合适的数值模型，比较准确的模拟等离子体激励作用下的燃烧过程，为等离子体助燃技术应用于低热值煤气燃烧器的设计提供理论基础和技术支撑。

随着我国节能减排政策的实施，国家对钢铁行业的能耗提出了具体的目标。如何实现低热值煤气的高效利用将成为钢铁企业节能减排的关键。低热值煤气在燃烧过程中遇到的主要问题是：热值较低使得燃料点火困难，燃烧稳定性较差，容易发生熄火现象。非平衡等离子体助燃技术具有解决低热值气体燃料点火困难以及燃烧不稳定问题的潜力。非平衡等离子体助燃技术是在工作气体（燃料、氧化剂或者可燃混合气）中进行放电，利用产生的非平衡等离子体的化学活性提高燃料的点火性能及燃烧特性的技术。. 本项目的研究目的是利用放电产生的非平衡等离子体改善低热值气体燃料的燃烧特性，以提高其点火可靠性和燃烧稳定性。设计了反应物等离子体预处理装置，研究了该装置的放电特性和规律，分析了放电过程中各种活性基团的种类、产生过程及其相互之间的反应机理。随后利用该装置产生的等离子体对低热值气体燃料进行助燃，研究了低热值气体燃料的点火性能、熄火极限、火焰传播速度、燃烧效率、火焰形态等重要参数在等离子体助燃的影响下的变化规律。而后采用数值模拟的方法进一步深入研究了等离子体对于低热值气体燃料的点火过程和燃烧过程产生的影响，分析其影响机理。在实验研究和数值模拟的基础上，对等离子体助燃的机理进行初步的归纳和总结。最后把等离子体助燃技术与目前燃气轮机中普遍采用的旋流扩散燃烧技术相结合，设计了等离子体旋流器，研究了旋流火焰在等离子体助燃下的燃烧特性，为等离子体助燃技术向工程实用方向发展打下了基础。. 本项目取得的主要成果包括：.1、通过介质阻挡放电的方式能够产生大体积、高密度、富含活性粒子的非平衡等离子体；.2、在非平衡等离子体的助燃下，低热值气体燃料的燃烧特性得到了显著的改善，主要体现在：点火可靠性增强、熄火极限拓宽、火焰传播速度增大、火焰根部的燃烧更加稳定、火焰中心区域的温度更高；.3、非平衡等离子体助燃的机理可以归纳为温升效应和化学效应；.4、在等离子体旋流器的作用下，火焰的旋流强度增大，燃料和空气的掺混更加充分，燃烧稳定性和燃烧效率都得到提升。