二甲醚火焰燃燒特性及工程應(yīng)用的研究.pdf

1、我國90％的工業(yè)鍋爐采用煤炭作為燃料，使得燃煤工業(yè)鍋爐的污染問題尤為突出，成為我國大氣污染物的主要來源之一。實踐證明，基于我國豐富的煤炭資源，發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)，將其轉(zhuǎn)化為清潔燃料，不僅是實現(xiàn)煤炭清潔利用的有效途徑，也能減少我國油氣資源的進口量、確保國家能源安全。二甲醚(DME，CH3OCH3)便是一種可從煤炭高效、大規(guī)模制取的清潔替代燃料，被國家發(fā)改委認定為唯一的理想清潔替代能源，可替代部分LPG和柴油等傳統(tǒng)燃料。目前，DME主要被應(yīng)用于

2、壓燃式內(nèi)燃機，國內(nèi)外對此做過較系統(tǒng)全面的研究；而對于DME在工業(yè)鍋爐和窯爐等設(shè)備內(nèi)的燃燒特性和工業(yè)應(yīng)用，國內(nèi)外的相關(guān)研究則很少。
　　本文提出將DME應(yīng)用于工業(yè)鍋爐，以解決它的環(huán)境污染問題，同時消耗國內(nèi)DME的過剩產(chǎn)能。工業(yè)鍋爐內(nèi)的火焰按燃燒方式，可分為預(yù)混火焰和擴散火焰兩種。本文對DME/空氣射流擴散火焰的基礎(chǔ)燃燒特性進行研究，包括：火焰幾何尺寸、穩(wěn)定性、NOx和CO的排放特性、熱輻射特性。此外，還設(shè)計搭建了一臺中規(guī)模清潔燃氣燃

3、燒試驗臺，在國內(nèi)外首次對DME在工業(yè)鍋爐內(nèi)所形成的預(yù)混火焰的燃燒特性進行研究，包括：水冷爐膽內(nèi)DME預(yù)混火焰的燃燒、流動及反應(yīng)區(qū)大小特性、NOx和CO的排放特性、DME燃燒產(chǎn)物縱掠高溫煙管和橫掠對流管束的傳熱特性。研究結(jié)果多被整理成具有實用價值的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和計算方法，對DME工業(yè)鍋爐和窯爐的設(shè)計和運行具有較好的參考價值。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　?、賹?DME/空氣射流擴散火焰的幾何尺寸和火焰穩(wěn)定性進行試驗研究，得到其火焰長度

4、、直徑和體積的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式和吹熄極限。同時，將DME射流擴散火焰的上述特性和天然氣、LPG的進行對比，為DME工業(yè)鍋爐的設(shè)計運行或?qū)μ烊粴夂蚅PG鍋爐進行改造、以改燒DME，提供參考依據(jù)。此外，還推導(dǎo)出射流擴散火焰幾何尺寸的相似解析解，提出一種新型、預(yù)測精度更高、合理性更好的射流擴散火焰無量綱長度、直徑和體積的關(guān)聯(lián)式形式。
　　②通過試驗，測試DME/空氣射流擴散火焰內(nèi)部NOx和CO的分布特性及其排放因子，分析燃料射流速度和伴流空氣

5、速度對NOx和CO排放因子的影響。同時，采用CFD-CRN方法、反應(yīng)路徑分析和靈敏度分析方法，并結(jié)合DME的詳細反應(yīng)機理，研究 DME射流擴散火焰不同區(qū)域內(nèi)含 N組分之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系、NOx的反應(yīng)速率特性、及NOx的反應(yīng)機理和路徑，闡明了DME射流擴散火焰內(nèi)污染物的生成和排放機制，為制定合理的污染物減排措施提供依據(jù)。
　　③通過試驗，測試和分析 DME/空氣射流擴散火焰的熱輻射特性，最終得到DME射流擴散火焰輻射分數(shù)關(guān)于噴嘴內(nèi)徑 d

6、f、燃料射流雷諾數(shù) Ref及伴流空氣速度uco的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，并提出計算火焰外圍輻射熱流密度的公式和方法。研究結(jié)果可為DME非預(yù)混射流燃燒系統(tǒng)中輻射受熱面的設(shè)計計算提供參考。
　　④在清潔燃氣燃燒試驗臺上，在國內(nèi)外首次對不同過量空氣系數(shù)α和燃燒負荷Q條件下，DME在水冷爐膽內(nèi)所形成的預(yù)混火焰的溫度和組分分布進行了測試；分析了爐內(nèi)DME火焰的燃燒、流動、傳熱傳質(zhì)等基礎(chǔ)特性，并探究了α和Q對火焰特性的影響。采用數(shù)值方法，研究了水冷爐膽內(nèi)

7、DME預(yù)混火焰的火焰結(jié)構(gòu)及反應(yīng)區(qū)大小特性，得到具有工業(yè)應(yīng)用價值的、估算DME/空氣預(yù)混氣的平均反應(yīng)速率、反應(yīng)區(qū)體積及長度的公式和方法。
　?、菔状瓮ㄟ^試驗，測試不同α和Q條件下，水冷爐膽內(nèi) DME預(yù)混火焰中NOx和CO的分布特性和排放因子，分析α和Q對污染物排放因子的影響。同時，采用CFD-CRN方法、反應(yīng)路徑和靈敏度分析方法，研究DME在水冷爐膽內(nèi)預(yù)混燃燒的過程中，爐膽不同區(qū)域內(nèi)NOx的反應(yīng)機理及路徑。最后，獲得了DME工業(yè)鍋爐