《燃烧学 教学课件 ppt 作者 徐通模 第七章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃烧学 教学课件 ppt 作者 徐通模 第七章（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 燃烧科学技术发展中的几个科学问题,第一节 氮氧化物的生成机理及燃烧控制 第二节 催化燃烧 第三节 燃烧过程的相似与模化 第四节 燃烧过程数值模拟,第一节 氮氧化物的生成机理及燃烧控制,一、概述 二、煤燃烧过程中NOx的生成机理 三、煤燃烧过程中NOx的破坏机理 四、影响煤粉炉内NOx生成的因素,一、概述,表7-1 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放的质量浓(单位：mg/),二、煤燃烧过程中NOx的生成机理,1.热力型NOx 2.燃料型NOx 3.快速型NOx,1.热力型NOx,0701.TIF,1.热力型NOx,图7-2 NO的浓度和、停留时间的关系,1.热力型NOx,图7-
2、3 停留时间和温度对N生成的影响,1.热力型NOx,图7-4 扩散燃烧时热力型N生成浓度与的关系,2.燃料型NOx,(1)挥发分型NOx 燃烧时，燃料中的氮首先分解成氰(HCN)、氨(NH3)和CN等中间反应产物，随挥发分氮释放出来，最终被氧化成NO，残留在半焦中的氮化合物则是焦炭氮。 (2)焦炭型NOx 焦炭中氮的释放比挥发分氮的析出复杂一些，这与NC、NH之间的结合状态有关，也就是说与煤的组织结构有关。,3.快速型NOx,1)从NOx的氮来源看，它类似热力型NOx，但其反应机理和热力型NOx不同，和燃料型NOx生成的机理非常相似。 2)快速型NOx产生于燃烧时CH类原子团较多，N2分子反应
3、生成氮化物的速率高的情况。,三、煤燃烧过程中NOx的破坏机理,1.挥发分燃烧阶段NOx的破坏 2.焦炭燃烧阶段NOx的破坏 3. NO与CO的反应,1.挥发分燃烧阶段NOx的破坏,(1)NO与氨类(NHi，N)生成N2 (2)NO与烃根(CHi)结合生成氰(HCN) (3)NO生成N2O,四、影响煤粉炉内NOx生成的因素,1.炉内NOx的生成 2.炉温对NOx生成的影响 3.煤的性质对NOx生成的影响 4.煤粉细度对NOx生成的影响,1.炉内NOx的生成,图7-7 煤粉炉内N的生成过程,2.炉温对NOx生成的影响,图7-8 锅炉炉内N的生成与炉温的关系,3.煤的性质对NOx生成的影响,(1)煤
4、中含氮量对NOx生成的影响 煤中含氮量对NOx的影响是非常明确的，含氮量增加，总的NOx含量大致呈线性增加。 (2)煤中挥发分含量对NOx生成的影响 由于煤粉燃烧过程中产生的NOx以燃料型为主，而挥发分型NOx占燃料型NOx的60%80%，所以挥发分含量对燃料中氮的释放影响较大，挥发分含量高，则氮的释放量大，更容易产生大量的NOx。,3.煤的性质对NOx生成的影响,(3)煤化度对NOx生成的影响 在煤粉燃烧过程中，煤中的有机氮化合物首先分解成HCN、NH3等中间反应产物。 (4)煤中水分对NOx生成的影响 当煤中水分增加时，着火延迟。 (5)燃烧工况对NOx生成的影响,燃烧工况对NOx生成的影
5、响,图7-9 过量空气系数对N生成的影响,第二节 催化燃烧,一、催化燃烧控制NOx和CO生成的原理 二、典型催化燃烧室 三、催化燃烧催化剂的研究进展,一、催化燃烧控制NOx和CO生成的原理,1)火焰燃烧法因为引发大量的自由基，反应加速很迅猛，反应过程难以有效控制。 2)火焰燃烧过程中，由于燃烧不完全，会有剩余的烃类或烟尘排放到大气中。 3)火焰燃烧需要考虑有机燃料的燃烧浓度范围和爆炸极限，而催化燃烧可通过使用适当的催化剂避免上述问题。 4)燃料和空气预混，避免形成富燃料区，有效预防了快速型NOx。,一、催化燃烧控制NOx和CO生成的原理,5)催化燃烧中温度的可操纵性与高空燃比燃烧的稳定性，使其
6、具有节能和低CO、NOx排放的特点，并且催化燃烧缓和安全，是一种非常理想的燃烧方式。,二、典型催化燃烧室,1.全催化燃烧室 2.燃料分级催化燃烧室 3.空气分级催化燃烧室 4.半催化燃烧室,1.全催化燃烧室,图7-12 全催化燃烧室,2.燃料分级催化燃烧室,图7-13 燃料分级催化燃烧室,3.空气分级催化燃烧室,图7-14 空气分级催化燃烧室,4.半催化燃烧室,图7-15 半催化燃烧室,三、催化燃烧催化剂的研究进展,1.贵金属催化剂 2.非贵金属简单氧化物催化剂 3.钙钛矿催化剂 4.六铝酸盐催化剂 5.整体催化剂,1.贵金属催化剂,(1)载体的影响 负载型催化剂的甲烷燃烧活性和稳定性与载体关
7、系密切，寻找合适的载体以及研究它们对催化剂活性的影响，一直是催化燃烧研究工作者的热门课题。 (2)掺杂元素的影响 在载体中掺入其他组分或助剂是另一种提高活性或稳定性的方法。,3.钙钛矿催化剂,图7-16 钙钛矿结构,4.六铝酸盐催化剂,1)固相反应法。 2)基于醇盐水解的溶胶-凝胶法。 3)反相微乳液合成法。 4)碳酸铵共沉淀法。,4.六铝酸盐催化剂,图7-17 磁铅石和-A的晶体结构,第三节 燃烧过程的相似与模化,一、相似理论在燃烧过程中的应用 二、燃烧空气动力过程的物理模化,一、相似理论在燃烧过程中的应用,1.积分类比法 2.流动的相似 3.对流传热的相似 4.气-固两相流或载粉气流的相似
8、 5.燃烧过程的相似,1.积分类比法,(1)物理条件 流体物理性质的具体数值及其随状态的变化关系。 (2)边界条件 流动现象必然受到与其直接接触的周围情况的影响，因此在边界上的情况也是单值条件。,(2)边界条件,(2)边界条件,(2)边界条件,(2)边界条件,(2)边界条件,2.流动的相似,3.对流传热的相似,(1)强制对流传热的相似 强制对流传热的相似首先要求两个系统的流动相似作为前提，这样就要求关系式(7-47)成立。 (2)自然对流传热的相似,(2)自然对流传热的相似,5.燃烧过程的相似,5.燃烧过程的相似,二、燃烧空气动力过程的物理模化,根据相似理论进行模化实验，这是常用的一种科学研究
9、方法，也称为物理模化。从前述可知，如果模型与原型几何相似，单值条件(如进口截面上的速度、浓度和温度分布等)一样，各个量纲一的特征数在模型与原型上一样，那么两者中的工作过程就相似。,第四节 燃烧过程数值模拟,一、基本原理、算法与程序特点 二、数值模拟的结果 一、基本信息 二、您对本书的意见和建议 三、您对我们的其他意见和建议,一、基本原理、算法与程序特点,1.控制方程 2. eff=+t。 3. G=t 。 2.基本算法 3.网格剖分 4.边界条件 5.燃烧过程的数学模型和控制方程 6.数值模拟工况安排,2.基本算法,图7-20 计算区域与网格剖分示意图,3.网格剖分,1)冷灰斗剖为5个网格。
10、2)每个燃烧器喷口剖为10个网格。 3)每个燃烧器喷口之间的炉膛剖为5个网格。 4)燃烧器以上到管式受热面之间的炉膛剖为10个网格。,4.边界条件,(1)壁面条件 用高Re的壁面函数法，将第一个内节点布置到旺盛湍流区，假设其速度分布为对数分布，计算出当量壁面扩散系数t。 (2)进口条件 根据燃烧器出口的各层风的速度及燃烧器的结构尺寸，计算出进口气流的方向角，从而得到燃烧器喷口流体速度在x、y、z方向的分量，然后在各相应的边界节点赋上相应的速度值。,4.边界条件,(3)出口条件 为防止计算过程中出口截面出现回流区引起发散，使用“出口流速提升法”来设定速度场的出口条件，而其他物理量(如温度等)则使
11、用“充分发展条件”。,5.燃烧过程的数学模型和控制方程,(1)气体组分的化学反应模型 为简化问题从而利于把握问题的本质，将气体的组分划分为O2、N2、可燃物(FUEL)和CO2一共4种成分。 (2)煤粉颗粒的运动和化学反应模型 鉴于轨道模型在两相流动模拟中的优点，同时考虑了计算机内存及运算速度的限制，在进行两相流动模拟时选用加入湍流扩散修正的固定轨道模型，即半随机轨道模型。 (3)辐射传热的模型 辐射传热的模拟方法有热流法、区域法、Monte-Carlo法和离散传播法等。,5.燃烧过程的数学模型和控制方程,(4)燃烧过程的求解流程 在进行了以上建模工作以后，表7-4中所有的源项都有了计算式，方
12、程组封闭。,二、数值模拟的结果,1.流场图谱 2.炉内温度场分布 3.壁面热负荷分布,1.流场图谱,0721.TIF,1.流场图谱,图7-22 第一列燃烧器平面x方向流场图谱 a)工况1 b)工况2,1.流场图谱,图7-23 工况2前墙y方向流场图谱的 二维(左)与三维图样(右),2.炉内温度场分布,图7-24 第一列燃烧器平面x方向温度分布(单位：K) a)工况1 b)工况2,2.炉内温度场分布,图7-25 第二列燃烧器平面x方向温度分布(单位：K) a)工况1 b)工况2,2.炉内温度场分布,图7-26 第三列燃烧器平面x方向温度分布(单位：K) a)工况1 b)工况2,2.炉内温度场分布,图7-27 第四列燃烧器平面x方向温度分布(单位：K) a)工况1 b)工况2,3.壁面热负荷分布,图7-28 右墙壁面热负荷分布(单位：W/) a)工况1 b)工况2,3.壁面热负荷分布,图7-29 左墙壁面热负荷分布(单位：W/) a)工况1 b)工况2,3.壁面热负荷分布,图7-30 前墙壁面热负荷分布(单位：W/) a)工况1 b)工况2,3.壁面热负荷分布,图7-31 后墙壁面热负荷分布(单位：W/) a)工况1 b)工况2,
