《燃烧学论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃烧学论文（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、燃烧理论及其研究发展方向摘要：燃烧理论的研究对于高效清洁燃烧技术的发展，燃烧动力的优化设计，燃烧污染物的排放控制及火灾防治等方面都有其重要的作用，关系到国民经济可持续发展，国防安全的核心利益，本文剖析了对燃烧理论研究的科学价值，战略意义，以及我国的研发现状和将来的发展方向，并对国内外燃烧理论基础研究的长期发展目标和优先研究领域提出了建议。并总结了我国电站锅炉燃烧优化的口的和意义，回顾了我国电站锅炉燃烧优化技术的发展历程，对锅炉燃烧优化多年来的研究成果和技术发展做了较为全而的评价，深入分析了燃烧优化技术现状以及存在的问题，其中特别对燃烧优化技术的研究动态作了系统的分类。最后，结合软测量、人工智能
2、等先进的理论和方法，提出了电站锅炉燃烧优化技术在检测技术、闭环控制、燃烧器改造等方而的发展前景。关键词：燃烧理论；污染物排放；长期发展目标；优先研究领域1 燃烧理论基础研究的意义燃烧是指燃料和氧化剂之间发生剧烈的化学反应，并伴有发光发热的现象。燃烧是人类最早认识并掌握的一种自然力，历史上燃烧技术的发展程度曾代表了人类征服自然界的能力和人类社会的发展水平。燃烧学是研究气体燃料、液体燃料、固体燃料的着火、熄火、燃烧过程和机理的学科，其研究目的是通过实验和理论方法了解燃烧现象的本质、主要影响因素及发展变化规律。由于燃烧是一种化学反应、流动和传热传质相祸合的物理化学现象，因此从物理和化学两方面着手的基
3、础燃烧研究可以帮助人们从宏观和微观角度认识燃烧现象、理解燃烧原理、指导实用燃烧技术的发展，已成为燃烧研究领域乃至工程热物理领域的重要组成部分。由于以下诸方面因素的推动，基础燃烧研究在国民经济发展、节能减排和国防安全等国家重大战略需求方面正在发挥着越来越重要的作用。首先，化石能源的燃烧为当今世界提供了超过85%的能源供应，而化石能源急剧的消耗量和有限的储量之间已经产生了严重的矛盾。特别是近年来我国国民经济飞速发展，对能源的需求量也大幅增加，在本世纪前十年内年均增长率可达1000，远高于国际同期水平，能源安全形势尤为严峻。由于新型能源技术尚有待发展，在可预测的未来数十年内，通过化石能源燃烧提供动力
4、或热源的格局仍然不会有大的改变。因此，优化现有燃烧器、发展新型燃烧技术、提高燃烧效率是目前最为有效的节能手段之一。另一方面，当前我国能源供应以煤炭为主，煤炭的高效利用也是急需解决的问题。其次，燃烧(特别是煤燃烧)能够产生大量的污染物，是目前主要的大气污染来源，给全球环境和人类健康均造成了严重危害。例如，大气中超过90%的氮氧化物(NOx)和超过50%的硫氧化物(SOx)来自于燃烧过程;化石燃料的燃烧还会产生大量的碳烟(Soot)、多环芳烃(PAH)和温室气体。作为解决燃烧污染物排放问题的关键，清洁燃烧技术的发展离不开基础燃烧研究的理论指导。再次，燃烧在国防领域具有极为重要的应用，特别是在航空和
5、航天领域，如新一代航空飞机研制以及争夺外层空间控制权的高超声速飞行器研制的国际竞争中，航空发动机和超燃冲压发动机设计、飞行器安全运行、先进航空燃料设计等核心问题的解决均离不开航空燃料的热解、低温氧化、高温氧化和燃烧数值模拟等基础燃烧研究课题的发展。此外，燃烧还在运输、热电、制造等多种工业领域有着广泛的应用，并在家庭用暖、垃圾焚化、火灾安全等诸多领域发挥着重要影响，基础燃烧研究的进步对于提升行业竞争力和民众生活质量有着举足轻重的作用。针对上述研究需求，目前国际基础燃烧研究的热点研究方向涵盖燃烧化学反应动力学、碳烟和大分子燃烧污染物形成机理、燃烧诊断、层流火焰、湍流火焰、异相燃烧、喷雾及液滴燃烧、
6、爆震及超音速燃烧、火灾科学、静止燃烧及环境影响、内燃机及燃气轮机燃烧、燃烧新技术及反应流等期刊。2国内外燃烧基础研究进展 回顾25年的发展历史，国家自然科学基金在促进我国基础燃烧研究方面发挥了重要作用，国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)工程热物理学科对燃烧领域的基础研究给予了持续资助。2000年以前，由于我国基础研究经费较为缺乏，研究人员没有条件全身心地投人基础研究，因此从事基础燃烧研究的力量较为薄弱，研究方向注重工程和应用，高水平的研究成果不多。这种状况制约了我国燃烧技术的进步，并影响了我国燃烧学科在国际上的学术地位。针对这种状况，工程热物理学科基于国家科学基金支持基础研究的基
7、本定位，在2000年组织了燃烧领域研讨会，并于2001年组织了香山科学会议，邀请国内外著名燃烧专家讨论如何加强我国燃烧领域的基础研究，以期逐步提高我国在燃烧领域的国际地位。从2002年起，学科还借助中国工程热物理学会燃烧学术年会这个平台，积极宣传基础研究的重要性，进行国家自然科学基金燃烧领域资助项目的交流，扩大国家自然科学基金的影响，鼓励更多的燃烧研究者以在国际燃烧会议论文集和燃烧与火焰等燃烧领域顶级国际期刊发表学术论文为目标，进行高水平的基础研究。 燃烧学为工程热物理学科体量最大的一个分支，每年自然科学基金项目的申请数和资助数都占本学科总量的25%左右。自2000年起至今，工程热物理学科对燃
8、烧领域共资助面上项目596项，青年基金297项，国家杰出青年科学基金8项，创新群体1项，重点项目12项，国际合作重大项目7项;资助经费也从2000.年的473万元增加到2012年的5878万元。经过10余年的努力，我国的燃烧基础研究已经有了突破性的进步，这从国际燃烧会议论文集和燃烧与火焰两刊的发表论文数量上可以得到鲜明地展示。如图1所示，1980-2000年间我国在两刊上共发表论文34篇。进人2000年以后，发表论文数量逐年增加，2001-2012年间共发表论文201篇，为前20年发表论文总量的6倍，占全球总论文数的比例从1980-2000年间的0. 6%提高至2001-2012年间的4.50
9、0，近4年间(2009-2012)更是达到800;年发表论文数已从本世纪初的全球第10名提高为近年来的全球第3名，仅次于美国和德国两大传统基础燃烧研究强国。我国基础燃烧研究的巨大进步也大幅提升了我国在燃烧领域的国际地位，国际燃烧学会的核心管理机构国际燃烧学会理事会在2012年7月份进行的理事增补工作中为我国增加1个名额，使我国在国际燃烧学会理事会中的理事人数达到2人，仅次于美国位居全球并列第2位;在2012年7月29日至8月3日于波兰华沙举行的第34届国际燃烧会议上，中国科学技术大学齐飞教授应邀做了时长1个小时的大会特邀报告，这是自1928年第1届国际燃烧会议举办以来我国学者首次获邀做大会特邀
10、报告;在2010年8月1日至8月6日于北京举行的第33届国际燃烧会议上，华中科技大学徐明厚教授应邀做了时长为45分钟的主旨报告。值得一提的是，我国研究人员在燃烧化学反应动力学、燃烧诊断技术、煤燃烧、发动机燃烧、火灾科学等多个热点基础燃烧研究方向上开展了大量研究工作，研究成果已达到国际水平，成为国际上进行基础燃烧研究的重要基地。3燃烧理论在各领域研究展望3.1固体推进剂中铝燃烧理论研究展望近期研究中，Fedorov A V和Kharlamova Y V基于Semenov爆燃理论框架提出了单颗粒铝在稳定条件下的点火模型。 DesJardin P E，Felske J D和Carrara M D 提
11、出了单颗粒铝在空气中燃烧的点火模型和燃烧模型。点火模型中，包括融化和表面异相反应(HSR)过程，直到温度达到预先设定的氧化物转变温度。在燃烧模型中，提出了准稳态扩散火焰假设，给出了一个新的守恒方程，方程包含金属氧化物在融化的铝颗粒表面的沉积。模型可预测燃烧速度、颗粒速度和火焰直径，但是，模型不能计算组分变化。最值得关注的理论模型当属Beckstead M W ，Liang Y和Pudduppakkam K V 提出的二维、非稳态、动力勺工散一蒸发控制的铝燃烧模型。模型研究了巧个化学反应动力学机制，通过控制方程预测组分的产生和消失，采用Chemkin来进行计算。模型指出，铝燃烧与液滴燃烧最大差别
12、在于两个地方，其一是氧化铝产物的凝结，其二是部分凝结的氧化铝沉积在颗粒表面，模型针对这两个物理现象分别建立子模型。模型还包含氧化帽使温度和组分等颗粒表面物理量的分布发生扭曲的影响。模型最终得到的是温度和二维组分分布。最终结果得到铝在Oz, COz和HZO下的燃烧接近扩散控制过程，火焰区的位置和厚度经模拟与氧化剂有关。模型得到的燃烧时间与粒径的关系并非常数，而是在1.2一1.9的范围变化，颗粒越大，指数越大。由于氧化铝沉积在颗粒表面，导致颗粒速度发生振荡。由于铝在固体火箭发动机中的应用，最近的模型侧重于铝在发动机中的燃烧机理。最近，King M K提出了一个模型，预测单颗粒铝在穿过一根贯穿固体火
13、箭发动机端口的流管时，颗粒半径和氧化帽大小/形状随时间变化。模型预测瞬时状态下铝的消耗以及凝结氧化物的产生情况，氧化物包括2种，1种是沉积在颗粒表面的氧化帽，还有1种是烟气。模型最终可以跟踪颗粒大小、氧化帽大小、环境条件等参数随颗粒在流管轨迹的变化。Balakrishnan K， Kuhl A L，Bell J B和 Beckner V E提出一个关于铝颗粒云团点火的半经验模型，计算由于爆炸波导致的铝颗粒的点火和燃烧特性。模型包括点火延迟时间和泥沙云团浓度对点火的影响。模型很好地解决了其它燃烧模型中没有涉及到的影响因素。从最新的研究来看，针对实际固体火箭发动机中铝燃烧的理论研究逐渐增多。铝燃烧
14、的动力学模型己经发展的逐渐成熟，模型不仅能够准确地预测铝颗粒/液滴的点火和燃烧过程，还能预测氧化铝的形态变化。3.2电站锅炉燃烧优化技术发展方向和展望前已述及，锅炉燃烧优化技术在取得众多成果的同时，也面临着不少问题和困难。锅炉燃烧优化技术一个总的发展方向就是通过解决存在的问题，并结合燃烧、控制等方面的先进理论和技术，推动燃烧优化技术的发展。3.2.1加强检测技术的改进工作 锅炉燃烧参数检测技术是燃烧优化技术的基础，检测装置和技术目前普遍存在品质和测量准确性的不足。这个问题已经受到研究人员和生产企业高度关注，大量的研究开发工作，将使这个问题在不久的将来得到较好的解决。 特别要指出的是，软测量技术
15、是可能解决此类问题的一条新途径。在软测量建模中，有基于工艺机理的方法、基于对象数学模型的方法、基于回归分析的方法、基于模式识别的方法、基于粗糙集理论的方法、基于人工神经网络、基于支持向量机的方法等。目前，人工神经网络已经广泛应用到工业过程建模和控制中，其中比较典型的是BP神经网络建模、RBF神经网络建模等。3.2.2燃烧控制系统向闭环控制和综合智能控制发展对基于检测技术或智能控制技术的锅炉燃烧优化技术而言，其走向系统化、工业化应用的关键是实现在线闭环运行，使之直接参与生产控制过程。随着技术日趋成熟和锅炉燃烧优化指导系统在电站的广泛应用，实现燃烧优化的闭环控制正在成为人们关心和研究的新课题。针对
16、要解决的困难，利用DCS硬件优势和灵活方便的软件组态功能实现这一控制系统，不增加额外的硬件费用，系统维护量小，可靠性高，是今后燃烧优化控制系统发展方向。燃煤锅炉由于其动态特性的复杂性，燃烧控制系统的优化完善是一项复杂的任务。需要更好地应用先进的控制策略，从整体上提升燃烧控制系统的性能。因此，对于锅炉这样的复杂系统而言，按照分级控制的系统结构，建立在智能协调、局部优化的基础之上，有针对性地采用经典和先进的控制策略，构成综合智能控制，已经成为重要的发展趋势。3.2.3继续发展燃烧技术和优化燃烧器设计在燃烧技术方面，由于我国燃煤煤质差，且目前有1/5以上的大型电站锅炉燃用难燃煤种，因此，应大力发展适合我国无烟煤等难燃煤种的燃烧技术。我国的电网容量巨大，为适应日益增大的电网峰谷差对调峰的要求必须进一步解决好锅炉机组的稳燃问题，应继续发展稳燃技术和燃烧器。燃烧技术的另一个重要内容是洁净煤技术，对煤粉炉而言包括洁净优化动力
