第六章-新型燃烧技术

第六章新型燃烧技术-富氧纯氧燃烧及旋流火焰

2提纲1.背景介绍技术优点研究进展2.实验研究3.工程应用Energyisthesinglemostimportantchallengefacinghumanitytoday!—Nobellaureate,RickSmalley,April2004,TestimonytoU.S.Senate3Ref.Worldenergyconsumptionbyfuel1990-2035(quadrillionBtu).

扩展能源资源：

核能-风险

可持续能源-需实现技术和成

本的突破2.提高能源利用效率:

能源安全

环境安全背景–节能4未来降低CO2排放的关键技.

Ref.IEA,EnergyTechnologyPerspective2010,2010.本研究提出纯氧燃烧及空气富氧燃烧降低能源损耗和CO2排放。背景–CO2

减排5背景–NOx

减排NOx:光化学烟雾，温室效应(N2O是CO2的310倍)。降低

NOx

CCS技术(CO2

CaptureandSequestration)由空气引入的氮气被消除化石燃料

+

纯氧工业应用

(高温产业)

加热和熔化金属（铁，铝...）及矿物质（水泥，石灰，陶瓷，玻璃...）

废弃物焚烧

优点：

提高热效率,降低燃料损耗,提高火焰稳定性.

富氧空气燃烧(Oxygen-EnrichedAir)Ref.Baukal,C.E.,Oxygen-EnhancedCombustion,CRCPress,BocaRaton,FL,1998注入氧气(O2Lancing)氧气与燃料预混

(Air-oxy/fuel)纯氧燃烧(Fuel/O2)1.提高效率，减少能耗，从而降低CO2

排放。2.为Fuel/O2/CO2提供参考=>CCStechnique.空气富氧燃烧纯氧燃烧CCS,减少NOx6背景–富氧/纯氧燃烧7纯氧燃烧热处理技术纯氧火焰被加热试件

直接火焰冲击纯氧燃烧热处理技术被加热带钢（自左向右移动）纯氧火焰热效率高达80%，相比于空气燃烧及传统的富氧无焰燃烧技术，其热流密度分别增加了10倍和5倍；生产量可提高50%，燃料节约达50%。Ref.J.VonSchéele,Useofdirectflameimpingementoxyfuel,Ironmaking&Steelmaking,36(2009)487-490.玻璃熔炉减排，包括烟尘减少50%-70%，NOx减少85%-90%，CO2

和SO2各减少21%和29%。传统的玻璃、陶瓷及金属加工产业都是废气排放大户，采用先进的纯氧燃烧技术将有助于降低NOx排放，促进CO2回收和利用节能17%-28%，减少炉窑损失18%-42%，并能显著提高产量和产品质量，在纳入纯氧制取成本的基础上，纯氧燃烧综合节能量可达14.75%，考虑到大幅减少的NOX排放，纯氧燃烧依然具有很大的优势。纯氧燃烧热处理优势Ref.干大川，探讨推广玻璃窑炉纯氧燃烧技术的关键问题

贝荣华，关于玻璃池窑炉采用纯氧燃烧技术的认识,石油和化工节能,8纯氧燃烧在点火、反应速率、火焰温度、烟气辐射、对流换热以及流动等方面与传统空气燃烧差异显著。烟气辐射放热效果大大加强：烟气的主要成分是CO2和H2O；高加热和熔化效率：火焰温度高，燃烧速度快，因而纯氧燃烧产生的烟气流速快，烟气粘度大；纯氧燃烧热通量(heatflux)：纯氧条件下的热通量相比于30%氧气浓度的燃烧增加了2.3倍，而且热通量峰值在纯氧条件下位于滞止区；热化学放热(thermochemicalheatrelease)：纯氧火焰中存在大量的O，H和OH等自由基，其在进入冷边界层时发生重组，释放大量的热。纯氧燃烧中的新理论Ref.C.E.Baukal,B.Gebhart,CombustSciTechnol.,104(1995)339-357.C.E.Baukal,B.Gebhart,CombustSciTechnol.,104(1995)359-385.C.E.Baukal,B.Gebhart,Exp.Therm.FluidSci.16(1998)247-59.M.J.Remie,etal.,JournalofHeatandMassTransfer,50(2007)2816-2827.C.E.Baukal,B.Gebhart,Exp.Therm.FluidSci.15(1997)323-35.9提纲1.背景介绍技术优点研究进展2.实验研究3.工程应用10深冷空分法先将空气压缩，再膨胀降温，冷却后液化，利用氧氮的沸点温度不同（在大气压下氧的沸点为-182.98℃，氮的沸点为-195.8℃）。提取率为96%，氧气纯度99.6%，其能耗为0.51kWh/m3。变压吸附法分子筛变压吸附分离空气制氧，一是利用分子筛对氮的吸附亲和能力大于对氧的吸附亲和能力以分离氧，氮；二是利用氧在碳分子筛微孔系统狭窄空隙中的扩散速度大于氮的扩散速度，使在远离平衡的条件下可分离氧氮。提取纯度不超过90%，但设备简单且价格相对低廉，设备启动时间相对较短，能耗也较低0.38kWh/m3。纯氧制取技术1112背景–

纯氧燃烧(扩散火焰)纯氧/甲烷扩散燃烧火焰（Φ

=1,功率190kW）.燃烧器示意图Ref.

R.J.Harris,W.HorneandA.Williams,Combustion.Flame26(1976)311-321.13Ref.S.Yon,J.Sautet,AppliedThermalEngineering,Vol.32,(2012)83-92.Hythaneinpureoxygencombustion燃烧器示意图(对流扩散型)甲烷/空气对流扩散火焰甲烷/氧气对流扩散火焰Ref.A.Beltrame,etal.,

Combust.Flame124(2001)295–310.

SootandNOFormationinMethane–OxygenEnrichedDiffusionFlames背景–

纯氧燃烧(扩散火焰)14背景–扩散与预混燃烧Chemkin计算甲烷/空气化学反应甲烷/空气对流扩散火焰发热量及温度分布对流速度：40cm/s发热量峰值：500J/cm3.s高温区域受限于质量扩散甲烷/空气预混火焰发热量及温度分布入口流速：40cm/s发热量峰值：4500J/cm3.s火焰带下游均为高温区域。15CH4/O2-N2层流燃烧速度Ref.Jahn,G.,DerZündvorganginGasgemischen(Dissertation),Oldenbourg,Berlin,1934.背景–

纯氧预混燃烧难点:燃烧速度高，预混合燃烧易发生回火和爆震危险。优点：高温(3000K),

保护环境(降低NOx及CO2回收利用)，热传递效率高，降低能源损耗。燃料空气混合腔回火预混燃气火焰温度Tb污染物NOx

可调节当量比进行控制背景–

预混燃烧16本研究解决方案：急速混合管状火焰纯氧燃烧技术燃料与氧化剂分别注入在燃烧器并在其内快速混合、燃烧，有效避免回火现象的发生。GlassWallPremixture旋回型管状火焰Ref.

S.Ishizuka:Proc.Combust.Inst.20(1984)287-294

17背景–管状火焰Ref.Y.Wangetal.,Proc.Combust.Inst.32(2009)1141–1147.非旋回型管状火焰

旋回强度对火焰长度的影响Ref.R.ChenandF.D.James,Symposium(International)onCombustionVol.22(1988)531-540.管壁管状火焰火焰特征：

[1]旋回流中的管状、层流火焰；[2]RayleighStability:动力学稳定；[3]温度分布对称性:热稳定；[4]气、固体粉末及液体燃料。突出优点：

燃烧器壁面温度较低，

长时间运行。火焰内部：高温、低密度燃气火焰外部：低温、高密度未燃气Premixture管状火焰径向温度分布背景–旋回型管状火焰18Source:

Ishizuka,1984稳定射流火焰(主焰可达130m/s)大功率煤油燃烧器

(功率2MW,12英寸)背景–管状火焰的应用微型燃烧器19斯特林发动机η=12%Source:

Shimokuri,etal.,2005，2011

急速混合型Flame潜在的回火危险无回火现象，安全O2/Air

orO2CH4CH4预混型FuelAirFuel＋AirO2/Air

orO2背景–急速混合管状火焰2021提纲1.背景介绍技术优点研究进展2.实验研究3.工程应用d=16mm燃烧器示意图石英玻璃管切向入口玻璃管长切向入口长度8mm入口宽度(W=2,1mm)石英玻璃观察窗(L=50,100mm)燃料燃料氧化剂氧化剂22实验装置CH4O2AirFlow

meterO2+AirO2+AirCH4CH4CH4/Air-O2实验装置

2324空气-甲烷燃烧甲烷/空气管状火焰：稳定、层流火焰（Qair=4.0m3N/h,L=75mm）同时受火焰拉伸、曲率的影响，且二者相互独立！

=1.2

=1.0

=0.8QCH4=1.0Φ=0.200QCH4=0.46

Φ=0.0902QAir=0.0m3/hQO2=10.0m3/hβ

=1.000QCH4=0.45Φ=0.090CH4/Air-O2

(W=2mm)QCH4=1.0

Φ=0.328QCH4=0.9Φ=0.295QCH4=0.8Φ=0.262QAir=10.0m3/hQO2=4.0m3/hβ

=0.436QCH4=1.0Φ=0.260QCH4=0.9Φ=0.234QCH4=0.78Φ=0.203QAir=8.0m3/hQO2=6.0m3/hβ=0.549QCH4=0.775

Φ

=0.143QCH4=0.75Φ=0.138QCH4=1.0Φ=0.185QAir=4.0m3/hQO2=10.0m3/hβ

=0.7725入口宽度W=2mm;石英管长L=50mm26CH4/Air-O2

(W=1mm)燃烧不稳定火焰直观图27QO-total=6.0m3/hβ=0.67,Φ=0.6,0.8,1.0目的：获得高当量比,高氧气浓度下均匀、稳定的层流火焰CH4/Air-O2

(W=1mm)28CH*时序图—β=0.67Φ=0.6火焰特征间隔：△t=0.1msCH*变化周期1.1ms，频率909Hz高速相机A火焰前锋面高速相机B火焰侧视图29相似度分析11324455667822818293951627230声压特性小振幅增强，低频振动能量向高频振动能量转变声压波动值：APF(1.0)>APF(0.8)>APF(0.6)△t=0.004s△t=0.03s31

火焰声压

结构振荡

频率频率Φ=0.6

909Hz903HzΦ=0.8

1952Hz1960HzΦ=1.0

2051Hz2050Hz低频振动能量向高频振动能量转变频谱特性32声学模型理论分析圆柱腔内声共振的基本理论RaichelDR.etal.Springer-VerlagNewYork,Inc.,2006.MorsePM,IngardKU.TheroreticalAcoustics[J].1968.Helmholtz固有频率αmn取值α10和α01，计算频率为68913Hz和33115Hz，远高于实验值2050Hz。主要考虑αmn=0,轴向振荡的固有频率:实验工况绝热温度均在在2500K以上；依据计算软件Chemkin计算cad和Tad。声速修正公式33结果分析轴向模式的声学共振；减少氧化剂总量，混合气体掺混效果变差，轴向频率与实验声压频率差值变大。氧化剂实验声压频率

轴向频率固有频率流量当量比次频主频m3/hHzHzHzHzCH4CO2O2Flow

meterO2+CO2O2+CO2CH4CH4CH4/O2-CO2CH4/O2-CO2

管状火焰

(无逆火,无NOx,CCS)34富氧燃烧(CO2)CH4/O2/CO2管状火焰(无逆火,无NOx,CCS)35

:氧化剂中氧气摩尔含量

:当量比(完全反应为1)

=0.50均稳管状火焰振荡燃烧通常的富氧燃烧

≤0.40（CCS）振荡燃烧CH4:O2

+CO236CH4+2O2=CO2+H2O稳定、高温CH4/O2/CO2管状火焰

(当量比1，减少产物中O2及CO)

=0.86，TF2950K

=0.86CH4+CO2:O22950K富氧燃烧(CO2)新突破CH4:O2

+CO237CH4+CO2:O2富氧燃烧(CO2)-火焰外观瞬态及平均CH*图像，高速相机10000帧/sCH4/O2振荡燃烧侧视图

(W=2mm,L=50mm)CH4/O2–振荡燃烧38CH4/O2

–高速摄影火焰外观比较0msOOFF

0.44ms0.88ms1.32ms1.76ms2.20ms2.64ms3.08ms3.52ms3.96ms4.40ms4.84ms5.28ms6.60ms6.16ms5.72ms

=0.15,W=2mm,左：火焰前缘，右：下游侧视图0.22ms0.44ms0.66ms0msOOFF

=0.15,W=1mm,管状火焰0.22ms0.44ms0.66ms0msOOFF

=0.2,W=1mm，扩散火焰振荡燃烧高速摄像机：4500张/秒QO2

=4.0[m3N/h]需有效抑制扩散火焰的形成。3940纯氧燃烧-火焰外观Φ=0.15Φ=0.20Φ=0.50Φ=0.50Φ=0.20Φ=0.15Φ=0.12W=2mmW=1mm管状火焰不稳定燃烧稳定管状火焰形成的量化指标？气体反应动力学分析41化学反应时间(Chemkin计算)混合时间(实验测量)

L:层流火焰厚度

Su:层流燃烧速度

m:混合层厚度

Dmass:质量扩散系数

(Da:

Damköhler数)定量测量！数值计算软件Chemkin-PRO

一维预混层流燃烧模型(ChemkinPremixcode)

定常，绝热，自由传播火焰化学反应机理:GRI-MechVersion3.0

(53类反应物，325个基本反应方程式)42层流燃烧速度(Su)

化学反应时间

()边界条件：

定压(1atm)，入口温度298K入口流速50cm/s，计算区域33cm.(-3,30cm)考虑热扩散(Soreteffect)，采用多组分输运.层流燃烧速度–Chemkin-PRO43不同当量比及氧气含量的层流燃烧速度层流火焰厚度–δL

一维预混合层流火焰厚度:Ref.

ThierryPoinsot,DenisVeynateTheoreticalandNumericalCombustionδL例：当量比为F=0.3时CH4/O2预混合层流燃烧,

44δL=118.4µmSu=131.0cm/s,Tb=2547K,两端开口,全长120mm

示踪粒子流示踪粒子流无示踪粒子流无示踪粒子流MgO示踪粒子空气+MgO空气+MgO燃烧器空气空气ZXYO干燥空气干燥空气YAG激光PIV相机P.C.同步器PIV系统

(ParticleImageVelocimetry)PIV系统(TSI),双脉冲

Nd:YAG激光

(120mJ/pulse,15Hz,532nm)45混合时间-

τm

燃料与氧化剂混合过程分析W=2mmW=1mm,

Vt=0.729m/s46流场分析

氧化剂燃料燃料氧化剂Ref.

B.Shi,etal,Proc.Combust.Inst.34(2013)3369-3377.

边界层理论Ref.

E.Fernández-Tarrazoetal.,CombustionandFlame144(2006)261–276DTA:

热扩散系数Ref.

HermannSchlichtingBoundary-LayerTheory平板边界层原理

47若

Sc=1,则为混合层厚度

Dmass:质量扩散系数W=2mm48旋回型流动混合层定量分析-PIV

氧化剂燃料燃料氧化剂Source.Shi,etal,

Proc.Combust.Inst.34(2013)3369-3377.

入口处的混合过程由边界层型流动主导（非平行流动）流场可视化流场分析(W=1mm)49O周向速度分布混合层厚度:δ0

的验证边界层型流动PIV测量Re:200燃烧实验Re:20,000Valid!50Ref.H.Schlichting,BoundaryLayerTheory,7thEdition,P.40-41

Recritical=320,000未燃条件下：Ref.D.Shimokuri,Y.Zhang,S.Ishizuka,PIVmeasurementsona2-inchtubularflameburner,Proc.ofthe6thAsia-PacificConferenceonCombustion,Nagoya,Japan,2007,p.154-157Fig.6.RadialdistributionsofcircumferentialvelocityVθofcombustionflow(Upper:Velocity,Lower:Chemi-luminescent).在火焰带外围，燃烧状态下的周向速度基本与未燃状态一致。燃烧条件下是否有效?51δ0

的验证管状火焰成立条件

Source.B.Shi,etal.,Combust.Flame161(2014)1310-1325.

52即发生化学反应前，燃料与氧化剂须混合良好。CH4/O2

根据Da=1.0，推算所需最小流量，为燃烧器设计、流量控制提供定量依据！流场分析

QO=0

QO=QF

QO=0.5QF

QO=2QF

Source.B.Shi,etal.,

Combust.Flame(accepted）.

53入口处的混合最好！总流量恒定混合及流动分析-旋回流混合(燃气轮机)W=2mmL=64mmSw=0.3454QF=QO=0.15m3N/hW=2mmL=32mmSw=0.69

W=2mmL=16mm

Sw=1.37

W=2mmL=8mm

Sw=2.74

Sw>0.60,产生回流

，促进燃料与氧化剂混合Source:B.Shi,etal.,Exp.Therm.FluidSci.54(2014)1-11.55甲烷富氧燃烧燃烧器改进56甲烷纯氧燃烧甲烷-纯氧火焰（非均匀、稳定、层流）5.5kW27.3kWQO=6.0m3/h,

=1.0CH4/AirCH4/O2T=2220K=0.25W/m·KHRR=4.5x103

J/cm3sT=3050K

=2.8W/m·KHRR=2.54x105J/cm3s57甲烷富氧燃烧相图(CO2)不同氧气浓度下燃烧区间相图58甲烷富氧燃烧综合考虑掺混，直径及流量等59丙烷/空气燃烧Φ=1.6Φ=1.0Φ=0.8N2dilutedpropane/oxygenpremixedcombustionatβ=0.21(CaseA,3.0m3/h).Steadystationary,uniform,laminarflames!60丙烷富氧燃烧(CO2)β=0.30β=0.40β=0.50β=0.60CO2dilutedpropane/oxygen

combustionatΦ=1.0(CaseA,β=0.30-0.60,QF-total=QO-total=3.0m3/h).

Steadystationaryflames,becomingnon-uniformwithincreasingβ.

Steady,uniformSteady,uniformSteady,uniformSteady,non-uniform61丙烷富氧燃烧相图(CO2)β=0.60β=0.70β=0.80β=1.0InstantaneousflameimagesofC3H8/O2/CO2mixturesatstoichiometry

(CaseC,Φ=1.0,

β=0.60-1.0,QO-total=4.0m3/h).Steady,non-uniformUnsteady,anchoredflameSteady,non-uniformSteady,non-uniformWF=0.25mmWO=0.5mmR=1/2,βmax=0.7762丙烷富氧燃烧相图(CO2)不同氧气浓度下燃烧区间相图63丙烷富氧燃烧相图(CO2)不同氧气浓度下燃烧区间相图64氢气/空气火焰结构氢气/空气火焰结构图65氢气火焰结构-N2稀释氢气/氧气/氮气火焰结构图66氢气火焰结构-CO2稀释氢气/氧气/二氧化碳火焰结构图67氢气燃烧相图(N2及CO2)68氢气层流燃烧速度69氢气富氧燃烧-Da70提纲1.背景介绍技术优点研究进展2.实验研究3.工程应用纯氧切割技术传统切割技术O2/C3H8预混合湍流预热,缺点:预热火焰太短，影响切割超音速O2流管状火焰切割技术O2/CH4管状层流预混合火焰

超音速氧气流CH4O2预热(CH4/O2火焰,Φ=1.0)CH471切割试件课题来源：小池酸素㈱会社，负责实验设计、实施技术难点：高温、稳定预热火焰并与超音速流耦合。加工试件CH4/O2火焰H2/O2熔化石英玻璃管：无逆火，节约40%的H2、O2。纯氧燃烧热处理先进技术开发72

H2/O2火焰热处理时间3s课题来源：ウシオ電機㈱会社解决难点：设计燃烧器实现高温火焰精确控制、保护燃烧器。73等离子体等离子体分高温和低温等离子体。等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体。非平衡等离子体（低温）：等离子体放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体，也叫非平衡态等离子体。电场强度：放入电场中某点的电荷所受静电力F跟它的电荷量比值，定义式E=F/q，适用于一切电场；其中F为电场对试探电荷的作用力，q为试探电荷的电荷量。单位N/C，或V/m。电子能量(reducedelectronenergy)：E/n,其中E为电场强度(V/m),n为气体密度(个/cm3),通常用Td作单位，放电条件下，通常通过电子能量描述电子激发的速率。等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。74等离子体辅燃-高速飞行器燃料在燃烧室驻留时间很短微波放电，产生等离子体75等离子体辅燃技术等离子体可有效扩大可燃范围(丙烷)OH分布图等离子体辅燃常规燃烧Ref

PillaG.etal.,IEEETransactionsonPlasmaScience2006,34(6):2471-7.等离子体76等离子体辅燃低氮燃烧Ref.Karpenkoetal.,Proc.Combust.Inst.31(2007)3353–3360.200MWatGusinoozersk（古西诺泽尔斯克）UlanBator（乌兰巴托）77等离子体辅燃低氮燃烧Ref.Karpenkoetal.,Proc.Combust.Inst.31(2007)3353–3360.降氮原因：二段燃烧，第一段等离子体辅燃，煤粉中氮元素形成了氮分子（缺少空气），第二段中引入二次空气温度有所降低，热力型NOx量减少。等离子辅燃使NOx量降低一半未燃碳量大大减少，因等离子体促进化学反应线-筒式脉冲电晕反应器，NOx脱除率可达95%，但能耗较大78等离子体辅燃低氮燃烧燃煤锅炉烟气NOx污染等离子体治理技术电子束法降低烟气NOx，利用效率低，设备庞大，维护费用高介质阻挡放电，大部分能量转化为热能表面放电Ref.

魏恩宗等,环境污染治理技术与设备.Vol.4,No.1,(2003)58–62.79等离子体辅燃低氮燃烧Ref.林赫等,热力发电

2002(4)24–28.高压电源热电偶放电电极反应器NOx分析仪NaOH溶液吸收瓶13、14干燥氧气12.氧气增湿装置9.干空气10.N2+NO气体单位能量NOx脱除量47g/(kW.h),烟气总NOx脱除率可达90%。直流电晕法，等离子体过程诱导H2O-O2自由基簇射技术，结合化学吸收脱除烟气中的NOx及SOx。煤燃烧模拟烟气等离子体辅燃详细机理未知！80等离子体辅燃(CH4-Air)Ref.Kimetal.,Proc.Combust.Inst.31(2007)3319–3326激发态的N2：热力型NO

NNH形成NOOH自由基：电子碰撞：结论：等离子体产生大量NO(尤其是OH自由基),燃烧

区域火焰消耗了部分NO，使NO总量较低。81等离子体发生装置电弧放电：高温等离子体；熔化、熔接微波放电：部分高温等离子体辉光放电：E/n接近于临界值流光放电：200%超电压表面介质阻挡放电：10倍超电压纳秒级脉冲放电：10倍超电压，辅燃足够短的时间确保无电子累积和离子的重组！82分子能量分子能量=平均动能+转动能量+振动能量+电子能量原子能级分布：受激发的氧分子->分子氧(singletoxygen),如O2(a¹Δg),O2(b¹Σg+)受激发的氮分子->如,~0.03eV

0.2~2eV

3~10eV气体离子化基态激发态能量8