【摘 要】
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在我国“双碳”目标驱动政策下,能源结构逐步改善,煤炭消费比例逐年下降,天然气的消费比例逐年提高,从2009年至2020年底,天然气消费比例从0.9%提高至8.2%。虽然天然气是相对清洁的燃料,但其在燃烧过程因温度较高而产生NOx污染物,NOx污染物的排放已经不能满足越发严格的大气污染物排放限制的要求。因此,研究天然气燃烧过程及其NOx的生成规律具有重要的工程学术意义。本文采用数值计算方法分别研究了
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在我国“双碳”目标驱动政策下,能源结构逐步改善,煤炭消费比例逐年下降,天然气的消费比例逐年提高,从2009年至2020年底,天然气消费比例从0.9%提高至8.2%。虽然天然气是相对清洁的燃料,但其在燃烧过程因温度较高而产生NOx污染物,NOx污染物的排放已经不能满足越发严格的大气污染物排放限制的要求。因此,研究天然气燃烧过程及其NOx的生成规律具有重要的工程学术意义。本文采用数值计算方法分别研究了燃烧反应机理和动力学特性,探索化学反应与速度场、温度场和浓度场之间相互影响关系,分析冷壁与火焰之间的作用机制,以获得天然气的近壁面燃烧理论和降低NOx的生成规律。具体研究结果如下:（1）以全混流反应器模型描述甲烷与空气燃烧体系的燃烧过程,采用敏感性分析方法对甲烷燃烧的325步基元反应进行筛选,获得了对温度和主要组分浓度影响最为显著的基元反应,对比分析表明所获得的简化反应机理满足计算准确度的要求,可用于模拟计算燃烧特性和NOx的生成特性。（2）通过调整甲烷与空气燃烧体系的参数,化学反应动力学计算结果表明,在当量比从0.5增加至1.5范围内,生成的NOx摩尔分数呈先升高后降低的趋势,在当量比为0.95时NOx摩尔分数达到峰值,数值为0.21%;在同等当量比情况下,分别掺入10%的水蒸气和10%的氮气,NOx生成的摩尔分数最多可以减少0.16%和0.12%,且掺入量越大,抑制NOx生成的作用越大;在当量比小于1的贫燃工况下,增加氧气量,可降低NOx的生成量,在增加10%的氧气时,NOx生成的摩尔分数减少0.055%;在相同当量比情况下,氢气的燃烧温度高于甲烷的燃烧温度,总NOx生成的摩尔分数最多高出0.18%。（3）以简化的反应机理建立燃烧过程的动力学模型,计算结果表明,在相同入口射流速度8m/s下,当量比分别为0.8、1.0和1.2时,得到的NOx排放浓度与化学动力学计算结果具有一致的变化情况。在当量比为1的无冷壁情况下,燃烧空间出口处NOx的浓度最高,数值为60.36mg/m~3。在火焰锋面处加入冷壁后,最高燃烧温度降低200K,出口NOx的生成量降低至48.22mg/m~3。（4）保持当量比为1.0不变,改变入口射流速度分别为6m/s、8m/s和10m/s时,燃烧空间的温度随流速逐渐提高,NOx的生成量随之增大。在流速为10m/s的无冷壁情况下,NOx最大生成量为67.64mg/m~3,添加冷壁后,NOx的浓度降低为53.59mg/m~3。（5）在当量比为1.0、射流速度为8m/s时,冷壁在燃烧空间轴线上的位置分别为160mm、190mm和220mm,计算结果表明,冷壁位置位于160mm处,NOx的排放浓度为38.65mg/m~3,冷壁设置于190mm处（火焰锋面附近）,NOx排放浓度为48.22mg/m~3,冷壁设置于220mm处,NOx排放浓度为57.23mg/m~3。综合分析认为,冷壁位置设置在火焰锋面附近,既保证了较高的燃烧效率,又显著地降低了NOx的排放浓度。（6）在保持流量不变的情况下,计算结果发现,两股射流的燃烧温度较高,具有明显的叠加效果,产生更多的NOx。调整两个喷嘴之间的间距分别为0.5d、1.0d和1.5d,两股射流产生的温度场叠加效果降低,NOx的排放量由121.65mg/m~3降低至95.28mg/m~3。在设置冷壁、喷嘴间距为1.5d的情况下,NOx的生成量由95.28mg/m~3降低至75.07mg/m~3。
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