【摘 要】
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控制CO2的排放量已成为全球不可避免且亟待解决的一大难题。其中O2/CO2燃烧技术和洁净煤气化技术是目前最有前途的节能减排技术。前者是使用纯氧作为氧化剂,燃料燃烧后形成的产物作为循环稀释气体,通过循环燃烧使得最终生成物中只有H2O和浓度较高的CO2,再经过降温可达到气液分离,从而实现CO2的富集;后者则是将原煤进行气化和杂质气体处理后得到清洁的工业合成气,其主要成分是H2和CO,它的清洁利用也是当
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控制CO2的排放量已成为全球不可避免且亟待解决的一大难题。其中O2/CO2燃烧技术和洁净煤气化技术是目前最有前途的节能减排技术。前者是使用纯氧作为氧化剂,燃料燃烧后形成的产物作为循环稀释气体,通过循环燃烧使得最终生成物中只有H2O和浓度较高的CO2,再经过降温可达到气液分离,从而实现CO2的富集;后者则是将原煤进行气化和杂质气体处理后得到清洁的工业合成气,其主要成分是H2和CO,它的清洁利用也是当前研究的热点。但气体燃料在O2/CO2气氛下的燃烧特性尚不明确,因此本文针对H2/CO合成气在O2/CO2气氛下的燃烧特性中的一个参数,即可燃极限进行研究,并从实验测量、预测计算和数值模拟三个方面进行展开,从而来补充O2/CO2气氛下H2/CO合成气燃烧特性的基础数据,具体的研究内容如下:使用5L圆柱形密闭容器分别测量了不同比例的H2/CO的合成气、纯H2和纯CO分别在O2/CO2气氛和O2/N2气氛下的可燃极限值。对稀释气体种类、稀释气体浓度、O2浓度以及H2/CO的比例对于H2/CO的合成气的可燃极限值的影响做了对比分析。结果表明,稀释气体对于H2、CO及H2/CO合成气的点燃都起抑制作用,稀释气体浓度越大,抑制作用越强,并且CO2的抑制作用强于N2;O2浓度对于气体燃料的点燃都起促进作用,O2浓度越大,促进作用越强;H2/CO的比例越大,即H2/CO合成气中H2的占比越大,其可燃范围越大,并且此规律在O2/CO2气氛下表现得更明显。使用Ma的热理论并结合Le Chatelier公式重新推导了 H2/CO合成气、纯H2和纯CO在O2/CO2气氛下的可燃极限的预测模型。其中CO的可燃极限预测模型与实验值吻合较好;而H2和H2/CO合成气的预测模型只有在可燃上极限处吻合度较好,而在可燃下极限处的预测值普遍小于实验值。对于H2/CO合成气来说,随着H2占比的增加并且可燃下极限处的预测值与实验值的差距逐渐增大。这些偏差主要源于Ma的热理论中关于绝热火焰温度的假设。此外,Le公式对于两种气氛下H2/CO合成气的可燃下限值的预测具有一定局限性,当合成气中H2占比大于50%时预测较为吻合,此时相对误差在10%以内,最大误差达8.854%;而H2占比小于50%时误差较大,相对误差在20%以内,最大误差达17.388%。为了进一步提高可燃极限的预测精度,本文使用Fluent软件建立了圆柱形密闭容器内H2/CO合成气在O2/CO2气氛下燃烧过程的数值模型。用7%的压升值判别法得到了 H2/CO合成气的可燃极限模拟值的范围,结果表明,H2/CO合成气可燃极限的模拟值随稀释气体浓度的变化规律与实验情况基本一致;本文对吸收系数项使用修正的WSGG模型进行计算,以精确地模拟辐射热损失对于H2/CO合成气可燃极限的影响,结果表明,辐射热损失的存在会抑制H2/CO合成气的燃烧,并且O2/CO2气氛下H2/CO合成气可燃极限受辐射热损失的影响大于O2/N2气氛。
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