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太原理工大学硕士研究生学位论文 弛放气燃烧特性的实验研究 摘要 本文在国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目气化煤气与热 解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究的资助下，利用c i - h 、c o 和 h 2 按一定体积百分比配制的混合气模拟弛放气，采用实验研究的方法，研 究弛放气燃烧的基本特性，积累弛放气燃烧的基础数据与规律，为弛放气 的工程燃烧提供指导。 本文介绍了c i - 1 4 、c o 和h 2 的燃烧基本理论、弛放气的物理化学性质， 建立了研究弛放气燃烧特性的燃烧实验系统，在实验系统上完成了过量空 气系数对弛放气燃烧温度，燃烧产物影响的实验研究。 本文通过实验得出了弛放气的燃烧温度在燃烧室内沿半径方向逐渐下 降，在靠近燃烧室壁面附近，燃烧温度沿轴向上升，燃烧室内其它地方沿 轴向逐渐下降，出口温度低于5 0 0 。在过量空气系数a = 0 8 1 3 的范围内， 0 2 浓度沿轴向逐渐增加，c 0 2 浓度先升高后降低，在a = 0 9 5 附近其浓度出 现峰值。通过实验发现，在过量空气系数a 0 9 时，n o x 的生成量急剧增 加，a = 1 0 5 时其浓度出现谷值，在a = 1 1 时出现峰值，在谷值前其浓度下 降显著，峰值后其浓度降低速度变缓。通过实验发现，在n o x 的生成过程 中，过量空气系数存在最小值和最佳值，要根据具体情况来决定过量空气 系数的大小。 关键词：弛放气，扩散燃烧，实验研究，多联产 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r m 任n 1 a li n v e s t i g a t i o no n c o 田l u s t i o nc h a ra c t e r i s t i c so fp u r g eg a s e a bs t r a c t s u p p o r t e db yt h ei m p o r t a n tb a s i cr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a no fn a t i o n ( p l a no f9 7 3 ) ( ( t h eb a s i cr e s e a r c ho fg a s i f i c a t i o ng a sa n dp y r o l y s i sg a s p r o d u c e s y n t h e s i s g a si n p o l y g e n e r a t i o na p p l i c a t i o n ，e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o nb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fp u r g eg a sw i t c hi ss i m u l a t e du s i n gc h 4 、 c oa n dh 2a c c o r d i n gt oc e r t a i np e r c e n t a g ep r e p a r a t i o n ，a c c u m u l a t i n gb a s i cd a t a a n dr e g u l a r i t yo fc o m b u s t i o no fp u r g eg a s t h eg u i d a n c ei s p r o v i d e df o r e n g i n e e r i n gc o m b u s t i o no fp u r g eg a s t h eb a s i ct h e o r yc o m b u s t i o no f m e t h a n e ，c a r b o nm o n o x i d e ，h y d r o g e n ，a n d t h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t yo fp u r g eg a sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e s y s t e mo fc o m b u s t i o ne x p e r i m e n to fp u r g eg a si se s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c eo f e x c e s sa i rc o e f f i c i e n to nt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o n ，c o m b u s t i o np r o d u c t so f p u r g eg a si ss t u d i e d t h e t e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o no fp u r g eg a sg r a d u a l l yd e c l i n ei nt h er a d i a l d i r e c t i o n ，a r i s ef i r s ta n dd e s c e n dl a t e rn e a rc h a m b e rw a l la n dg r a d u a l l yd e c l i n e o t h e rp l a c e sa i o n gt h ea x i a ld i r e c t i o n ，c h a m b e ro u t l e tt e m p e r a t u r el e s st h a n50 0 w h e ne x c e s sa i rc o e f f i c i e n t ( 叻a r ei nt h er a n g eo f0 8 - 1 3 ，t h eo x y g e n c o n c e n t r a t i o nc o n t i n u a l l yi n c r e a s e da n dt h ec a r b o nd i o x i d ed e n s i t yi n c r e a s e d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n dt h e nd e c r e a s e da l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o n ，t h ep e a kv a l u ea p p e a r e da t a = 0 9 5 ( e x c e s s a i r c o e f f i c i e n t ) i t i sf o u n d t h r o u g he x p e r i m e n t t h a tt h e c o n c e n t r a t i o no fn o xi n c r e a s e dr a p i d l ya ta o 9 ( e x c e s sa i r c o e f f i c i e n t ) ， a p p e a r e dv a l l e yv a l u ea ta = 1 0 5 ( e x c e s sa i rc o e f f i c i e n t ) a n da p p e a r e dp e a kp o i n t a ta = 1 1 ( e x c e s sa i rc o e f f i c i e n t ) t h ec o n c e n t r a t i o no fn o xd e c r e a s e do b v i o u s l y b e f o r ev a l l e yv a l u e ，a n dd e c r e a s e ds l o w l ya f t e rp e a kv a l u e t h ee x c e s sa i r c o e f f i c i e n th a sm i n i m u mv a l u ea n db e s tv a l u ei ng e n e r a t i v ep r o c e s so fn o x ，t h e e x c e s sa i rc o e f f i c i e n ti sd e t e r m i n e db yt h ec o n c r e t ec o n d i t i o n k e yw o r d s ：p u r g eg a s ，d i f f u s i o nc o m b u s t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , p o l y g e n e r a t i o n i v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 兰2 丝溘 日期：鲨竺：垒兰z 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流办目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： i 匀i 兰逸 日期：签名： l 纠! 兰逸 日期： 力训f 研 导师签名：缂当n l 日期：丝型l 兰j l 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 我国的能源与环境现状 第一章绪论 我国作为世界上最大的发展中国家，能源生产与消费均独具特色。从总量上来讲， 我国的能源生产量仅次于美国与俄罗斯，排在世界第3 位；基本能源消费也仅次于 美国，居世界第2 位。由此可见，我国既是一个能源生产大国，也是一个能源消费 大国。但由于人口众多，我国的能源资源人均拥有量和消费量远远低于世界平均水平。 目前我国年人均用能还处于相对低的水平，约1 0 0 0 k g ，比起美国的人均用能1 1 0 0 0 k g ， 日本、德国、俄罗斯等国的5 0 0 0 k g , - - 6 0 0 0 k g ，尚有很大差距。从能源结构来讲，我国是 “富煤缺油少气”，与世界的能源全局状况正好相反【1 一。在我国的一次能源消费中，煤 炭消费占6 9 3 ，石油消费占2 0 8 ，天然气消费占2 8 ，水电、核电和其它可再生能 源消费占7 1 1 3 1 。 我国能源的开发和利用率低下，尚存在巨大的节能潜力。据统计数据显示，我国 极为有限的能源并没有得到有效利用。我国能源综合利用效率约为3 3 ，比发达国家 低1o 个百分点；单位产值能耗是世界平均水平的两倍多；主要产品单位能耗平均比 国外先进水平高4 0 1 4 1 。 我国是世界上能源生产第三大国，煤炭生产第二大国，煤炭消费第一大国，也是当 今世界上大气环境污染最严重的国家。我国大气污染属煤烟型污染，煤炭的使用是大气 污染的主要来源，分别占飞灰排放的7 0 、二氧化硫排放9 0 、二氧化碳排放的7 0 和氮氧化物排放的6 7 1 5 , 6 1 。 s 0 2 排放量居高不下。2 0 0 0 年我国s 0 2 排放量为1 9 9 5 万吨，在大力治理的情况下 2 0 0 2 年排放量仍有1 9 2 7 万吨，而到2 0 0 3 年又回升到2 1 5 8 1 7 万吨，比上年增加1 2 ， 据国家环保总局、国家统计局、国家发展和改革委员会2 0 0 7 年8 月2 1 日发布2 0 0 7 年上半年各省、自治区、直辖市主要污染物排放量指标公报结果显示，2 0 0 7 年上半 年，全国s 0 2 排放总量1 2 6 3 4 万吨【7 1 。s 0 2 排放居高不下，导致最严重的结果是酸雨， 由于二氧化硫排放大大超过环境自净能力，我国已有约1 3 的国土受到酸雨污染。2 0 0 2 年对5 3 0 个城市监测，出现过酸雨的城市占4 8 9 ，其中年均p h 值低于5 6 的城市1 7 1 个，占3 2 3 。我国c 0 2 排放量占世界总排放量的1 4 ，c 0 2 最大的危害就是温室效应。 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 每燃烧一吨煤排放出乱l l k g 烟尘，形成大气中的悬浮颗粒，2 0 0 3 年我国烟尘排放量 1 0 4 8 7 万吨。烟尘中主要是煤尘和粉尘，还有少量金属和化合物颗粒，其直径大于1 0 1 1m 的易于沉降，直径小于1 0 j _ t m 的常能飘浮到较远的地方，污染范围较大，烟尘吸入 肺部会在肺泡内沉积，烟尘使云雾天气增多，影响交通运输。 国家环保总局在2 0 0 7 年5 月2 2 日发布的2 0 0 7 年第一季度环境质量状况报告中指 出，中国的环境污染问题在继续恶化。环境的严重污染给人类社会造成的危害极大，我 国每年因环境污染造成的损失达2 0 0 0 多亿元。2 0 0 6 年9 月7 日，国家环保总局和国家 统计局向媒体联合发布的中国绿色国民经济核算研究报告2 0 0 4 中指出：2 0 0 4 年因 环境污染造成的经济损失为5 1 1 8 亿元，占g d p 的3 0 5 附引。 化石能源的大量应用，带来了严重的环境恶化的后果，而且还面临更严重的挑战。 因而，各个国家、各个工业部门都在寻求资源消耗少能源转化效率高、总体排放少的系 统。以煤炭整体气化为基础的多联产系统是从整体最优化角度、跨行业界限提出的一种 高灵活的资源、能源和环境一体化系统【9 】。其基本思路如图1 1 。 图1 - 1 多联产系统原则性图 f i g 1 1 s y s t e mo f p o l y g e n e r a t i o np r i n c i p l eg r a p h 煤炭气化联产系统已不是传统意义上的提高能量转换效率或利用余热的热电联产， 而是通过联合生产电能、液体燃料和化工品而大幅度降低能源和物质消耗的新型生产系 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 统。它弥补了单项洁净煤技术难以同时满足效率、成本和环境多方面要求的不足，并与 氢能利用、削减排放的长远可持续发展目标兼容，是煤的清洁利用技术的一个主要发展 方向【1 0 1 。 1 2 课题背景 现在，世界各国都在寻求资源消耗少，能源转化效率高，总体排放少的系统【1 1 1 。 例如： 美国能源部( d o e ) 提出的v i s i o n 2 1 ( 展望2 1 ) 能源系统( 图卜2 ) ，其基本思想是以 煤气化为龙头，利用所得的合成气，一方面用以制氢供燃料电池汽车用，另一方面通过 高温固体氧化物燃料电池和燃气轮机组成的联合循环转换成电能，能源利用效率可达5 0 - - 6 0 ，排放少，经济性比现代煤粉炉高1 0 。s h e l l 公司提出s y n g a sp a r k ( 合成气 园) 的概念，它亦以煤的气化或是石油和渣油气化为核心，所得的合成气用于i c - c c 发 电，用一步法生产甲醇和化肥，并作为城市煤气供给用户( 图卜3 ) 。在石化企业中建立 i g - c c 动力站，燃用厂内生产的廉价重质渣油、沥青、石油焦或o r i m u l s i o n 油，它既能 为化工流程生产提供合成原料气，又能用于提供合成气生产所需的电能和蒸汽，使电能、 热能的生产过程与化工过程有机地结合起来，使所生产的化工产品和电能的成本降低。 其中比较典型的是意大利i s a b 公司装置，它的输出功率为5 2 2m w ( 见图1 - 4 ) 。 c o “去埋藏) 污染物( h 3 s , p m , 碱金i g ) 热水、 图1 2 展望2 1 能源系统【1 2 1 f i g 1 - 2v i s i o n2 1e n e r g ys y s t e m 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 城帮煤气同 图1 3s h e l l 合成气园概念1 3 1 f i g 1 - 3s y n g a sp a r kc o n c e p to fs h e l lc o m p a n y 翻 图1 - 4 石化i g c c 动力站及联产1 4 】 f i g 1 - 4i g c cp o w e rs t a t i o na n dp o l yg e n e r a t i o ni np e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e 目前国内外现有的多联产模式均是以单一煤气化为气头。由教育部资助的国家重点 基础研究项目( 9 7 3 计划) 气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究 中，提出了“双气头”多联产系统设想，即利用煤气化技术，将气化煤气富碳、焦炉 煤气富氢的特点相结合，采用气化煤气与焦炉煤气催化重整技术，进一步使气化煤气中 的c 0 2 和焦炉煤气中的c i - h 转化成合成气，这样不仅可以提高原料气的有效成分，调解 氢碳比，而且可以免除水煤气变换反应，降低能量损耗。其系统如图1 5 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 5 气化煤气和热解煤气多联产工艺和技术总体框架【1 5 】 f i g 1 5f r a m e w o r ko f t e c h n o l o g ya n dt e c h n i q u ei np o l yg e n e r a t i o n o fg a s i f i c a t i o ng a s & p y r o l y s i sg a s 我国的焦炭产量界第一，今后虽不会有很大增大，但发展趋势是大型化和集中生产， 这就为焦炉煤气的输配和利用提供了有利条件。以年产1 0 0 万吨焦炭为基准计算，年产 煤气约4 6 5 亿n m 3 。按照合成甲醇碳氢比l ：2 要求，可调配本项目所研究的煤气化技术 ( 自主创新成果) 生产的煤气6 7 5 亿n m 3 ，其中4 2 2 亿n m 3 用于焦炉加热燃烧( 即采 用低附加值的气化煤气顶替焦炉煤气用于焦炉加热) ，2 5 3 亿n m 3 用于合成。煤热解和 气化共产生约9 3 3 亿n m 3 合成气，9 3 3 亿n m 3 合成气可生产甲醇4 0 5 5 万吨或3 0 0 兆 瓦电力，实现c 0 2 减排1 8 5 亿n m 3 。 在如图1 5 系统中，电力不是唯一的产品，原料气需要用于制备其它化学品，而用 于发电的是化工生产过程中产生的弛放气和剩余粗煤气。因此在多联产系统中燃气发电 会存在以下问题：( 1 ) 弛放气及粗煤气的成分随系统的运行状况变化，因而热值不稳定， 其它相关的物理、化学特性也会变化；( 2 ) 弛放气及粗煤气的压力、温度、流量等参数 随系统的运行状况变化，导致最终进入燃气轮机的燃料配比也会发生变化。 因此，为了保证系统中燃气一蒸汽联合循环发电系统稳定地输出电力产品，首先需 要根据运行情况调配进入燃气轮机燃料的总热值。此外，由于系统弛放气和粗煤气的成 分和参数也是变化的，在总热值达到要求的情况下，还必须保证燃料气能够稳定、充分、 低污染燃烧，这样才能保证燃气轮机的稳定正常运行。因此，在利用多联产弛放气及粗 煤气发电中燃烧的控制就显得尤为重要，是亟待解决的关键科学问题。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 涉及此科学问题的主要研究内容有：不同成分弛放气和粗煤气的基本燃烧特性，适 用于弛放气和粗煤气的催化材料特性及制备技术，燃气轮机燃烧工况下低燃料浓度、低 燃烧温度和催化剂稳燃的方法，组织弛放气和粗煤气的控制催化燃烧模拟实验研究，多 控制技术联合作用下的催化燃烧的数学模型。 1 3 弛放气燃烧特性的研究现状 根据燃料发热量的大小，燃料大致可分为三类，即高热值燃料、中热值燃料和低热 值燃料【】6 】。弛放气属于低热值燃，低热值燃气燃烧难以点燃和控制，燃烧时容易出现回 火或吹熄等现象，稳定燃烧不易实现。目前国内外对低热值燃料燃烧的研究主要集中于 燃烧稳定性的研究，应用较为广泛的稳燃技术主要有以下两类；一、优化着火条件的稳 燃技术：浓缩煤粉燃烧，分级点火，高温预热；二、优化燃烧场结构的稳燃技术：钝体 燃烧器，旋流燃烧，u 形管燃烧。针对各种具体的稳燃技术，国内外都有研究【l 7 2 9 1 。对 贫燃料预混燃烧的回火问题国外已有学者进行了大量的实验研究，但主要进行的是碳氢 燃料或碳氢燃料和氢气混合物的回火特性研究【3 0 】。 低热值燃料在燃气轮机中的燃烧是煤的多联产方案中重要的课题，也是在燃烧领域 涉及不多的领域，尤其对特定成分的弛放气和粗煤气的燃烧研究几乎是空白。因此，对 低热值、多变组分弛放气的基本燃烧特性的研究，取得基础数据是可行的。这对于“双 气头 多联产方案的实施，尤其是燃气一蒸汽联合循环发电有重大意义。 1 4 本课题的主要研究内容和方法 本论文的主要研究内容有： 1 、确定试验方案和方法，进行实验系统设计并完成实验系统的搭建工作。 2 、实验研究过量空气系数对不同成分的弛放气在纯扩散燃烧情况下的温度水平。 3 、实验研究过量空气系数对不同成分的弛放气在纯扩散燃烧情况下的燃烧产物的 影响。 通过对弛放气燃烧特性的研究，得到不同成分、不同流动参数的弛放气在纯扩散燃 烧情况下的温度水平和燃烧产物的分布规律。 研究方法： 设计并建立气体燃烧试验系统，采用理论和实验相结合的方法，应用热电偶测量燃 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 烧室温度场，应用多功能烟气分析仪分析燃烧产物的浓度分布，根据实验要求，改变实 验工况，采集相应数据，应用e x c e l 、o r i g i n 等计算机软件对数据进行处理分析，总结 不同成分弛放气在纯扩散燃烧情况下的基本燃烧特性。 1 5 本章小结 针对我国目前所面临的能源和环境问题，介绍了几种资源消耗少，能源转化效率高， 总体排放少的系统。提出了利用多联产系统中弛放气在发电中的关键科学问题，即不同 成分、不同流动参数的弛放气基本燃烧特性的研究，介绍了本论文的主要研究内容和研 究方法。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章燃气燃烧的基本理论 2 1 气体燃料的燃烧特点及燃烧形式 气体燃料的燃烧一般包括三个基本过程，即燃料和空气的混合过程、混合气体的升 温和着火过程、混合气体的燃烧过程。前两个过程本质上是燃料和氧化剂之间发生物理 性接触的过程。因此，气体燃料燃烧所需的全部时间由两部分组成，即燃料与空气之间 发生物理性接触所需的时间f 曲和进行化学反应所需的时间，亦即： f 2 f 朋+ f d ， 如果f 曲“f d ，则f ，此时称燃烧过程在动力区进行，此时的燃烧速度将主要 受化学动力因素的控制。如果，则f ，此时称燃烧过程在扩散区进行，此 时的燃烧速度主要受流体动力学因素的控制。 扩散区和动力区是燃烧过程的两个极限区，两者之间的燃烧过程称为中间区或动力 扩散区。在中间区，燃烧过程所需的物理性接触时间和化学反应时间向接近，即： f 曲f d ， ，一 此时的燃烧速度与流体动力学和化学动力因素都有关系。 一般可用一次空气系数a ，来区分燃烧过程所属区域。扩散区燃烧时，燃料与空气 不预先混合，a 。= 0 ；动力区燃烧时，燃料与燃烧所需的全部空气预先混合，口。1 ；动 力扩散区燃烧时，燃料只与部分空气预先混合，0 u ，燃烧前沿向上游( 向左) 移动。 ( 2 ) 如果s 。 0 0 5 ；d = 2 0 32 7 ；= ( 1 - 2 5 ) x 1 0 9 ) 。 一定的h 2 0 的浓度有利于c o 的燃烧反应，据有关资料介绍，水分含量的最佳值 为7 - 9 。如果水分过多，会使燃烧温度降低而减慢反应速度。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 5 甲烷的氧化反应惭l 碳氢化合物的燃烧机理，和h 2 与c o 相比，更为复杂。甲烷为最简单的碳氢化合 物，下面介绍甲烷的燃烧反应机理。 链的产生 c h 4 + 0 2 一c h 3 + h 0 2 链的继续 c h 3 + 0 2 专c h 2 0 + o h o h + c h 4 专c h 3 + 1 1 2 0 o h + c h 2 0 jh 2 0 + h c o 退化分支 c h 2 0 + q h c o + h 0 2 链的继续 h c o + d 2 专c o + h 0 2 c h 4 + h 0 2 专皿0 2 + c h 3 c h 2 0 + h 0 2 1 - 1 2 0 + h c o 在缓慢氧化反应中，反应链将在器壁上中止，方程式如下： 链的中止 o h 斗器壁 c h 2 0 专器壁 高温下甲烷的燃烧反应除了氧化物的链锁反应外，还伴随着甲烷的分解。基本的反 应式包括甲烷的不完全燃烧反应 c h 4 + 0 2 - 9 , h c h o + 鸥0 和甲醛的进一步完全燃烧 h c h o f q 专1 - 1 2 0 + c 0 2 甲烷的反应速度和氧及甲烷的浓度有关，并和温度及压力有关。根据实验研究，甲 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 烷氧化的最大反应速度可用下式表示 w = a c h 4 m 【d 2 r p ( 2 1 2 ) 式中 口一比例常数：p 一系统的总压力；m ， ，r 一实验常数，其数值与温度有 关。 2 2 6n o 。的生成机理 通过前期的实验发现，燃烧产物中含有氧化氮( n o x ) 。n o x 中主要是n o 和n 0 2 ， n o 的生成途径主要有三种【3 7 - - 4 2 ： 1 、温度型n o ( t - n o ) 由空气中的n 2 在高温下氧化生成的n o 。被普遍承认的机理是由前苏联科学家捷 尔多维奇( z e l d o v i c h ) 于1 9 4 6 年提出的【4 3 4 4 1 。捷尔多维奇认为t - - n o 的生成途径是以 下两个链锁反应： o + n 2 一n o + n n + 0 2 专n o + o n + o h n o + h t - n o 生成特点是【4 5 】： ( 1 ) 受温度影响最为显著。 ( 2 ) 同时受氧浓度和高温区停留时间影响。 ( 3 ) 主要在火焰下游大量生成。 2 、快速型n o ( p - n o ) ： 碳氢化合物燃料过浓时燃烧生成的n o 。它产生于火焰面内，是富碳化氢类燃料燃 烧时特有的现象。p n o 是碳氢系燃料在过量空气系数a 1 ) 三原子气体体积仍按下式计算。 = + = o 0 1 ( c 0 2 + c d + 聊g 风+ 皿s ) 水蒸汽体积按下式计算： v u ，o = 0 0 1 皿+ h 2 s + 互ng 巩+ 2 。( 哝+ a y 。以) 式中 d 实际烟气中水蒸汽体积，m 3 m 3 。 氮气按下式计算： = 0 7 9 a v o + o 0 1 n 2 式中 实际烟气中氮气的体积，m 3 m 3 。 2 4 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 过剩氧体积按f 式计算： 坛= 0 2 1 ( a 一1 ) v o 式中 v o , 实际烟气中过剩氧体积，m 3 m 3 。 实际烟气总体积按下式计算： 巧2 + 0 + + 式中 k 实际烟气量，m 3 m 3 。 2 3 3 燃烧温度计算 ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) 一定比例的燃气和空气进入炉内燃烧，它们带入的热量包括两部分：一部分是由燃 气和空气带入的物理热( 燃气和空气的热焓) 另一部分是燃气的化学热量( 热值) ，如果 燃烧在绝热下进行，这两部分热量全部用于加热烟气本身。则烟气所能达到的温度称为 热计量温度。 标准状态下，燃料燃烧前后的热平衡方程式为 纰，咿+ g + q = ( 2 - 2 3 ) 式中 q 鲫，甜一收到基低位热值，i o k g 或i o m 3 , 皱燃料的物理显热，i o k g 或i o m 3 ； q 口一由空气带人的物理显热，i o k g 或i o m 3 ； l 燃烧后所产生的烟气焓，i o k g 或i c l m 3 ； 对于气体燃料： q g = ( c + 1 2 0 c h ：。哝) 乞 。q = a v 。( c 口“2 0 c h ：。如) 乞 l = ( c 赢+ 0 。+ c 2 + c d 2 ) 乞 式中 1 2 卜标态下水蒸气的比体积容m 3 k g ； c g 一标态下燃气的平均体积定压热容，狄研3 k ) ； 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 d 一标态下水蒸气的平均体积定压热容，k 3 1 ( m 3 k ) ； c 口一标态下空气的平均体积定压热容，i d l ( m 3 k ) ； g o , ，吒d ，c 2 ，c - d 2 一标态下三原子气体、水蒸气、氮、氧的平均体积定压热容， k j ( m 3 k ) ； 噍一标态下干燃气的含湿量，m 3 k g ； 吃一标态下干空气的含湿量，m 3 k g ； f c 一热量计温度，； 名，乞燃气与空气温度； ，一标态下l m 3 干燃气完全燃烧后所生成的三原子气体、水蒸 气、氮、氧的体积，m 3 m 3 。 由上面的4 个公式，即可得出热量计温度计算式： ，c ：坠芷墼竺堕掣坐垡! ：三竺鱼2 坐 ( 2 _ 2 4 ) + d d + 吒+ c d 2 如果在热平衡方程中将由于化学不完全燃烧( 包括c 0 2 和h 2 0 的分解吸热) 而损失的 热量考虑在内，所求得烟气温度为理论燃烧温度 瑶：坠芝骘蜂竺墼竺v o 鱼! ：三! 鱼业 ( 2 - 2 2 - 2 5 ) l “= 。二二_ j i _ 二一 l) ， ” + ：d o + c 2 + 式中瑶一理论燃烧温度，； q 一标态下燃气化学不完全燃烧( 包括c 0 2 和h 2 0 的分解吸热) 而损失的 热量，k j m 3 。 q = g c 既， 式中 吼一化学不完全燃烧热损失与燃气低热值之比。 在实际计算中，当烟气温度低于1 5 0 0 。c 时，c 0 2 和h 2 0 分解的影响可忽略不计。 当烟气温度高于1 8 0 0 - 2 0 0 0 ( 2 时，c 0 2 和h 2 0 的分解吸热不能忽略不计。具体的分解 反应如下： 2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 c q 专2 c 0 + d 2 一脯 2 马d 哼2 皿+ d 2 一脯 因此利用公式2 2 5 和通过查询相关数据，采用试算法，得出不同过剩空气系数下 ( 氧气在空气中的体积比为2 1 ) ，甲烷的绝热火焰温度见图2 8 。从图可以看出，甲 烷的理论燃烧温度在化学计量比等于1 时达到最高，随着过量空气系数的增加，甲烷的 理论燃烧温度近似于线形下降。 2 4 本章小结 图2 8 甲烷理论燃烧温度和过剩空气系数的关系【3 5 】 f i g 2 8r e l a t i o no f m e t h a n et e m p e r a t u r eo f t h e o r y c o m b u s t i o na n dc o e f f i e i e n to fe x c e s sa i r 根据燃料在燃烧前是否与空气混合，将气体燃料的燃烧分为了扩散式燃烧和预混 式燃烧。本章主要介绍了扩散式燃烧与预混式燃烧的特点、扩散式燃烧的火焰结构、燃 烧的基本的条件、燃烧反应的类型、气体燃烧的火焰传播速度，影响火焰传播速度的因 素多种多样，其中包括燃气的初始温度、燃气浓度、燃气压力及燃气成分等；氢气、一 氧化碳和甲烷氧化反应的机理，通过对反应机理的介绍，可以看出气体燃料的燃烧属于 链式反应中的支链反应；同时介绍了燃气燃烧的计算，包括燃烧所需空气量的计算、燃 烧产物的计算和燃烧理论温度的计算，同时给出了甲烷的理论燃烧温度和不同的过量空 气系数之间的关系。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 弛放气的成分 第三章弛放气的成分及性质 以焦炭、重油或天然气为原料进行合成氨的生产过程中，随着合成塔内化学反应的 进行，无法进行反应的惰性气体逐渐累积，从而导致入塔循环气中氢气分压降低，使转 化率下降，塔内压力升高。为了保证生产正常进行，需要经常把部分合成气排放出循环 系统，这部分气体被称作弛放气。由于弛放气将惰性气体及时带出循环系统，从而维持 合成塔中氢气的分压，保证一定的转化率。 弛放气一般是指化工生产过程中未被充分利用而排放出的多组分气体，它因工艺过 程及系统的运行状况的差异而呈现出了其多变性与复杂性。弛放气的主要成分有：h 2 、 c h 4 、 c o 、c 0 2 、n 2 ，另外因工艺不同还可能含有n h 3 、c m h n 或一些醇类、醚类、 脂类。下面以合成氨与甲醇为例来说明其中弛放气的成分及含量。 通过上面的分析可以发现，弛放气中的可燃成分主要是氢气、一氧化碳和甲烷。 3 1 1 合成氨厂中弛放气的组成 在合成氨生产中，为了维持循环气中惰性气体的平衡，保持合成反应的最佳工艺 条件，必须从合成系统中排放出一部分富集惰性气体的循环气，统称为弛放气t 4 7 1 。表 3 1 、表3 2 为以煤为原料和以非煤为原料的合成氨过程中弛放气的组成及比例。 通过表3 1 和表3 2 ，在合成氨的生产过程中，产生的弛放气中主要以氢气为主， 另外还有少量的不可燃气体。弛放气中的这部分不可燃气体称作惰性气体，它们对弛放 气的燃烧特性将产生明显的影响。 表3 - 1 合成氨弛放气的组成【4 3 , 4 9 1 t a b l e 3 1c o m p o s i t i o n so f e x h a u s tg a sf r o ma m m o n i a s y n t h e s i s 表3 - 2 合成氨弛放气的组成( 非煤为原料) 啪1 太原理工大学硕士研究生学位论文 t a b l e 3 2c o m p o s i t i o n so f e x h a u s tg a s e sf r o ma m m o n i as y n t h e s i s 3 1 2 合成甲醇过程中弛放气的组成 在合成甲醇的过程中，为了维持循环气中惰性气体的平衡，保持合成反应的最佳 工艺条件，必须从合成系统中排除一部分富集的气体即甲醇弛放气。甲醇合成系统中弛 放气的组成如表3 3 ： 3 - 3 合成甲醇弛放气的组成1 5 1 5 3 】 t a b l e 3 3t h ec o m p o s i t i o no f e x h a u s tg a s e sf r o mc a r b i n o ls y n t h e s i s 3 2 弛放气的性质 综上所述，弛放气是由可燃气氢气、甲烷、一氧化碳和惰性气体氮气、二氧化碳、 氩气等所组成的混合气。混合气的物理化学性质由其中的单一气体及其比例所决定。 低热值燃料在燃气轮机中的燃烧是煤的多联产方案中重要的课题，也是在燃烧领域 涉及不多的领域，尤其对特定成分的弛放气和粗煤气的燃烧研究几乎是空白。为了研究 多变组分弛放气的燃烧特性，有必要对组成弛放气的单一气体的物理化学性质有所了 解。表3 - 4 列出了弛放气中可燃气体的一些主要物理性质。 表3 - 4 弛放气成分主要性质表【5 4 l t a b l e 3 - 4c h a r a c t e r i z a t i o no fc o m p o n e n t si ne x h a u s tg a s e s ( 续) 表3 - 4 弛放气成分主要性质表 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 t a b l e 3 - 4c h a r a c t e r i z a t i o no fc o m p o n e n t si ne x h a u s tg a s e s 3 3 本章小结 本章主要介绍了弛放气中可燃气成分的种类及在合成氨和合成甲醇过程中弛放气 的组成。从中可以看出，随着化工生产工艺的不同，弛放气的组成有很大的变化。另外 还介绍了弛放气中单一可燃气体的物理性质。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 引言 第四章实验系统建设 实验研究是燃烧研究的重要手段和方法。建立实验测试系统必须涉及设计合理， 加工制造精确，测量方法准确可靠。根据本课题的要求，本实验系统应满足如下的要求： ( 1 ) 实验系统应能根据实验的要求配制不同比例的混合气，使混合气的组成成分， 流动参数等能够根据实验的要求调节。 ( 2 ) 实验系统能够适应不同组分的混合气的燃烧，即实验工况发生改变时，燃烧 器仍能满足稳定燃烧的条件。 ( 3 ) 该实验系统的测量部分能满足对燃烧温度和燃烧产物准确测量的要求。 ( 4 ) 实验系统应能满足密封性的要求。 4 2 实验系统设计条件 该实验系统的设计是按下列给定条件设计的。给定燃气的最大流量为o 3 m 3 m ，混 和气的成分为h 2 、c o 和c h 4 ，体积百分比及低位发热量分别为h ：6 5 ， q d = 1 0 7 9 0 l f _ 、 a 脚 、 ：)、 c 伍 、 ：x ， 、 c 、 ：)：) ， 、 ：)： ，一 、 ：)、 燃烧器 一 厂 l _ j0 图5 一l 燃烧室测点位置 f i g5 - 1t h el o c a t i o no fm e a