二甲醚火焰燃烧特性及工程应用的研究

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1、二甲醚火焰燃烧特性及工程应用的研究重庆大学博士学位论文学生姓名：亢银虎指导教师：卢啸风教授专业：动力工程及工程热物理学科门类：工学重庆大学动力工程学院二O一五年三月StudyonCombustionCharacteristicsofDimethylEtherFlameandEngineeringApplicationAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByKangYinhuSupervisedbyPro

2、f.LuXiaofengSpecialty:PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsCollegeofPowerEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China.March2015中文摘要摘要我国90%的工业锅炉采用煤炭作为燃料，使得燃煤工业锅炉的污染问题尤为突出，成为我国大气污染物的主要来源之一。实践证明，基于我国丰富的煤炭资源，发展煤化工产业，将其转化为清洁燃料，不仅是实现煤炭清洁利用的有效途径，也能减少我国油气资源的进口量、确保国家能源安全。二甲醚(DME，CH3OCH3)便是

3、一种可从煤炭高效、大规模制取的清洁替代燃料，被国家发改委认定为唯一的理想清洁替代能源，可替代部分LPG和柴油等传统燃料。目前，DME主要被应用于压燃式内燃机，国内外对此做过较系统全面的研究；而对于DME在工业锅炉和窑炉等设备内的燃烧特性和工业应用，国内外的相关研究则很少。本文提出将DME应用于工业锅炉，以解决它的环境污染问题，同时消耗国内DME的过剩产能。工业锅炉内的火焰按燃烧方式，可分为预混火焰和扩散火焰两种。本文对DME/空气射流扩散火焰的基础燃烧特性进行研究，包括：火焰几何尺寸、稳定性、NOx和CO的排放特性、热辐射特性。此外，还设计搭建了一台中规模清洁燃气燃烧试验台，

4、在国内外首次对DME在工业锅炉内所形成的预混火焰的燃烧特性进行研究，包括：水冷炉胆内DME预混火焰的燃烧、流动及反应区大小特性、NOx和CO的排放特性、DME燃烧产物纵掠高温烟管和横掠对流管束的传热特性。研究结果多被整理成具有实用价值的经验关联式和计算方法，对DME工业锅炉和窑炉的设计和运行具有较好的参考价值。主要研究内容和创新点如下：①对DME/空气射流扩散火焰的几何尺寸和火焰稳定性进行试验研究，得到其火焰长度、直径和体积的经验关联式和吹熄极限。同时，将DME射流扩散火焰的上述特性和天然气、LPG的进行对比，为DME工业锅炉的设计运行或对天然气和LPG锅炉进行改造、以改烧D

5、ME，提供参考依据。此外，还推导出射流扩散火焰几何尺寸的相似解析解，提出一种新型、预测精度更高、合理性更好的射流扩散火焰无量纲长度、直径和体积的关联式形式。②通过试验，测试DME/空气射流扩散火焰内部NOx和CO的分布特性及其排放因子，分析燃料射流速度和伴流空气速度对NOx和CO排放因子的影响。同时，采用CFD-CRN方法、反应路径分析和灵敏度分析方法，并结合DME的详细反应机理，研究DME射流扩散火焰不同区域内含N组分之间的转化关系、NOx的反应速率特性、及NOx的反应机理和路径，阐明了DME射流扩散火焰内污染物的生成和排放机制，为制定合理的污染物减排措施提供依据。③通过试

6、验，测试和分析DME/空气射流扩散火焰的热辐射特性，最终得到DME射流扩散火焰辐射分数关于喷嘴内径df、燃料射流雷诺数Ref及伴流空气速I重庆大学博士学位论文度uco的经验关联式，并提出计算火焰外围辐射热流密度的公式和方法。研究结果可为DME非预混射流燃烧系统中辐射受热面的设计计算提供参考。④在清洁燃气燃烧试验台上，在国内外首次对不同过量空气系数α和燃烧负荷Q条件下，DME在水冷炉胆内所形成的预混火焰的温度和组分分布进行了测试；分析了炉内DME火焰的燃烧、流动、传热传质等基础特性，并探究了α和Q对火焰特性的影响。采用数值方法，研究了水冷炉胆内DME预混火焰的火焰结构及反应区大

7、小特性，得到具有工业应用价值的、估算DME/空气预混气的平均反应速率、反应区体积及长度的公式和方法。⑤首次通过试验，测试不同α和Q条件下，水冷炉胆内DME预混火焰中NOx和CO的分布特性和排放因子，分析α和Q对污染物排放因子的影响。同时，采用CFD-CRN方法、反应路径和灵敏度分析方法，研究DME在水冷炉胆内预混燃烧的过程中，炉胆不同区域内NOx的反应机理及路径。最后，获得了DME工业锅炉减排污染物的最佳运行工况参数和炉膛尺寸的优化设计方法。⑥在清洁燃气燃烧试验系统的对流换热段上，分别对DME燃烧产物纵