提高燃燒室出口溫度是提升燃?xì)廨啓C(jī)效率的有效途徑之一,但提高燃燒室出口溫度將會(huì)大幅增加NO_x排放。為緩和燃燒室出口溫度與NO_x排放之間的矛盾,燃料軸向分級形式的燃燒室設(shè)計(jì)方案逐漸受到關(guān)注并在高等級（1975 K）燃機(jī)中具有應(yīng)用潛力。為評估燃料軸向分級燃燒降低NO_x排放的潛力、探究影響NO_x和CO排放性能的關(guān)鍵因素并了解其二級燃燒區(qū)的火焰特征,本文針對燃料軸向分級燃燒技術(shù)開展了一系列的模擬和實(shí)驗(yàn)研究,主要研究內(nèi)容如下:首先,基于二級反應(yīng)物與煙氣的完全摻混和不完全摻混假設(shè),分別構(gòu)建了簡化的燃料軸向分級燃燒化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型,并對燃料分配、停留時(shí)間分配、二級摻混不均勻性、壁面熱損失、進(jìn)氣溫度和壓力等因素進(jìn)行了參數(shù)化研究。針對燃機(jī)工況下的模擬計(jì)算表明,當(dāng)燃燒室出口溫度達(dá)到1975 K時(shí),單級燃燒模式的NO_x排放水平將會(huì)達(dá)到60 ppm@15%O₂左右。而理想摻混條件下軸向分級燃燒方案可將NO_x排放降低至16 ppm@15%O₂

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁數(shù)】：195 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

LPM燃燒技術(shù)最低NO排放理論值的預(yù)測（P=25atm,τres=25ms）[3]

第1章緒論3圖1.2LPM燃燒技術(shù)當(dāng)量比區(qū)間[30]Figure1.2Operationalrangeoffuel/airratioforLPMcombustion[30]催化燃燒技術(shù)通過多相催化機(jī)制實(shí)現(xiàn)燃料/空氣在極低當(dāng)量比條件下（如圖1.2所示）的穩(wěn)定氧化過程，其反應(yīng)溫度通常低于1500℃[30]，因此該技術(shù)大大降低了熱力型NO的生成，并在催化條件下可保證燃料的充分燃盡[6]。GE公司已開展了應(yīng)用于其MS9001E型燃機(jī)的全負(fù)荷催化燃燒試驗(yàn)（燃燒室出口溫度1190℃）并實(shí)現(xiàn)了極低的NOx排放（<2ppm）[6;30]。但是，由于該技術(shù)對反應(yīng)溫度的限制，其應(yīng)用于高參數(shù)燃機(jī)的可行性仍有待研究。EGR燃燒技術(shù)通過循環(huán)部分煙氣進(jìn)入主燃燒區(qū)并與反應(yīng)物進(jìn)行混合，降低了反應(yīng)區(qū)的O2和O自由基濃度并增加了H2O和CO2濃度，從而抑制熱力型NOx生成的主反應(yīng)N2+ONO+N的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對燃燒室整體NOx排放水平的控制[3]。EGR技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)MILD燃燒或無焰燃燒的可行方案之一[16]。但是由于該技術(shù)尤其是煙氣外循環(huán)燃燒技術(shù)降低了燃燒反應(yīng)的初始氧濃度，往往會(huì)引起火焰穩(wěn)定性和燃燒效率的下降[31]，進(jìn)而導(dǎo)致CO和未燃碳?xì)浠衔锱欧帕康脑黾覽32]。因此EGR燃燒系統(tǒng)中氧化劑的氧含量通常不低于16%（體積分?jǐn)?shù)）[31]。MHI公司已開展了將煙氣外循環(huán)技術(shù)應(yīng)用于1975K級燃機(jī)的高壓試驗(yàn)研究，并在進(jìn)口氧含量為17%的工況下實(shí)現(xiàn)了NOx排放低于50ppm@15%O2和CO排放低于10ppm@15%O2的排放水平[14]。MILD燃燒通常又被稱為無焰燃燒（FlamelessOxidation，F(xiàn)LOX）或高溫空氣燃燒（HighTemperatureAirCombustion，HiTAC）[16]。盡管不同命名下其定義略有區(qū)別[16]，但本質(zhì)上都是通過對反應(yīng)物的預(yù)熱和稀釋，降低燃燒區(qū)氧濃度和熱釋放強(qiáng)度，抑制局部高溫區(qū)的形成，從而實(shí)現(xiàn)對NOx生成的有效控制。目前，逆流[33]、平行射流[34;35]以及旋流[36;37]等不

第1章緒論5圖1.4DLN與燃料軸向分級燃燒技術(shù)NOx減排潛力的對比[18]Figure1.4ComparisonoftheNOx-abatmentpotentialbetweenDLNandaxial-fuel-stagedcombustion[18]綜上所述，考慮到當(dāng)前的LPM燃燒技術(shù)隨著燃燒室出口溫度的進(jìn)一步提高，有可能無法滿足未來更低的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)[4;5;38]，而燃料軸向分級燃燒的設(shè)計(jì)方案，既可以發(fā)揮常規(guī)LPM技術(shù)在其優(yōu)勢當(dāng)量比區(qū)間內(nèi)的低NOx排放優(yōu)勢，又有可能可利用二級燃燒區(qū)潛在的MILD燃燒機(jī)制以最小的NOx增量實(shí)現(xiàn)更高的燃燒室出口溫度，在未來更高級別的燃燒室設(shè)計(jì)中具有很好的應(yīng)用前景。但是，需要指出的是，上述Goh等人[18]對分級燃燒NOx減排潛力預(yù)測基于完全摻混假設(shè)，且其模型最優(yōu)工況下二級停留時(shí)間甚至低于1ms，這在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。而實(shí)際摻混條件下，二級燃燒區(qū)的NOx排放將會(huì)受二級火焰抬升、一、二級當(dāng)量比范圍、二級預(yù)混不均勻度、二級噴嘴形式等各種因素的影響，且這些因素往往互相耦合，為軸向分級燃燒室的NOx減排效果帶來了很大的不確定性。因此，開展實(shí)際摻混條件下的燃料軸向分級燃燒研究對于進(jìn)一步評估其NOx減排潛力、揭示其二級NOx抑制和生成機(jī)制、了解其在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值和潛在風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。本論文以典型交叉射流作為二級流場的組織形式，開展了一系列針對燃料軸向分級燃燒技術(shù)的模擬和實(shí)驗(yàn)研究，希望進(jìn)一步揭示燃料軸向分級燃燒在不完全摻混條件下的NOx排放機(jī)制和火焰特征，對于燃料軸向分級燃燒室的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)高等級（1975K）燃機(jī)燃燒室方案的國產(chǎn)化具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。燃料軸向分級燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀二十世紀(jì)七十年代，NASA的ECCP計(jì)劃（ExperimentalCleanCombustorProgram）首先提出了分級燃燒室可以降低NOx排放，并在Pratt&Whitney（P&W）公司的JT8D和JT

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本文編號：3357101