燃料重整及燃燒室旋轉(zhuǎn)爆轟增壓燃燒技術(shù)研究.pdf

1、提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和降低污染物排放是能源動(dòng)力領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的研究方向。基于布雷頓循環(huán)的傳統(tǒng)簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)通過提高部件效率，增加壓氣機(jī)壓比和渦輪前溫度的方式已經(jīng)達(dá)到了非常高的熱動(dòng)力學(xué)效率，進(jìn)一步提高循環(huán)熱效率需要付出高昂的代價(jià)。在傳統(tǒng)簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中，燃燒熱力過程產(chǎn)生壓力損失，從而使工質(zhì)做功能力下降；同時(shí)，簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱沒有得到利用，限制了循環(huán)效率的提高。本文從能量綜合利用的角度出發(fā)，基于化學(xué)回?zé)嵫h(huán)概念，采用低溫等

2、離子體與催化劑協(xié)同催化的新型重整形式對(duì)燃料進(jìn)行深度蒸汽重整，提高燃料當(dāng)量熱值，進(jìn)而提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的熱效率；從突破傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)等壓燃燒熱力過程產(chǎn)生壓損的角度出發(fā)，基于爆轟燃燒具有增壓特征的原理，構(gòu)建一個(gè)新型燃燒加熱的熱力過程，采用連續(xù)爆轟增壓燃燒模態(tài)使重整氣燃料燃燒放熱，提高工質(zhì)的做功能力，以進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率。為此，本文開展了以下幾個(gè)方面的基礎(chǔ)研究工作：
　?。?）搭建了燃料蒸汽重整等溫反應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)，利用自主設(shè)計(jì)的反應(yīng)

3、器開展了燃料蒸汽重整的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明 DBD催化蒸汽重整方案更容易產(chǎn)生高碳烴。根據(jù)這一特點(diǎn)，結(jié)合蒸汽重整實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立和發(fā)展了一套等離子催化甲烷蒸汽重整的反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)模型，并開展了DBD催化甲烷蒸汽重整的反應(yīng)路徑流分析，找到了影響DBD催化產(chǎn)物選擇性的主要限制反應(yīng)，為提高目的產(chǎn)物的選擇性提供了依據(jù)。
　　（2）為了提高余熱利用率，設(shè)計(jì)了低溫等離子體協(xié)同催化反應(yīng)器，在原有試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，分別從燃料轉(zhuǎn)化和能量回收兩個(gè)角度，系統(tǒng)

4、研究了甲烷空速、反應(yīng)器壁面溫度、燃料重整的水碳比（S/C）、等離子放電特性等因素對(duì)化學(xué)回?zé)岵僮鳁l件下不同重整形式的重整特性的影響。結(jié)果表明采用并列協(xié)同重整技術(shù)在余熱回收及增加H2選擇性等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。在等離子系統(tǒng)輸入功率相同的前提下，并列協(xié)同重整可以回收更多的渦輪排氣余熱。而且，并列協(xié)同重整可以在更低的溫度下回收更多余熱，這更有助于提高不同工況下渦輪排氣余熱的利用深度。
　?。?）基于某型環(huán)管燃燒室，從燃料燃燒的角度考查了不

5、同重整形式的重整特性，數(shù)值分析了燃料重整對(duì)等壓燃燒熱力過程的影響。在保證相同入口焓值的前提下，數(shù)值研究了不同組分的重整氣燃料在等壓燃燒模態(tài)下的流場(chǎng)特性及燃燒室性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了等壓燃燒熱力過程中由流阻和熱阻帶來的總壓損失這一固有特性。
　　（4）采用數(shù)值模擬的方法，利用二維歐拉方程，忽略黏性、熱擴(kuò)散等傳輸特性，研究了當(dāng)量H2/air在連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室中的流場(chǎng)特性。利用MATLAB和開源程序CANTERA，得到了H2/air、CH

6、4/air、CH4/H2/air等燃料的爆轟胞格寬度，為燃燒室尺寸的選擇提供依據(jù)。分析了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的宏觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及總壓分布特征，考察了平均流場(chǎng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，揭示了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟增壓燃燒過程機(jī)理。
　?。?）采用數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)分析了不同入流總壓、入流總溫、軸向尺寸及周向尺寸等參數(shù)對(duì) CH4/air預(yù)混氣下爆轟燃燒室性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上建立和發(fā)展了可用于預(yù)測(cè)二維旋轉(zhuǎn)爆轟流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及性能的理論預(yù)測(cè)模型。結(jié)合數(shù)值

7、模擬與理論分析，發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室具有幾何相似性這一根本特征。所建立和發(fā)展的理論預(yù)測(cè)模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)參數(shù)及出口參數(shù)等。
　　（6）基于環(huán)型燃燒室，進(jìn)一步分析了燃料重整對(duì)爆轟燃燒熱力過程的影響。隨著重整氣中H2含量增加，爆轟波傳播速度不斷加快，但爆轟波強(qiáng)度逐漸減弱；當(dāng)入流總溫為300 K時(shí)，不同重整氣組分下的旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的增壓比在2.5-2.7之間，大大提高了燃?xì)獾淖龉δ芰Α?br>　?。?）采用數(shù)值模擬的