介质阻挡放电辅助氨_空气预混旋流燃烧试验_陈磊.pdf
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1、 第 卷第 期洁 净 煤 技 术.年 月 碳中和方世东 副研究员中国科学院合肥物质科学研究院方世东,中国科学院合肥物质科学研究院副研究员,博士,硕士生导师,安徽省“”产业创新团队成员。安徽理工大学、安徽工业大学兼职硕士生导师,主要从事等离子体炬、热等离子体裂解煤制乙炔、等离子体材料表面改性等低温等离子体应用研究工作。目前还开展氢氨融合研究工作,涉及燃煤电厂煤粉掺氨燃烧降碳研究、氨气与天然气等气体混合燃烧试验及机理研究,等离子体技术在纯氨燃烧中提高氨气燃烧速度、增加氨气燃烧稳定性机理及试验研究工作。参与国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目工作,参与中国科学院战略性先导科技专项(类)研究工作。
2、主持安徽省自然科学基金、安徽省教育厅与合肥综合性国家科学中心能源研究院协同创新项目。在 、等期刊发表论文 余篇,申请 授权专利 余项,涉及等离子体化学、等离子体物理在能源、化工及材料等领域的应用。介质阻挡放电辅助氨 空气预混旋流燃烧试验陈 磊,沈 洁,江贻满,吴 进,陈加淮,方世东,(安徽大学 物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥;中国科学院 合肥物质科学研究院,安徽 合肥;合肥综合性国家科学中心 能源研究院,安徽 合肥)移动阅读收稿日期:;责任编辑:白娅娜 :基金项目:安徽省高校协同创新资助项目(;);合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)协同创新资助项目(;)作者简介:陈 磊
3、(),男,四川绵阳人,硕士研究生。:通讯作者:方世东(),男,安徽怀宁人,副研究员,博士。:引用格式:陈磊,沈洁,江贻满,等介质阻挡放电辅助氨 空气预混旋流燃烧试验洁净煤技术,():,():摘 要:氨是一种高效氢载体,有望成为下一代无碳燃料,但较窄的燃烧极限和较高的 排放阻碍其使用。等离子体是一种高效、低能耗的助燃方法,得到广泛应用。设计搭建自制的耦合介质阻挡放电的氨 空气预混旋流燃烧台架,研究了燃烧极限、火焰形貌、和 含量的变化规律。未放电时,贫燃极限为,富燃极限为。当量比为 时,火焰传播速度最快,火焰最短;在贫 富燃极限附近时,火焰充满整个燃烧室。当量比在 时,含量保持在较低水平,未生成。
4、当量比由 减小至 时,体积分数由()增至 ()。随当量比降低,少量 会进一步被氧化为,当量比为 时,体积分数达()。介质阻挡放电明显增强燃烧反应,抑制壁面猝熄的负面作用,略下降,燃烧极限扩展至。当量比 生成的 同比减少。分析探讨氨燃烧生成 机制,发现 主要来源于燃料,并随当量比降低,浓度提高,浓度降低,产生 的副反应占比升高,有利于 生成。放电产生大量活性自由基,其中 促进 和 反应是 减少的重要原因。等离子体辅助氨燃烧能显著扩宽燃烧极限,减少 生成,为氨的清洁高效燃烧提供一种新方法。关键词:氨 空气旋流燃烧;介质阻挡放电;燃烧极限;无碳燃料;中图分类号:文献标志码:文章编号:(),年第 期洁
5、 净 煤 技 术第 卷(,;,;,):,()(),(),:;引 言为控制 排放实现碳中和,各国致力于开发新能源,寻找可再生的无碳燃料代替化石燃料。目前,围绕 已开展大量研究。然而,大气压下 液化温度低至,储运成本高昂,限制 大规模使用。研究人员开始寻找合适的氢载体,以适应现有的燃料储运体系。研究表明 可作为高效的无碳氢载 体,其 氢 质 量 分 数 为 、氢 密 度 为 ,远高于其他固态氢载体和有机液态氢载体。大气压下 液化温度为,并能在室温下加压到 液化,液化条件与丙烷相似,其体积能量密度为压缩()的 倍、为液 的 倍。研究 燃料的应用具有重要意义。可直接作为燃料,完全反应后的产物 和 对
6、环 境 完 全 无 害。低 位 热 值 为 ,最大层流燃烧速度为 ,分别仅为的 和。等和 等研究发现由于 燃烧速度过低,通过简单射流无法燃烧,需要添加一定量、或预热后火焰才能稳定。周梅等发现在小型锅炉稳定运行的条件下 至少能替代 的丙烷。楚育纯等研究发现在四冲程发动机内 替代 丙烷后仍能长时间稳定运行,掺 后比能耗低于纯丙烷,经济性优于丙烷。牛涛等在 燃煤锅炉实现了 煤共燃。旋流燃烧器使气流产生径向速度,在中心形成低压区域,燃烧后的高温烟气回流持续点燃新鲜燃料,并增加了反应时间,有利于低燃速、低热值的燃料稳定燃烧。等在实验室尺寸的旋流燃烧器实现了纯 稳定燃烧。等在采用旋流燃烧器的 燃气轮机上以
7、 和纯 为燃料实现了稳定运行,效率与 燃烧时无明显差异,但烟气中检测到大量。等在 和 作用下增强了 燃烧,并减少 生成,但催化剂寿命和成本限制其应用。等离子体助燃被广泛应用于恶劣环境和燃烧性能较差的燃料,具有重要应用前景。最早提出等离子体放电增强 燃烧。等利用纳秒脉冲放电,增强了 可燃性,同时因 增加减少 生成。等通过数值模拟发现升温促进 裂解产生 和,有助于 和 生成,减少。等和 等利用电弧放电同样扩展了 燃烧极限,但 并未减少,反而有所增加。放电产生的活性粒子能增强 燃烧,但目前尚未明确对 的影响。介质 阻 挡 放 电(,)具有大气压下放电稳定、结构简单、能耗低等优点,广 泛 应 用 于
8、材 料 改 性、生 物 医 学、助 燃陈 磊等:介质阻挡放电辅助氨 空气预混旋流燃烧试验 年第 期等。为探究 燃烧特性和 放电的影响,设计制作了结合同轴圆柱型 的 空气预混旋流燃烧器。对旋流器入口前的气流放电产生非平衡态等离子体,未影响通过旋流器后的气流。通过质量流量控制器改变 和空气流量,摄像机记录火焰形貌,烟气分析仪检测烟气,研究气流量、当量比和 放电对稳定性、火焰形貌和的影响,为 低氮高效燃烧提供参考。试 验试验装置如图 所示,和空气气流由质量流量控制器(系列,莱峰流体)控制,混合形成 空气()后进入同轴圆柱型,经旋流器进入直径 、高 圆柱形石英玻璃燃烧室,由点火枪引燃。烟气分析仪(,)
9、在线检测、和烟气温度,摄像机(,)记录火焰状态。图 试验装置示意 同轴圆柱型 和旋流器如图 所示。由外向内分别为高压外电极(长 铜网)、绝缘介质阻挡层(壁厚 石英玻璃管)和接地内电极。高压外电极紧密贴合介质阻挡层,介质阻挡层与内电极之间的间隙为放电区域,并作为 空气的气流通道。绝缘介质用于高电压使气体放电后阻止电流继续增加向电弧或火花转变,在高电压下维持较低电流。绝缘介质阻挡层内径 为 ,接地内电极外径 为 ,放电间隙为 。高压电源(,南京苏曼)连接高压外电极,内电极接地,示波器(,)采集电压和电流信号。末端为旋流器,旋流器由 片角度 相互成平行的叶片构成,其内径 和外径 与 相同,由式()计
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