氨燃料强化燃烧技术研究进展.pdf
《氨燃料强化燃烧技术研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氨燃料强化燃烧技术研究进展.pdf(16页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷第 期 年 月能 源 环 境 保 护 ,赵义军,哈尔滨工业大学能源科学与工程学院教授,博士生导师,国家级青年人才。担任燃烧科学与技术节能技术洁净煤技术等期刊编委,燃料化学学报能源环境保护等期刊青年编委,全国研究生教育评估检测专家,中国动力工程学会青年工作委员会委员,中国工程热物理学会燃烧学年会程序委员会委员,第四届中国机械工业教育协会热能工程学科教学委员会委员。主要从事能源与动力领域清洁燃烧技术的研究,包括零碳燃料燃烧、燃气轮机燃烧、富氧燃烧等。主持国家和省部级课题、企业合作课题 余项,发表学术论文 余篇,授权发明专利 项,获得省部级科技奖励 项。移动扫码阅读张屿,赵义军,曾光,等 氨燃
2、料强化燃烧技术研究进展 能源环境保护,():,():收稿日期:基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助()作者简介:张 屿(),男,四川绵阳人,博士研究生,主要从事气体燃料燃烧基础特性研究工作。:通讯作者:赵义军(),男,湖北仙桃人,教授,主要从事零碳燃料燃烧、燃气轮机燃烧、富氧燃烧等能源与动力领域相关燃烧技术的研究。:氨燃料强化燃烧技术研究进展张 屿,赵义军,曾 光,张文达,张林瑶,孙绍增(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨;中电投东北能源科技有限公司,辽宁 沈阳)摘要:在双碳战略下,氨作为新型零碳燃料逐渐受到关注。针对氨燃烧存在着火困难、火焰速度低、可燃性范围较窄的问题
3、,本文从氨的基础特性出发,总结了改善燃料活性(掺混燃烧、富氧燃烧)、热质传递强化和辅助燃烧等强化燃烧技术对火焰传播速度的影响,探究了强化燃烧过程的影响因素及其作用机理。掺混燃烧可以显著提高氨燃烧速度,其中氢气是最有效的强化燃烧剂,随着掺氢比的增加,氨 空气层流火焰速度呈指数型增加;随着碳基燃料掺混比提高,氨 空气层流火焰速度多呈线型增加。富氧燃烧可以显著提升氨燃烧速度,且不会产生碳排放。随着氧化剂氧含量的增加,层流火焰速度呈线性增加。调控燃烧参数的强化燃烧能力有限,而采用辅助燃烧技术则可以针对氨燃烧的不同工况和结构进行灵活调整并实现燃烧的精准强化。在未来氨燃料强化燃烧技术发展中,针对改善燃料活
4、性,可以调整燃料掺混、喷射策略;针对强化热质传递过程,可以优化设计燃烧器结构、燃烧组织方式和调控燃烧参数。此外,可以结合新兴的辅助燃烧技术共同强化氨燃烧并拓宽稳燃边界,在强化燃烧的同时结合 排放控制技术,这是实现氨清洁高效燃烧的重要途径。关键词:氨;强化燃烧;掺混燃烧;辅助燃烧;富氧燃烧;热质传递中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):,(能 源 环 境 保 护第 卷第 期 ),:;引 言截止 年,世界能源结构仍以煤、石油、天然气等碳基化石能源为主,占总能源消费的。我国化石能源消费占比()与世界平均水平相持平,其中煤炭能源仍达到,由高碳化石燃料为主的能源结构造成的碳排放问题十分严峻
5、 。据统计,年世界 排放量已达 ,其中我国排放占比达到,因此亟需大力发展零碳能源技术。年国家发展改革委和国家能源局印发了关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见,对基于零碳能源技术的绿色发电能源体系发展提出了明确要求。可再生能源制氢是一种清洁高效的零碳能源技术,但氢气难液化(常温下液化压力为 )、易燃易爆以及容易发生氢脆效应,导致其储运技术难度大、成本高。将氢以化学能的形式储存到氢能载体 氨中,利用氨作为燃料,其理想燃烧产物为 和,可实现零碳排放;且氨具有能量密度和储氢密度较高,储运难度小(常温下液化压力仅为 ,以氨作为储能介质在全生命周期内总储能效率可达 以上),辛烷值高(抗爆性能好
6、)等优点,见表。基于氨的一系列优点,氨燃料有望在内燃机、燃气轮机、电站锅炉和碱性燃料电池等方面得到广泛应用。表 氢气及其常见载体的燃料性质 甲烷氢气甲醇氨柴油汽油 的液化温度 的液化压力 低位发热量()层流火焰速度()最小点火能量 自燃温度 辛烷值空气中绝热火焰温度 比热容()质量储氢密度(质量比)张 屿等 氨燃料强化燃烧技术研究进展续表甲烷氢气甲醇氨柴油汽油能量密度()空气中可燃极限 腐蚀性 毒性碳排放 氨燃烧存在一些缺点包括:燃烧热和层流火焰速度小、可燃性范围较窄、点火温度较高(可燃性较低)、辐射传热较差、氨转化率有限、氮氧化物排放等问题,限制了氨燃料的清洁高效利用。其中较小的层流火焰速度
7、是决定燃烧温度、稳燃范围、火焰形态结构以及 排放的关键因素,极大的影响了氨燃烧效率,针对氨的燃烧惰性问题,亟需发展强化燃烧技术。目前,氨强化燃烧的方法主要有掺混燃烧、辅助燃烧、富氧燃烧、参数调控强化热质传递等,如图 所示。图 氨燃烧强化技术策略 掺混燃烧 氢气掺混燃烧氢气作为一种活性较高的燃料,常压空气中其燃烧速度可达 以上,氨 氢混合燃烧不仅是强化氨燃烧的有效途径,同时也促进了氢的安全高效利用。如图()所示,随着掺氢比提高,氨 空气层流火焰速度呈指数型增加,最大燃烧速度对应当量比向化学计量迁移,。在化学计量条件下,随着氨能量百分比(氨的能量占总燃料能量的比例)从增加到,火焰长度增加,反应区从
8、燃烧器出口向外迁移,与层流火焰速度降低相对应。等研究发现氢气掺混对氨层流火焰速度的增强作用在掺氢比 时尤为明显,。链分支反应 是所 有 条 件 下 对 层 流 火 焰 速 度 最 敏 感 的 反应,增加会促进 自由基池生成从而提高层流火焰速度。等发现掺氢提高了着火前 自由基的初始浓度,有助于氨燃料中 化学键的断裂从而大大提高了 自由基的生成速率,因此在氨燃料中掺混氢气不仅提高了层流火焰速度,还可以降低着火能,拓宽稳燃范围。除此之外,随着掺氢比的增加,火焰温度也逐渐升高,当量比约为 且掺氢比为 时,氨 氢 空气火焰温度峰值超过 ,因此提高掺氢比可以降低燃机对初始进气温度和压力的要求。等研究了掺氢
9、比为 时氨 氢混合燃料在燃气轮机中的应用,结果表明氨 氢混合燃料的贫燃层流火焰速度(当量比)与甲烷 空气化学计量燃烧接近,但氢气的高扩散率导致了氨 氢 空气火焰的稳燃范围较窄,并且可能会促进边界层回火。综上所述,相较于其他的碳基添加剂,氢气的添加可以在保证均相燃烧和零碳排放的同时,显著提高氨层流火焰速度并降低 排放,但燃烧前氢储运和原位催化制氢都会增加燃烧成本,这会成为制约氨 氢混合燃烧工业化的关键。在内燃机应用方面,氨 氢燃料多采用以催化预裂解掺混燃烧相结合的应用模式,以 等提出的一种使用氨 氢混合物燃能 源 环 境 保 护第 卷第 期图 氨 氢 空气、氨 甲烷 空气、氨 合成气 空气、氨
10、空气、氨 甲醇 空气和氨 乙醇 空气的预混火焰层流火焰速度分布 ,料的火花式发动机系统为例,如图 所示,该系统需要氨催化预裂解单元提供氢源,液态氨储存在环境温度的加压燃料箱中。来自压缩空气的热量可以用来协助气化第一个热交换器中的液态氨,涡轮增压器排出的废气被用来为氨催化预裂解装置提供热量,直接燃料喷射系统可以精确控制发动机气缸内的燃料 空气比,从而降低燃料消耗,提高输出功率和热效率。由于氨不含碳且辛烷值高,该系统避免了涡轮增压火花式发动机的爆震问题和积碳现象。在燃 气 轮 机 应 用 方 面,等,氨 氢燃气轮机实验(如图 所示)研究表明,氨和 氢的混合燃料可以作为燃气轮机稳定燃烧运行的燃料。在
11、高入口温度条件下,火焰收缩明显,提高了燃烧效率,并导致火焰边界的组分消耗增加。富氨可以使未燃烧的氨与现有的 进一步反应,将 排放量降低到相对较低的水平。但采用这种燃料的标准布雷顿循环燃气轮机运行效率较低,无法与目前的(干式低)技术竞争,需要进一步研究以优化氨氢燃烧的工况参数,探究实现低 和更高循环效率的燃烧组织方式。图 使用氨 氢燃料的火花式发动机系统 碳基气体掺混燃烧天然气作为我国第三大能源,其燃料主体为张 屿等 氨燃料强化燃烧技术研究进展图 使用氨 氢燃料的燃气轮机 甲烷,被广泛用作工业燃气、城市燃气以及发动机燃料等,氨 甲烷掺混燃烧可与发展成熟的天然气燃烧系统进行良好的兼容。甲烷作为一种
12、活性燃料,常压空气中的燃烧速度可达 ,氨甲烷 空气火焰的层流火焰速度几乎随甲烷掺混比的增加而线性增加。在化学计量条件下随着掺混比从 增加至,层流火焰速度增加约 ,最大层流火焰速度对应当量比向右迁移,如图()所示。等发现氨 甲烷层流火焰速度可采用同等当量比下甲烷 空气和氨 空气混合物的层流火焰速度的加权平均值进行表征。在贫燃条件、较宽的压力和甲烷体积分数范围内,许多研究发现氨 甲烷预混层流火焰速度与 和 自由基浓度之间存在线性关系,一些学者发现层流火焰速度预测准确性与 自由基浓度也具有较大联系,这表明通过影响 自由基浓度可以实现对层流火焰速度的控制。等发现氨 甲烷混合燃烧过程中 和 的氧化可视为
13、平行过程,它们共享 自由基池,而 和 相互作用对火焰结构和燃烧特性的影响是有限的。由此可见,甲烷掺混会改变氨预混火焰的 自由基池从而影响燃料的 反应路径,氨 甲烷预混燃烧的火焰结构、燃烧及排放特性则由热质传递以及热化学反应路径共同控制。除了甲烷,合成气()也是一种来源广泛的掺混燃料,其由煤、生物质通过气化、热解或重整过程产生,在许多燃烧过程中被证明具有低排 放 和 高 能 效,如 综 合 气 化 联 合 循 环()。如图()所示,氨 合成气 空气火焰的层流火焰速度随合成气(,)掺混比增加而提高,在化学计量条件下,随着掺混比从 增加至,层流火焰速度增加约 ,最大层流火焰速度对应当量比向 迁移,可
14、见合成气对燃烧速度的强化能力大于甲烷。在常压条件下大范围工况内,氨 合成气 空气混合物的层流火焰速度均超过 ,与相同压力下甲烷空气混合物相近。合成气对氨火焰传播的影响主要分为化学效应和热效应,其中化学效应的贡献较大。在合成气中,氢气对提高氨 空气火焰层流火焰速度和释热率的作用最大,一氧化碳对提高氨 空气绝热火焰温度的作用最显著。等发现氨 氢 空气、氨 一氧化碳 空气、氨 甲烷 空气的层流火焰速度与掺混比的函数关系并不相同,其中氨 氢 空气火焰近似指数关系,氨 一氧化碳 空气火焰近似非线性关系,氨 甲烷 空气火焰近似线性关系。氢气、一氧化碳能促进活性自由基()的产生,特别是 自由基对氨 氢 空气
15、和氨 一氧化碳 空气火焰燃烧速度的影响比纯氨火焰更大。在氨 氢 空气、氨 一氧化碳 空气的富燃火焰中,由 和 生成的和 分别主导层流火焰速度传播的促进和抑制作用。随着合成气中 含量的增加,子机制对氨火焰传播起着更重要的作用,脱氢反应和 结合反应是影响氨氧化过程中氮转化的关键反应。除此之外,研究表明掺混合成气能加速氨的分解速率,促进 和 自由基的生成,同时降低氨 空气火焰的流体力学不稳定性、热扩散不稳定性以及火焰胞状不稳定性。除了甲烷和合成气,采用醚燃料作为活性燃料掺混也是强化氨燃烧的有效措施之一,如二甲醚()、二乙醚()和二甲氧基甲烷()。其中 是最简单的醚燃料,其在常温常压下为气态,由于其极
16、性可以与氨混溶,氨 混合物具有优良的稳定性。如图()所示,氨 空气火焰的层流火焰速度与能 源 环 境 保 护第 卷第 期 掺混比呈类线性关系,在化学计量条件下随着掺混比从 增加至,层流火焰速度增加约 ,最大层流火焰速度对应当量向 迁移,可见 的强化能力弱于合成气但略强于甲烷。等发现添加 的低温着火行为与纯 的低温着火行为几乎相同,这表明氨 双燃料可以显著提高氨反应性和降低氨自燃阻力,缩短氨氧化的着火延迟时间。等定量分析了 在氨 空气火焰中产生的热效应、扩散效应和化学效应,发现 化学效应可能是主导火焰传播的重要因素,其主要通过提高 浓度和绝热火焰温度强化氨燃烧。随着掺混比增加,火焰温度增加但热扩
17、散系数降低,主导 生成的关键反应虽然改变但其反应速率皆有所提高。等发现在 掺混比为 时,贫燃和富燃条件下氨 空气火焰的化学反应网络相似,这表明 掺混比对化学效应的作用相较于当量比更强。目前氨 碳基气体燃料掺混应用研究多集中于燃气轮机,日本东北大学和日本国家先进工业科学与技术研究所 在 年研制出了适合氨 甲烷和氨 煤油双燃料供应的千瓦级燃烧发电系统,如图 所示,在 甲烷掺混比条件下,该氨 甲烷燃气轮机可产生 的电力,尾气中 浓度超过 ,但通过 系统可将 浓度降低到 以下。公司采用 级燃气轮机对氨(掺混比)天然气共燃的 排放特性和效率进行了研究,如图 所示,通过分级燃烧可以使烟气中 排放降低至 ,
18、烟气经由脱硝装置后其中 可以降低至 以下,且燃烧效率均达到 以上。除此之外,由于氨的热值比天然气低,在氨甲烷双燃料中增加掺氨比可以增加燃料气体的流速,进而提高发电效率。图 采用双燃料供应的千瓦级燃烧发电系统 图 级氨 天然气燃气轮机系统 碳基液体掺混燃烧常见的碳基液体燃料主要包括汽油、柴油、煤油,常用于往复式发动机、涡喷发动机、冲压发动机等,目前氨 油掺混燃烧研究主要集中于内燃机和燃气轮机。等发现当氨汽油混合物可以用作复合燃料,为现有的火花式内燃机提供动力,氨的掺混会使发动机扭矩和功率输出增加,在发动机转速较高的情况下更加明显。掺氨能有效抑制火花压燃式发动机爆震,提高发动机热效率,在 等的研究
19、中,氨 汽油发动机热效率和发动机负荷的最大增幅分别为和 。在爆震限制范围内,掺氨条件张 屿等 氨燃料强化燃烧技术研究进展下的火焰传播时间缩短,与纯汽油条件相比,其自燃能力减弱。等发现随着氨质量流量的增加,氨 柴油发动机制动热效率和缸内温度略有降低,且由于氨具有较高的抗自燃性和较低的燃烧速度,着火延迟时间增加,氨 柴油双燃料燃烧模式的热效率降低。然而,氨 柴油的燃烧时间比生物柴油满负荷运行时减少了 (曲柄角度),因为大部分热量在预混燃烧阶段释放。等研究了氨 煤油混合燃料在空气和纯氧条件下在模型燃气轮机环形燃烧室中的湍流涡流燃烧特性,发现与纯煤油相比,氨 煤油混合燃料的燃烧速度较低,随着掺氨比提高
20、,其火焰位置会进一步移动,在总热流量相同条件下,燃烧室温度并没有随着掺氨比的提高而改变太多,证明了氨可以作为燃气轮机燃料且不会降低燃气轮机燃烧性能。氨 煤油双燃料千瓦级燃烧发电系统的试验表明,掺氨可以减少 的煤油供应量,在掺氨比为 条件下可以实现 发电功率。由于氨是一种极化分子,而轻油是具有长碳链的非极化分子,油类与氨的相溶度较差,需要使用乳化剂或分子中具有非极化和极化部分的交联剂来提高氨的溶解度。醇类可以利用生物质或合成气生成,是提高氨在油类中溶解度的常见交联剂,因此氨 醇混合燃料是开发碳中性能源的重要选择。如图()和()所示,氨 甲醇 空气和氨 乙醇 空气火焰的层流火焰速度随掺醇比增加而提
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 燃料 强化 燃烧 技术研究 进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。