甲烷扩散火焰的富氧燃烧特性及总包反应机理研究

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1、华中科技大学硕士论文1绪论1.1研究背景及意义社会的快速发展伴随着能源的加速消耗，人类在地球资源不断索取的同时也带来了环境污染问题。目前人类获取能量的一个重要手段是化石燃料的燃烧，主要是煤炭和石油，需求量以每年3%左右的速度快速增长。通过燃烧矿物质燃料所获取的能量占世界总能量消耗的百分之九十以上。煤炭因其丰富全球性蕴藏和相对低廉的价格，使其在今后的较长时期内仍是主要的能源消耗源。就发电行业来说，2011年，煤炭发电量占美国总发电量的44%，而我国则高达80%。而人类在大量燃烧利用化石燃料的同时，产生了大量温室气体和酸性气体，这是全球环境恶化的重要影响因素。化石燃料的燃烧会产生二氧化硫、氮氧化物

2、、氨氮、以及大量的二氧化碳。作为主要温室气体的CO2通过化石燃烧每年的排放量约为237亿吨，除去被植物光合作用吸收的，平均大约有45%的CO2仍停留在大气中。据相关资料统计，目前全球大气中的CO2平均浓度为360ppm，而工业革命之前的仅为280ppm。而温室效应将引发全球变暖、气候异常、海平面上升等问题。如果继续按照这样的CO2排放速度增长，到2050年，大气中的平均CO2浓度将高达700ppm，这个时候全球温度的平均温度将上升3℃，引起海平面整体将上升0.8m，大量的岛屿和沿海陆地将会消失，会给人类的生存带来巨大的困扰。全球范围内的CO2减排迫在眉睫，而作为CO2排放主要来源之一的火电厂也

3、因此备受关注。人们对于火电厂的减排进行了大量的研究和探索，主要是集中于燃烧前、燃烧时、燃烧后。其中，最有效也具可行性的是富氧燃烧技术，在火电厂的运行中将富含CO2的烟气进行循环燃烧，通过除杂、压缩、纯化等工艺，得到高浓度的CO2，将其封存或再次利用。无论是从经济性、技术设计还是改造难度上看，富氧燃烧技术都是最能被广泛接受，并且能实现大规模的CO2减排的燃烧技术。目前这项“资源创造性技术”，已作为一项清洁燃烧技术被火力发电厂列为储备项目，并在全球范围内开展了大规模的示范研究工程。1万方数据华中科技大学硕士论文富氧燃烧在应用技术开发上得到了很好的发展，然而我们在研究如果大量减排的同时，需要深刻了解

4、烟气循环进入炉膛后燃烧的整个变化和过程。主要包括燃烧时的燃烧特性、火焰稳定性、传热传质、能源变迁和扩散流动等基础性问题。虽然，对于富氧燃烧的基础性问题，各国学者也开展了大量的研究工作，得到了一些结果。但是，作为今后可全球实现的技术，我们仍需对其进行进一步深入的研究。1.2富氧燃烧发展及研究现状1.2.1富氧燃烧技术1977年，Yaverbaum[1]第一次提出富氧燃烧的概念，1981年Horne和Steiburg[2]提出了锅炉富氧燃烧的技术。1985年，美国Argonne国家实验室（ANL）[3][4]提出对烟气中CO2回收的O2/CO2煤粉燃烧技术，证明只需要将常规锅炉进行适当的改造就可以

5、采用该项技术了。随后，富氧燃烧技术引起了各个国家的关注，加拿大、美国、日本、澳大利亚、德国、英国等国家大量展开了多项中试和工业示范研究。目前，小吨位的富氧燃烧示范项目已经投入运行，并得到了比较好的效果。德国Vattenfal[5]的30MWth项目已经在富氧下安全运行了13200小时，采用不同燃烧器对空气和富氧燃烧进行了测试，该项目的CO2压缩纯化浓度超过99%，制氧浓度高达99.5%；CLUDEN[6]的30MWth项目总运行时间为3500小时，富氧下运行时间为2000小时，该项目CO2的捕获稳定运行时间大于300小时，CO2的捕获速率也高于90%；而澳大利亚Callide[7]的30MWe

6、富氧项目燃用了高灰分、高水份的煤种，能实现空气和富氧燃烧之间的稳定切换，并保证切换时出口氧量的稳定，且切换时间只需要1.5~2小时。对于百万吨级的大型示范富氧项目的设计建造也在有条不紊的进行中。西班牙CFB的300MWe建造已经完成，基础实验和控制理念的测试也获得了成功；美国燃煤168MWe项目预计2014年完成筹款工作，2017年完成电厂建设并试运行；中国燃煤200MWe项目处于设计筹款阶段。富氧燃烧技术的改造需要添加空气分离、烟气再循环系统，如图1.1，该技术主要由三个基本步骤组成：空气分离、O2/CO2燃烧和电力产生、烟气压缩与脱水。尾部2万方数据华中科技大学硕士论文烟气的CO2含量在8

7、5%以上，这将十分有利于CO2的回收。图1.1富氧燃烧技术流程图对于富氧燃烧技术，我们一般根据循环烟气是否被干燥分为干循环和湿循环。以下是电厂中的干湿循环系统介绍。干循环烟气温度处于较低水平（30-50℃），由于烟气均需经过烟气净化系统，烟气净化系统所需处理的烟气量相比常规空气燃烧系统略有所降低（约为常规锅炉的四分之三），相对其他系统而言投资较大；由于循环烟气的含水量较低（约为5%），绝热火焰温度