基于动态自适应机理的无焰燃烧NOx生成特性数值模拟研究

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无焰燃烧能够减少NOx排放,是近年来广受关注的新一代燃烧技术。受反应机理以及计算资源的限制,目前对于无焰燃烧NOx生成的数值模拟研究基本都集中在气相燃料,对于煤粉无焰燃烧研究较少。本文将原位自适应制表和动态自适应机理简化法结合,采用自主发展的包含燃料氮生成的详细反应机理,研究煤粉无焰燃烧NO生成过程特性。首先,根据气相无焰燃烧模拟结果,从计算精度、计算效率等方面评价了动态自适应机理简化法(DAC)、原位自适应制表法(ISAT)以及两种方法耦合(ISAT-DAC)在模拟无焰燃烧时的表现。从计算精度来看,动态自适应简化法能够准确的模拟无焰燃烧。同时,模拟结果表明ISAT-DAC耦合方法可以充分发挥两种简化方法的优势。改变DAC的阈值,根据模拟得到的相对误差以及计算效率,综合确定了模拟无焰燃烧的最佳简化阈值。进一步分析了气相无焰燃烧的NOx主要生成路径和简化方法对于NOx转化路径分析的影响。继而,基于原位自适应制表法和动态自适应机理简化法,采用包含燃料氮转化路径的详细反应机理对国际火焰研究基金会(IFRF)煤粉无焰燃烧实验的NOx生成特性进行数值模拟,研究不同工况下煤粉无焰燃烧的燃料氮迁移特性,获得煤粉无焰燃烧NO生成过程重要的中间组分。研究表明,煤粉无焰燃烧NO主要由NH3、HCN和N2O中间体形成。HCN主要通过HNCO/CN和NCO两种中间组分生成NO,NH3主要是通过HNO形成NO。CH3CN通过NCO生成NO,所以也是生成NO的重要中间组分。N2O路径主要参与还原反应。IFRF煤粉无焰燃烧CO2工况中,生成NO较为重要的组分为CH3CN、NCO和HNO。CO2工况下,N2生成NO的反应路径被抑制,N2O还原成N2相关的反应反应速率提高。
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