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中国工程热物理学会 燃烧学、
学术会议论文 编号:074142
炉内甲烷/空气火焰区NOx生成的数值模拟
肖震 郭印诚
清华大学航天航空学院100084
摘要:本文利用Fluent软件对小型实验炉内甲烷燃烧过程中的N0。生成进行了数值模拟。数值模拟
中分别考虑了热力型和快速型Nox生成的机理,得到了按上述两种机理在不同的过量空气系数下Nox
的生成量。对炉内NO生成的研究表明,该燃烧炉内主要是以热力型NO的生成为主,约占N0生成
量的75%左右,快速型NO约占NO生成量的25%左右。
关键词:数值模拟,燃烧,氮氧化物
引言
氮氧化物是一种危害人体健康、破坏大气环境的污染物。它不但与燃烧技术有关,
而且与炉内温度和氧浓度有关,而炉温与氧浓度又与锅炉容量、锅炉结构及运行工况等
因素有关‘¨。甲烷在燃烧过程中生成的No。主要为热力型No。和快速型No。。本文通过
对甲烷燃烧过程进行数值模拟,分析了在甲烷燃烧火焰处各种NO。生成量的关系及影响
因素。
1氮氧化物生成的机理
1.1热力型N仉
热力型No;是燃烧用空气中的N2在高温下氧化形成的氮氧化物。其生成反应动力
学被称为扩展的ZeldoⅥch机理,主要反应如下【2】:
o+N2÷bN0+N (1)
Ⅳ+Q卜蔓兮D+ⅣD (2)·
N+OH÷bNo+H (3)
通过以上三个反应NO的净生成率可以表示为:
掣=w伽Ⅳ2]+uⅣ][D2】+wⅣ][伽】
(4)
一砖,。[Ⅳp][Ⅳ]一砖,:[加][D]一砖,,【ⅣD][日]
其中浓度单位为肼D/,。
/朋
。
428
为计算NO和N的生成速率,需要得到O、H和0H的浓度。
1.1.1氧原子浓度计算局部平衡方法
由于热力型N0。的生成速率远远小于碳氢化合物的氧化速率,大部分热力型NO。
生晟的计算都是在燃烧计算之后进行。因此,No。生成过程与主燃烧过程计算无关,现
考虑中间产物会使02在反应过程中发生分解:
02+M々令。七o+M (5)
应用局部平衡进行氧原子计算的表达式为:
[D]=36.64r%[∥,%肼叱: (6)
采用(6)式进行计算的结果往往会得到较高的局部氧原子浓度值。
1.1.2氢氧官能团浓度计算
氢氧官能团的计算方法主要是局部平衡方法。该方法中中间产物的反应应用扩展
的Zeldoich机理中的反应:
No+H
N+oH}b (7)
局部平衡法的OH浓度计算表达式为:
gmol/
[明]:2.129×10:严·8。459%【形[皿D】% (8)
/秆
1.2快速型
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