当前课程知识点:燃烧理论 > 第二章 燃烧与热化学 > 2.8 应用 > 烟气再循环
好 同学们我们刚才用一个例子
是用什么呢
用这个燃烧的烟气
去加热燃烧的空气
我们使得
理论燃烧温度可以提高
燃烧稳定性加强
同时还可以节能
我们另外一个应用是什么呢
我们通过烟气的再循环
来看看能够实现一些什么目标
如果比较低温的烟气
我们把它惰性的烟气
回到这个燃烧时
会怎么样啊
你可以想象一下
它可以减少
燃烧时的最高的温度
这个为什么很重要
是氮氧化物
实际上在燃烧时的形成
是跟它的最高温度相关联
所以如果我们把它最高温度
能够控制下来的话
那我们的氮氧化物
就可以控制下来
烟气再循环
就能够实现这一个目标
那么减少温度
就是可以减少氮氧化物的形成
总的来说
不管是怎么样
我们只要把烟气再循环
我们英文名称叫FGR
或者叫EGR
flue-gas recirculation
或者exhaust-gas
recirculation
实际上说的一个意思
只是不同的行业
叫法不一样
比如内燃机叫EGR
我们锅炉和窑炉这种都是叫FGR
说的一个意思
反正是把燃烧过以后
比如低温的烟气循环回来
到燃烧室
使得可以控制燃烧室的温度
这么一种方式
这张图就表达了一个内燃机里边
怎么去实现一个EGR的
这么一个复杂的过程
那么最后的话
flue-gas可以全部消除
图的上部分应该是指的是
一个锅炉的
而图的下部分是内燃机的
那么上面是
flue-gas recirculation
下面的话
exhaust-gas recirculation
那不一样
叫法不一样
但实际上是一个意思
实际上的话
我们真正在燃烧过程当中
还有一个非常重要的
特别对于难燃的燃料
我们如果刚才说了
用烟气加热空气去燃烧
这是一种方案
实际上如果在炉子里边
做好比如旋流燃烧器的话
它可以在燃烧器附近
实现高温烟气的回流
也就是recirculation
使得它容易着火
这当然也是一种现象
它的原理是什么呢
实际上就是拿高温的烟气回来
跟比较低温的
可燃物混合以后
使得混合物的
温度大大提高
加快它的着火
这也是一种方式
但我们今天要说的话
实际上指的是烟气的再循环
比如像这个装置
他实际上把烟气怎么样呢
在空气热气之前的烟气
这个温度已经很低了
一般大概只有两三百度这样子
那么这个温度
给它重新打回到锅炉
那由于温度很低
它也不参与反应
整个锅炉的温度
就能降下来
这现在已经成为氮氧化物
控制的一种标准的方法
好 我们下面来看一个例子
就这是一个电火花的发动机
也就是我们叫内燃机
那么压缩过程和燃烧过程
我们都把它理想化成一个
从上止点到下止点的
多变的过程
压缩和燃烧过程
那么我们从图上可以看出来
是从状态一到状态二
这是一个压缩过程
那么状态二再到状态三
就是它是一个燃烧过程
那我们来分析一下
我们如果加了EGR
也就是说
exhaust-gas recirculation
就是烟气回流
回回去了以后
它对整个燃烧过程的影响
我们假设这个发动机的
压缩比压现在是8
那么我们来看看初始的
回流的一个大气298K
燃料的话呢
我们用的是辛烷
当量比我们就是1
因为我们大家知道
1非常非常敏感
一定要1
好 这就是刚才要说的这个图
从第一点到第二点压缩
从第二点到第三点燃烧
压力非常快速的上升
这是一个定容的燃烧对不对
好 我们首先是从第一点
要学会求第二点
这个就很容易了
用一个绝热的关系式
我们就会算出来
那么第二点的压力多少呢
7.46个大气压
而它的温度多少呢
556K
有了这两个以后的话
我们就可以去分析
在这个前提底下
如何去分析
它的EGR的这个影响
那么这里边我们当然也要用到
元素的这种守恒等等
一系列的关系式
通过这个关系式呢
我们就可以算出来
比如一氧化碳 二氧化碳
水蒸气
它的这个平衡的组分
都能够算出来
我们也知道烟气
烟气转回来嘛 对吧
它的温度有多少
我们也知道 能够转回来
那就知道了循环烟气的比摩尔焓
以及空气的比摩尔焓
我们都能够算出来
算完了以后呢
我们在T2的这个条件底下
也就是说我们燃烧之前的这一点
是我们要燃烧
我们要知道它的形成焓和显焓
那么这个系统
它的总的焓
是它形成焓和显焓之和对吧
我们知道它的绝对焓就是这个
我们算完了以后
我们就能够把第二状态
跟它里边的焓
跟EGR的关系
我们就能够列出来
而列完了以后
我们就又定义一个
它的所谓的这样一个
EGR的百分比
我们就能够完全去进行计算了
计算的话呢
我们就获得了H_reac
我们当然要求理论燃烧温度
H_reac H_prod和EGR的关系
我们就可以列出来这样一个公式
大家可以看一下这个公式
那么在不同的
EGR的条件底下
H_reac是发生变化的
我们就一会儿的话
我们用一个表来表达出来
那么整个就可以全部进行计算了
因为有了EGR以后
包括它的分子量
总的摩尔数
通通都会发生变化
这张图就把所有的这些结果的话
表达出来
EGR从零 一点都没有
5% 10% 15% 20%
你可以看出来
它的EGR的摩尔数
总的摩尔数
它的反应物的分子质量
包括它的
反应物的总的焓
绝对焓
都不断的发生变化
同时呢
你会看出来
它最终的温度
燃烧温度
也就是第三点的温度
要发生很明显的变化
看到没有
从0%到20%温度下降了多少
下降了200多K
而压力也有所下降
下降差不多四个大气压
大家可以看这一张图
那么定容燃烧的这些条件底下
温度很明显从2800多K
降到了2500多K
下降了两百多度
而压力的话呢
是从30多个大气压
接近四个大气压
降到三十几个大气压
这就是整个的变化规律
也就是说通过EGR
温度可以大大的下降
所以EGR对最高温度
是有非常显著的影响
就20%就可以使得温度降低275K
后面我们学动力学都知道
这个温度下降对氮氧化物控制
是非常非常重要的
比如实际上我们知道
大概十度的变化
可能氮氧化物的生成量
可能就会有成倍的变化
所以你可以想像
275K的这个下降
对氮氧化物控制有多重要
另外有一点非常有趣的现象
希望大家能注意一下
状态一 如果EGR以后了
状态一如果是低于烟气的
露点的时候
那会发现什么样的情况
这肯定我们不希望的对不对
所以EGR恐怕有一定的限制
不是说是量越大越好
大家不信可以算一算
看看是不是这样子
好 下面呢
我们再讲另外一个例子
这是一个锅炉的例子
那么锅炉的话呢
我们用是天然气
作为燃料的
那烟气烧完了以后的话
烟气里边的氧气
还有大概1.5%
这是什么意思
φ显然是什么
小于1的对不对
我们假设燃料的初始温度呢
298K
空气的初始温度是400K
求一下
绝热火焰的温度和
平衡时氮氧化物的浓度
要求FGR等于15%
FGR就跟刚才EGR的
这个定义是一样的
指的是什么呢
指的是回流的量
占前面用于燃烧的燃料
和空气总体积的一个百分比
当然这个实际上也是要算了
对吧
也要算
当然这个计算
实际上是应该是相当复杂的
一个计算
所以我们还是用计算机去算
那么算完了以后呢
它的温度你就可以算出来
大概200多K
而它的氮氧化物达到多少呢
3497个ppm
这就是常规的
没有FGR的
就是0 FGR
那么我们假设有
15%的FGR了以后
用刚才那套方法去算
算完以后
我们也给一个结果
它的温度
下降了大概163K
只有两千零一点了
氮氧化物的摩尔分数
大概是下降到了2297个ppm
这大概什么概念
温度下降163K
而氮氧化物下降了34%
就差这三分之一了
这应该是
非常非常大的一个减少量
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结