合成气火焰基础特性和化学反应动力学机理研究

本项目利用定容燃烧弹实验装置测量合成气层流火焰速率，通过火焰表面蜂窝状结构的定量分析阐明富含氢气对合成气火焰内在不稳定性影响机理。利用化学激波管实验平台测量混合气着火延迟期，获得激波管实验中OH*、CH*、CO燃烧中间产物浓度曲线。采用CHEMKIN软件计算合成气火焰和激波管实验着火过程，通过上述层流火焰速率、着火延迟期和激波管实验中燃烧中间产物浓度等实验数据，结合化学反应动力学模拟，分析富含氢气对合成气燃烧化学反应的影响规律和机理，评价现有合成气化学反应机理，提出修正机理。本项目系统的基础研究工作将提供宽广条件下合成气层流火焰速率和着火延迟期实验数据，提出基于实验数据的合成气化学反应修正机理，同时，阐明富含氢气对合成气火焰内在不稳定性的影响机理，具有重要的科学意义。本项目研究获得的实验数据、化学反应机理和火焰不稳定性机理可以用于指导实际燃烧器的设计和优化，具有重要的工程价值。

本项目利用定容燃烧弹和球形发展火焰法，测量了CO/H2/CO2/O2混合气层流火焰速率，评价了大比例CO2稀释下辐射对层流火焰速率的影响。分析了CO2/O2燃烧方式下，大比例CO2稀释对CO/H2/CO2/O2混合气火焰稳定性的影响规律和机理。揭示了大比例CO2稀释对火焰辐射特性的影响规律。分析了CO/H2/CO2/O2混合气化学反应路径。阐明了合成气着火延迟期与压力变化的非线性关系。获得了大比例CO2和H2O稀释条件下合成气层流火焰速率。阐明了CO2和H2O稀释对合成气层流燃烧的热稀释和化学稀释效果。发现了CO2和H2O稀释对合成气燃烧化学反应影响显著差异的基元反应。利用OH-PLIF激光诊断技术和高压燃烧实验平台，获得了高压下（0.5MPa）合成气预混湍流火焰前锋面OH-PLIF图像。通过OH-PLIF图像处理，获得了高压下合成气预混湍流火焰前锋面尺度信息。阐明了合成气预混湍流火焰前锋面尺度，层流火焰尺度和湍流尺度之间的耦合作用规律和机理。获得了CH4/H2/air瞬时预混湍流火焰前锋面OH-PLIF图像。基于Matlab自主开发了OH-PLIF图像处理程序软件，获得了预混湍流火焰前锋面尺度信息和火焰面密度。阐明了掺氢和湍流强度对预混湍流火焰前锋面尺度，层流火焰尺度和湍流尺度之间的耦合作用规律和机理。.项目研究工作中积极参与国际交流，在燃烧和能源领域著名期刊发表SCI论文11篇，其中在燃烧学顶级期刊Proceedings of the Combustion Institute上发表论文1篇，Combustion and Flame上发表论文1篇，并成功获得国家自然科学基金青年-面上连续资助项目（基于IGCC的合成气预混湍流燃烧特性基础研究，No. 51376004，80万，王金华，起止年限：2014.01-2017.12）。获得教育部自然科学一等奖（内燃机清洁替代燃料燃烧理论与应用，项目负责人排名第2，2013年），获得全国百篇优秀博士论文提名奖（No.2011200，2011年），获得JSPS（日本学术振兴会）外国人特别研究员资助（P10063，2010年）。研究工作对提升我国在国际燃烧学术界影响发挥了一定的作用，同时为项目负责人后续深入研究打下了坚实的基础。