2024年, 第30卷, 第05期　
刊出日期：2024-10-25

  

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  多环芳烃在浴气中的二元扩散系数的分子动力学模拟研究

  归昱欣, 李颖, 游小清

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 429-436.

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  多环芳烃是形成碳烟的前驱体，其扩散性质对碳氢燃料火焰的特征和模拟研究有重要意义．通过观察由不同力场参数模拟所得的苯分子与浴气分子相互作用势能曲线与CCSD(T)/CBS和M06-2X/6-311g(d,p)方法所得势能曲线的符合程度，本研究确定了一组适用于芳烃与氮气或氦气体系的力场参数，并探索了模拟时长和速度相关积分尾部数据对结果的影响，进一步确定了模拟设置．在此基础上，比较了苯在浴气中的二元扩散系数的模拟值和文献中的实验值，其相对偏差的绝对值小于3.5%．分别比较了萘、芘、晕苯在浴气中的二元扩散系数模拟值与基于Hirschfelder-Bird-Spotz公式的各种方法所得数值，发现由SA方法和η-ξ方法所得二元扩散系数普遍比σ-ε方法和经验估计法的结果更接近模拟值．
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  基于Aspen Plus的玉米芯气化制合成气系统设计及优化

  李景煜, 孟晓晓, 刘梁颖, 司徒卉隽, 谢华清, 孙锐

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 437-446.

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  本研究以玉米芯为原料，基于Aspen Plus提出了一种二段式气化重整反应系统，通过合理调整热解气化段和CO₂/H₂O混合重整段的反应条件，不仅能降低焦油的生成，协同消耗CO₂实现“碳负排放”，而且能将生物质定向转化为用于甲醇、甲烷合成的目标合成气．通过能量分析，在保证外界供能最小的条件下，研究发现，500℃热解，制取甲醇原料合成气■的最佳重整条件为■、■、温度为770℃；制取甲烷原料合成气■的最佳重整反应条件为■、■、温度为770℃．
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  NH₃/Air混合层自点火直接数值模拟研究

  杨文豪, 罗开红

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 447-456.

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  采用直接数值模拟方法研究非预混状态的NH₃/Air混合层在层流和湍流条件下的自点火、火焰传播和生成NO过程．添加氢气、压力增加和湍流混合都会加快氨气的自点火过程．NH₂、HNO和OH 3个自由基可以分别表征点火的诱导和热释放阶段．层流和湍流条件下，释热率都会在火焰传播末期产生两个峰值，即分层现象：小峰值区主要与OH的基元反应有关，大峰值区主要与NH₂和HNO的基元反应有关．添加氢气和湍流都会提高NO的生成量．最大NO数值曲线随时间会先增大后减小，两个阶段由NO的反应项和扩散项分别主导．
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  等离子体拓展氨/空气预混旋流火焰贫燃极限

  王宇, 孔成栋, 乌晓江, 张忠孝

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 457-465.

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  为探究等离子体对氨-空气预混旋流火焰贫燃极限及燃烧效率的影响规律，将等离子体等效为热源，结合计算流体力学(CFD)燃烧模拟手段分析不同当量比及等离子体放电位置下氨的燃烧特性．结果发现，布置等离子体等效热源后，氨-空气贫燃极限从0.82降至0.78以下，但同时伴随燃烧效率的下降．其原因主要在于等离子体放电输入热量可维持局部高温来防止火焰吹熄并提高局部火焰传播速度．然而，随当量比下降等离子体作用范围减小，导致部分氨逃逸进而引起燃烧不充分及燃烧效率下降．
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  添加H₂对NH₃/空气旋流火焰OH^*化学发光的影响

  陈达南, 李军, 李兴, 郭怡君, 赖诗妮, 黄宏宇, 小林敬幸

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 466-472.

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  火焰的化学发光特性是了解氨作为无碳替代燃料时的火焰结构和反应机理的基本方法．本研究通过实验获得了不同当量比和H₂添加量的NH₃/空气旋流火焰中的OH^*化学发光分布和形成特征，比较了不同条件下OH^*层分布特性及火焰燃烧现象的影响．结果表明，随着当量比的增加，OH^*辐射峰增加，且当量比的增加显著增强了OH^*的整体化学发光强度．在贫燃料火焰中，当量比效应大于NH₃稀释效应，而在当量和富燃料条件下，这两种效应相当．随着掺氢比例的增加，OH^*化学发光强度逐渐增加，OH^*峰值位置逐渐从下游火焰向上游移动．
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  C₂H₂/CH₄燃烧特性实验及反应动力学研究

  刘宇, 罗蒙蒙, 田富超, 谷午, 王凯, 梁运涛

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 473-480.

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  随着煤矿开采深度的增加，极易出现瓦斯与煤自燃灾害交织共生现象，增大灾害风险．为阐明煤与瓦斯共生灾害发生时的火焰传播特性，有必要开展煤自燃气体掺混对瓦斯燃烧特性的影响研究．乙炔气体（C₂H₂）是煤高温氧化时产生的主要气体之一，甲烷（CH₄）是瓦斯的主要成分，本文研究了0～2%体积分数C₂H₂掺混对CH₄层流燃烧速度的影响规律．结果表明，随着C₂H₂体积分数的增加，C₂H₂/CH₄混合燃料层流燃烧速度增大．层流燃烧速度受质热扩散作用、动力学和热力学效应的综合影响，当C₂H₂体积分数增加至2%时，混合燃料的（αLe）^1/2、T_ad分别增加了1.54%、2.98%,_aT减少了26.93%，说明动力学效应是C₂H₂促进CH₄层流燃烧速度增加的主导因素．由活性自由基体积分数分析可知，随着C₂H₂体积分数的增加，H、O、OH和CH₃等活性自由基体积分数均出现增加趋势，从而促进了CH₄的燃烧．
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  煤矿低浓度瓦斯多孔介质催化燃烧稳定性研究

  曹运齐, 杨丽, 贾志轩, 刘方, 宋正昶

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 481-488.

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  针对煤矿低浓度瓦斯利用难题，开发负载Fe₂O₃活性组分的多孔介质催化剂进行低浓度甲烷（LCM）催化燃烧实验，探究不同当量比、气体流速、Fe₂O₃负载量对LCM燃烧稳定性的影响，并对其动态燃烧特性进行分析．结果表明，Fe₂O₃负载的多孔介质催化剂可有效提高LCM燃烧的稳定性，拓宽LCM驻定燃烧的极限当量比．在当量比0.46、气体流速0.126 m/s的条件下，LCM在负载1%Fe₂O₃的多孔介质催化剂中实现了稳定燃烧，实验测定甲烷的转化率在98%以上，且CO排放体积分数低于600×10^-6,NO_x排放体积分数低于30×10^-6.
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  油页岩临界热解中间体的结构表征

  黄越, 洪文鹏, 丁皓姝, 高朔, 董花花, 李术元

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 489-496.

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  为探究抚顺油页岩有机质热解机理，以其热解产物抽提率最高时获得有机体——临界热解中间体为研究对象，采用核磁共振（NMR）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、快速裂解气相色谱质谱联用（Py-GC/MS）技术对临界热解中间体进行了原子结构表征，提出了该热解中间体平均分子结构模型的分子式C₃₇₀H₅₇₀O₂₉N₄S．结果表明：临界热解中间体的碳骨架结构主要由脂肪族碳构成，脂碳率与芳碳率分别为74.7%和25.3%，脂肪烷烃链的支化度Bi为4.31%，亚甲基长链的平均碳数约为18个；芳香碳以单环形式为主，芳香环的平均取代程度为0.4左右；杂原子主要以羰基氧、吡咯氮和噻吩硫的赋存形式存在．
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  卷吸限制与火焰融合对U型外立面保温材料火蔓延的影响

  聂一凡, 张继薇, 赵燚, 陈艳秋

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 497-506.

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  本文从火蔓延速率、温度及热流3个方面，研究了U型结构侧向和底部空气卷吸限制以及火焰相互作用对U型结构外立面保温材料顺流火蔓延行为特性的影响．研究发现：侧向空气卷吸限制增大了火蔓延速率、温升和热流；底部空气卷吸限制整体上减小了火蔓延速率、增大了温升和热流；背墙火焰与边墙火焰的相互作用增大了火蔓延速率、温升和热流．
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  生物质棒稳态阴燃数值分析

  赵文涛, 于光鑫, 张毅, 王有镗, 周丹, 何芳

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 507-519.

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  明确生物质稳态阴燃机理是其技术应用的关键.本文对自制生物质棒的稳态阴燃过程进行了数值分析.在根据经验关联式计算的传播速度基础上，建立了一个同时考虑炭氧化及热解的二维稳态阴燃模型.利用生物质棒阴燃实验对该模型进行了验证，传播速度及炭锥高度实验值与预测值的最大误差均小于31%.参数敏感性分析发现，随着棒状燃料直径的增加，传播速度显著降低，氧化及热解区显著增加.
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  不定型煤基活性焦制备及预处理影响研究

  李阳, 靳晓灵, 杨成龙, 赵瀚辰, 贾晨光, 蔡铭, 笪耀东, 楚良, 邓磊, 车得福

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 520-531.

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  我国煤炭燃烧排放大量的SO₂和NO_x等导致了严重的空气污染，需要寻找一种清洁高效的烟气联合脱硫脱硝技术．煤基活性焦因其脱除效率高，再生能力强等诸多优点备受关注，但目前的研究主要集中在柱状和粉末状活性焦上．为研究大粒径煤基活性焦的制备参数和预处理对活性焦理化特性的影响，对原煤颗粒进行高温空气预氧化处理，并通过炭化-水蒸气活化两步法制备活性焦．结果表明：低温长时间活化可使炭化料内部孔隙充分刻蚀，显著提高比表面积和孔容，以水蒸气作为活化剂有利于微孔和介孔协同发展，适合制备大粒径分级孔结构活性焦．700℃活化3 h制得的府谷煤活性焦比表面积为429.54 m²/g，介孔占比27.80%;850℃活化3 h制得的大同煤活性焦比表面积为892.20 m²/g，介孔占比21.46%．高温空气预氧化能够改变原煤内部结构，对府谷煤颗粒在200℃下预氧化15 h后，氧化煤内部成分和结构基本稳定，脂肪结构被消耗的同时生成了大量含氧官能团．预氧化处理对炭化过程的影响较为显著，氧化煤在炭化过程中热塑性特征显著降低，减少了焦油对孔隙的堵塞，此外，含氧官能团的交联作用也促进了煤中大分子的缩聚和孔隙的形成，从此促进初步孔隙的发展．虽然预氧化使得活性焦的比表面积和孔容都有所增大，但活化剂和样品之间的成孔路径未产生改变．
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  基于YOLOv7的红外阴燃火探测算法改进研究

  汤伟, 张文迪, 袁航, 解聪, 任家辉

  燃烧科学与技术. 2024, 30(05): 532-538.

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  目前，基于机器视觉的火灾检测算法中数据集类型不充分、数据集在时间维度覆盖不全面，致使此类算法难以实现火灾的早期预警，文中提出了基于改进YOLOv7的红外阴燃探测方法．该算法利用EfficientFormerV2模型替换原模型的骨干网络CSPDarknet53，从而增强了模型低延迟、低参数量、易部署的能力；同时，在预测网络中，采用CARAFE轻量化上采样模块代替原模型中的上采样模块，扩大了模型对特征的感受野，改善了阴燃特征的表示能力；此外，还引入了新的NWD度量来提升模型边界框预测能力．结果表明，在自建阴燃数据集上，该算法的平均精度达到92.9%，对阴燃检测的平均精度达到99.6%，比YOLOv7的精度提升了14.4%，较基于手工提取特征的卷积神经网络算法提升了4.6%．研究成果将为阴燃火早期预警提供新思路．