合成气稀释旋流扩散火焰稳定性研究

第20卷第3期《燃气轮机技术200年9月GAS TURBINE TECHNOLOGYSept., 2007合成气稀释旋流扩散火焰稳定性研究张永生,王岳,张哲巅,穆克进,惠鑫,张文兴,杨伟鹏,肖云汉(中科院工程热物理研究所,北京100080摘要:通过激光诱导荧光(F)和照相等方法研究了合成气稀释旋流扩散燃烧特性。研究了空气燃料旋流强度及它们相互配合对火焰稳定性的影响发现燃料空气反向旋流情况中在扩张段出口上方具有较高的OH浓度,说明这种流动组织方式加强了初始阶段的混合强化了化学反应,从而有利于燃烧的稳定;在所实验的范围内强化空气旋流和燃料旋流都起到稳定燃烧的作用;在燃料和空气出口附加扩张段能起到稳定火焰的作用,在一定范围内扩张段张角对火焰形态影响较大,扩张段张角小,火焰细长扩张段张角大火焰粗关键词:合成气;稀释,旋流扩散燃烧;平面激光诱导荧光中图分类号:V231.2·6文献标识码:A文章编号:1009-2889(20703-009煤炭利用在中国能源中所占比例最高,但目前种方法是通过在燃料或氧化剂中添加稀释剂来降低以锅炉燃烧产生蒸汽动力的利用方式效率低污染反应的浓度从而降低火焰温度,这种方法目前很具严重。整体煤气化联合循环(IGC)通过气化燃气有吸引力和竞争力-9。轮机燃烧等过程能够同时保持高效和低污染特性目前广泛应用的以天然气为燃料的燃气轮机中从而被认为是未来能源清洁高效利用的重要发展方绝大多数是通过旋流来有效组织流场,从而形成稳向。因此国家中长期科学和技术发展规划纲要定的燃烧区。通过空气和燃料的旋流配合也是以合(2006-2020年)将IGCC列为重点领域的优先主成气为燃料的燃气轮机的第一选择。但是,由于合题1,科技部“十一五”规划将其列人国家863计划成气的性质不同于天然气,例如热值低、燃烧室最高先进能源技术领域重大项目2温度高,如果只是简单的照搬原来的以天然气为燃在IC中煤气化后生成合成气(sgas),它的料的旋流组织形式,就有可能存在安全隐患和使效基本成分是H2和CO,也可能包含小部分CH、N2、率下降因此开展对合成气的燃烧机理研究就显得CO2、H2O和其它高阶碳氢燃料。详细的成分依赖于非常必要。由于国内外的能源结构不同,在国外燃所采用的燃料和处理技术3。一般而言,合成气的气轮机的研究中更多的关注以甲烷为主的天然气的热值较低但其代表燃烧室最高可能温度的化学计燃烧,对合成气燃烧的研究很少。尽管近年来国际算温度却要比烧天然气高约100K(4。由于燃烧温上也开始关注合成气的燃烧特性,但大多数还是停度是对NO2形成最重要的影响参数如果采用简单留在火焰结构、点火及熄火特性、层流燃烧速度、对扩散火焰会造成燃气轮机排放物远远高于标准碳氢冲扩散燃烧等机理性的研究3-9。对实际应用的火焰的水平。降低污染物排放常用的有两种方法,旋流燃烧的研究还未见报道。基于这种现状,本文其一是采用贫预混燃烧,但它要比扩散燃烧复杂得针对氮气稀释的合成气开展了旋流燃烧实验,通过多而且更重要的是预混火焰面临着严重的回火危平面激光诱导荧光(PI)等先进的光学测量手段力险。由于氢气火焰传播速度很快,当所燃烧的合成图对合成气旋流燃烧特性给出一定的说明气里混有氢气时这一危险还会加大,通过这种方火焰稳定性是燃烧中重点关注的内容,如果在法来利用合成气在工业应用设计上非常复杂。另一一定中国煤化工焰,则这种燃烧对CNMHG收稿日期:20070402改稿日期:2007-05-10燃气轮机技术第20卷工程上来说是没有任何价值的,因此燃烧的稳定性虽然这样难于对燃料旋流强度量化,但通过调节燃是工程上首先关心的问题。如果火焰能够长期持续料喷嘴可对燃料旋流强度给以定性说明。稳定地燃烧而不发生回火、吹熄等现象,同时对外界实验中合成气成分CO/H2/N2的体积比为的于扰具有一定的鲁棒性那么就可以认为所组织0285:0.225:0.49,它通过燃料旋流喷嘴和空气在的燃烧是稳定的。本文针对旋流火焰着重研究了燃扩张段内混合进行扩散燃烧,合成气的热值为烧稳定性。6MJ/m3。实验装置及测量实验中通过数码相机照相和平面激光诱导荧光(PLF)两种方法来对火焰形态进行测量,扩张段壁本文针对设计的40MW多喷嘴合成气燃气轮机温的监测通过K型热电偶来实现。PF系统由光的单元喷嘴,以氮气稀释的合成气为燃料进行了旋源荧光探测、控制和数据采集分析模块组成,光源流扩散燃烧实验。实验中通过改变空气和燃料的旋部分采用 Spectra- physics公司的Nd:YAG激光器流强度、旋流方向及扩张段的张角来开展研究,空气Simh公司的染料激光器,荧光探测通过 Ia vision公旋流强度的调节通过可动塞块旋流器来实现,而燃司的高分辨率的ICCD相机来实现。测量中从染料料旋流的调节是通过更换具有不同旋转偏角的燃料激光器出来的激光通过一组柱面透镜形成片激光,喷嘴来实现,空气和燃料的旋转方向的配合是通过片激光通过火焰,由于在激光束和燃烧产物相互作调节燃料喷嘴的方向来实现,扩张段张角的变化是用过程中,除了荧光信号还有其它散射光,因此在荧通过更换不同的扩张段来完成。图1是可动塞块旋光信号进入高分辨率的ICCD相机前要通过滤镜将流器及燃烧器示意图。空气从固定块1和移动块2其它信号滤光。实验测量中对于OH的IF信号,间的缝隙径向和切向流入,通过移动块的移动,调节染料激光器输出倍频波长是281925mm径向进气和切向进气的比例,从而实现空气旋流强度的调节0。空气与从燃料进口流入的燃料在扩2实验结果及讨论张段6内相遇混合,点燃后形成扩散火焰。21扩张段对燃烧稳定的影响扩张段使得火焰能够相对稳定地然烧。如果没邮帅有扩张段,火焰容易在燃烧器出口上方燃烧形成lft会H(推举抬升)火焰如图2所示。这里的工况和后面的图3(c)相同,但火焰根部距燃料和空气出口N圆处约有3倍空气出口直径的距离。当改变流量时,大流量下火焰不容易稳定。加入稀释氮气后,在小移动、固定块空气进囗流量下也容易被吹熄,而且随着氮气流量的增加火您料进口焰长度缩短。实验中发现没有扩张段时火焰高度较高,这是1.固定块;2.移动块;3.空气进口因为有扩张段的情况下扩张段内壁的粘性力使得回4.燃料进口;5固定、移动块;6.扩张段图1可动塞块旋流器及燃烧器示意图流区下移,从而扩张段可以缩短火焰的整体高度。在旋流燃烧中,燃烧的稳定依赖于旋流的良好对于燃气轮机内的燃烧来说首先要保证燃烧的稳组织如果能够形成合适的回流区就有可能形成稳定性从上面的现象中看到没有扩张段难以保持稳定的火焰。一般旋流强度是通过旋流数S来作为量定的火焰。另外如果火焰长度太长,不利于火焰筒化的指标。对于移动块可调旋流器M.比埃尔在的掺混,可能导致出口温度不均匀,因此希望具有较文献1O中对旋流数的计算给出了公式,但后来作短的火焰长度。所以本文重点研究具有扩张段的者指出原来的计算公式由于印刷原因有错误,正确燃沙“的宫吟下扩张卧面温度较低外壁的应该是如文献[11]所示。空气和燃料都具有旋流效果,空气的旋流数可通过上面的方法计算但目前温度中国煤化工会对扩张段造成危对所实验的燃料旋流还没有找到合适的计算方法。害。CNMH(吉构对称性较差,则扩张段很容易出现局部高温,甚至烧红,造成危害。第3期合成气稀释旋流扩散火焰稳定性研究图2无扩张段时形成的-d火焰瞬时P-OH图像b中燃料和空气同向,中燃料偏转角为30,b中燃料偏转角为20;c、de中燃料和空气反向,中燃料偏转角为30°,d中燃料偏转角为20,e中燃料偏转角为10。图3燃料和空气同向及反向对比图22燃烧稳定性分析为03,处于弱旋流的范围。这种条件下火焰不太实验中针对空气旋流数S=1,对比了不同燃料稳定,它有两种状态:一种是燃烧贴附于扩张段壁偏转角情况下空气和燃料同向旋流及反向旋流的不面;一种是燃烧类似于lit-d的情况,说明这种燃同,此时空气流速为50m/s,燃料流速为60m/s,数码料偏转角中较小的旋流数下燃烧不太稳定。而cd相机拍摄到的火焰形态如图3所示。图3中,a、b中两图所描述的强旋流中火焰比较稳定,说明大的空燃料和空气同向,a中燃料偏转角为30°,b中燃料偏气旋流有利于燃烧的稳定。 K Sudhakar Reddy等(2转角为20,可见a中火焰比较稳定,而b中火焰脱通过五孔探针实验研究了反向旋转的冷态旋流,观离扩张段壁面类似于it-o的情况,但火焰中心测到回流区尺寸随着进口旋流数增加。尽管冷态和位置要比无扩张段时的t-o火焰低很多。当燃热态实验有一定的区别,但主要是表现在热态增加料偏转角为10时,火焰燃烧不稳定,容易发生吹熄,了燃烧产物的流速上,对回流区的趋势研究在一定实验中没有拍摄到稳定的火焰。图3de中燃料条件上是可以参考的,火焰随着旋流数的增加而稳和空气反向,c中燃料偏转角为30°,d中燃料偏转角定也应该是增强了回流区的结果,另外,实验中发现为20°,e中燃料偏转角为10°。对比燃料和空气同空气旋流数为03时,回流区效果不明显,更接近射向的情况,可见燃料和空气反向能够获得更加稳定流火焰因此它的火焰高度比大旋流数时高很多。的火焰,但不同的燃料偏转角会导致不同的火焰高图4中e、f、g为燃料偏转角30时的火焰照片,度,一般地,燃料偏转角越小,火焰高度越高。从图可见空气旋流数对火焰形态的影响没有燃料偏转角3所描述的实验中可以看到,相同情况下燃料和空为10时的影响大,在所实验的范围内,都形成了较气反向旋转有利于燃烧的稳定,这可能是反向旋转为明显的旋流火焰。说明这种情况下燃料旋流对燃进一步加强流动的扰动,从而促进化学反应的发生。烧的稳定性起了重要的作用,燃料旋流加强了流动因此下面关于火焰形态的讨论着重研究燃料和空气的扰动,它同样起到稳定火焰的作用。反向旋转的情况。由王料和空气出门出业后都要受到壁面的实验中对比了不同空气燃料旋流强度及它们的作用中国煤化工⊥焰燃烧应该有相互配合关系。图4中a、b、c、d是当燃料偏转角为定的CNMHG张角进行了实验,10时空气旋流强度的对比,其中a、b中空气旋流数火焰形态如图5所示。可见扩张段张角对火焰形态32燃气轮机技术第20卷具有较大的影响在实验的范围内,扩张段张角越大角太大,则粗壮的火焰会在火焰筒头部形成局部高则火焰越粗壮,扩张段张角越小则火焰越细长。从温,有可能烧坏火焰筒头部;而如果扩张段张角太实验中可以看出,扩张段张角对于根据这种设计理小,则细长的火焰会不利于掺混。念设计的燃气轮机具有很大的影响,如果扩张段张其中a、b、e、d燃料偏转角为10°,a、b中S=03,c中S=0.6,d中S=1;fg燃料偏转角为30;c中S=0.3,f中S=06,8中S=1图4燃料和空气旋流效果对比图重中扩张段角35,b中扩张段角30,c中扩张段角20空气流速50m/8燃料流速60m/s,燃料偏转角为30°图5不同扩张段张角时的火焰形态对比图23PITF对OH分析践证明瞬时P图像能够非侵入的检测组分浓度线性激光诱导荧光(L)和平面激光诱导荧光温度、速度、压力和密度,而OH可用于研究火焰的(PL)图像测量组分浓度在20世纪80年代初开始高漩涡区。报道B-。由于在测量火焰结构中它具有相对高在本文的实验中,对于所研究的火焰PT图的信号强度、易于解释且便于用来确定流场的变化像,OH分布覆盖了较宽的区域,它表现出强烈的皱(包括浓度温度速度、压力和密度的变化),近年来褶云图,这些结构对火焰内湍流传输和混合过程具在国际燃烧研究领域得到广泛的应用。例如在第有很好的反映。从瞬时的PI图像可以明显的看27、28和29届国际燃烧会议上共发表了三百余篇关出OH浓度的变化在所测量的空间随时间脉动变化于气相火焰实验研究的论文,约四分之一是采用了非常剧烈,而且在同一时刻反应并不是均匀的发生,PT作为测试手段。在PL测量中由于OH自由而是在所观测的一些区域较为强烈,另外一些区域基在火焰前沿过平衡浓度附近,而且它在热生成物较为微弱如图6所示这些特征清楚的反应了湍流附近的浓度很低。因此,OH就是火焰区很好的指的涡中国煤化工信号的强度梯度示物,同时OH自由基图像也表明热生成物和冷的脉CNMHG区在空间上处于的反应物的边界m。 Ronald等{的综述中认为,实变化之中第3期合成气稀释旋流扩散火焰稳定性研究取扩张段出囗上部为PF观测区,从对比空气流量从而使得更多的燃料在这一区域发生反应,同燃料反向和空气燃料同向的PF图像图7中可以时也导致这里的燃烧反应更容易发生。也就是说看到,相对而言,在其它条件相同的情况下,距离扩加强了火焰根部的燃烧,从而增强了燃烧的稳定性,张段出口较近的区域中,相同位置处反向的OH强解释了图3所反映的现象。这种加强作用也分别在度更高一些。这是因为反向旋转流动中周向剪切层 LiGuogiang'1等关于冷态P测量和KMek等的强烈相互作用,导致切向速度快速衰减加强了空三维LD冷态实验中进行了报道,与本文通过PLF气和燃料的相互扰动和掺混,加强了回流区的质量测量的结果得出的结论一致。图6燃料空气反向旋转瞬时PF图像(空气流速70m/s,燃料流速60m/B)b空气流速为50m/,燃料流速为60m/s,同向旋转b反向旋转;ed空气流速为70m/s,燃料流速为60m/s,c同向旋转d反向旋转图7燃料和空气同向及反向平均PF图像对比图7的OH图像也反映了回流区的特征,以7性。实验方法上,通过分析激光诱导荧光方法测量d)为例,在常压下模拟燃气轮机燃烧。由于在设计的OH浓度分布图像能够反映旋流燃烧的回流区及工况下旋流器中的空气占整个燃烧室空气量的燃烧特征;初步研究了空气燃料旋流强度及它们相35%,尽管是低负荷燃烧工况,在旋流喷嘴处燃料互配合对火焰稳定性的影响。发现燃料空气反向旋依然过量。因此当燃料流速固定不变时在扩张段流情况中在扩张段出口上方具有较高的OH浓度,内部燃料和空气发生反应,但还有燃料没有足够的说明这种流动组织方式加强了初始阶段的混合强空气和它发生发应。图像两侧高亮度区处于回流区化了化学反应,从而有利于燃烧的稳定。在实验范上部边缘,在这里燃料和从环境中卷吸的空气发生围内,强化空气旋流和燃料旋流都起到稳定燃烧的反应,所以OH浓度较高;图像上部中间OH具有一作用;在燃料和空气出口附加扩张段能起到稳定火定的浓度这可能是因为回流将一部分空气卷吸到焰的作用。在一定范围内扩张段张角对火焰形态中间的结果。另外从图7可以看出空气流速加大影响较大,扩张段张角小,火焰细长:扩张段张角大使得观测区OH浓度较高而且较为均匀,这可能是火焰粗壮。流速的升高加强了湍流扰动的结果。但由于没有对扩张段内的燃烧进行测量,详细的反应过程还需要参考文献:进一步的研究。[1]中中国煤化工学和技术发展规划纲要3结论InCNMHGg06-02/0%cantet-本文研究了合成气稀释旋流扩散火焰的燃烧特(2]中华人民共和国科技部国家3计划先进能源技术领域“以煤燃气轮机技术第20卷气化为基础的多联产示范工程”重大项目课题申请指南中p:/[12 )Sudhakar R.K.,ReyD.N. vers Prasad C M., Experimental inve168.160.19.4 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This means that the counter-flow canstrengthen the blend o the gases at the beginning stage, and intensify the chemical reaction Therefore it is advantageous to combustion stabilitI was discowered that either intensification d air swirt or intensification of fuel swirl can stabilize the combustion Moreover, the additional conical expansion at the air and fuel exit can make the combustion more stable. The angle o conical expansion can exert important effectsflame shape. The smaller the angle of divergence of the conical expansion outlet, the thinner and longer the flame; the larger the angle of divergence of the conical expansion outlet, the wider and the stronger the flameKey words: syngas; diluted; wiring diffuse combustion; PLIF中国煤化工CNMHG