雙旋流合成氣非預混燃燒特性的實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、煤炭在我國能源中的比例長期占據(jù)主導地位，燃煤所引起的環(huán)境污染問題受到越來越多的關(guān)注，發(fā)展和采用潔凈煤發(fā)電技術(shù)是我國可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。在諸多潔凈煤發(fā)電技術(shù)中，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification CombinedCycle，IGCC)是目前世界上公認的未來能源清潔高效利用的重要發(fā)展方向。在IGCC系統(tǒng)中，燃氣輪機使用的燃料由傳統(tǒng)天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹饣a(chǎn)生的合成氣，合成氣中普遍含有H2、CO及少量碳氫化合物等多

2、種可燃成分，其熱值普遍較低，且各組分之間的配比變化范圍很大，同時需要通過采取稀釋燃燒等方式來降低NOx排放，因此對合成氣燃氣輪機提出了高效率、低污染、高穩(wěn)定性以及對燃料的寬容性等一系列要求。對合成氣燃燒特性的理解和認識，則是解決合成氣燃氣輪機燃燒室設計時所面臨難點的基礎。
　　 本文首先建立了具有雙旋流結(jié)構(gòu)噴嘴模型燃燒室的燃燒實驗臺，通過實驗臺中燃料控制系統(tǒng)，來模擬不同組成成分的典型中熱值合成氣，并與CH4、H2以及CO等三種純

3、燃料在模型燃燒室中的火焰燃燒特性進行了對比。利用自主開發(fā)成套的平面激光誘導熒光(PLIF)系統(tǒng)，對合成氣火焰中的OH自由基濃度進行了測量，有助于了解火焰鋒面結(jié)構(gòu)、主要反應區(qū)尺寸、火焰形態(tài)及燃燒的穩(wěn)定性，同時利用高溫熱電偶測量燃燒室內(nèi)及排氣溫度，利用氣體分析儀測量排氣中的污染物濃度。在實驗的基礎上，本文還通過與已有PIV、高溫熱電偶等實驗數(shù)據(jù)的對比和驗證，選擇合適的亞網(wǎng)格模型對實驗工況進行大渦模擬，并將結(jié)果作為對實驗數(shù)據(jù)的有效補充。

4、>　　 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同當量比條件下，CH4與CO火焰鋒面在靠近噴嘴出口處呈現(xiàn)W型分布，H2與中熱值合成氣火焰根部鋒面則呈現(xiàn)M型分布，中心軸線兩側(cè)在旋流燃料的作用下形成反應真空區(qū)域。四種燃料中，合成氣火焰張角最小，H2在離開噴嘴后最先開始發(fā)生反應，并且火焰根部的反應區(qū)分布最為均勻，CO燃料對火焰根部的穿透軸向距離最大，CH4火焰的主要反應區(qū)最窄，中心回流區(qū)徑向?qū)挾茸钚?，CO與中熱值合成氣的燃燒室最高溫度區(qū)域最大。
　　 在

5、此基礎上，本文針對中、低熱值兩種合成氣在雙旋流噴嘴模型燃燒室內(nèi)的燃燒特性進行了研究，結(jié)果表明，當量比低至0.2時，合成氣火焰的反應區(qū)呈月牙形，隨著當量比的提高，中熱值合成氣火焰根部逐漸出現(xiàn)M型分布，而低熱值合成氣火焰則形成典型的推舉火焰特征。同時，燃燒室中下游出現(xiàn)大量的反應區(qū)，最高回流速度增大，火焰根部受到壓縮，燃燒室排溫升高，CO排放量迅速降低。此外，在相同當量比下，低熱值合成氣的最高燃燒溫度明顯低于中熱值合成氣，并且高溫區(qū)尺寸較小，

6、有利于減少熱力型NOx的生成，但會導致CO排放的增加和燃燒效率降低。
　　 為了進一步了解合成氣組分變化對燃燒特性的影響，本文還針對不同CO/H2體積比下的合成氣在雙旋流噴嘴燃燒室內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)及相關(guān)物理量進行了實驗研究，分析結(jié)果表明，當CO/H2體積比在0.2至4.0范圍內(nèi)變化時，合成氣火焰主體結(jié)構(gòu)不受影響，反應區(qū)域呈梭形分布，隨著CO/H2體積比的增大，燃燒室內(nèi)發(fā)生化學反應的位置提前，主要反應區(qū)擴大并向中心軸線蔓延，噴嘴內(nèi)、外

7、側(cè)火焰鋒面張角均有所減小，火焰根部變細變尖，同時OH自由基濃度的徑向分布趨于均勻，燃燒室最高燃燒溫度上升，高溫區(qū)域擴大，排氣溫度略有上升，尾氣中CO排放量增大，但是當燃料中的CO/H2體積比提高至1.0以上后，CO排放量隨CO/H2體積比的變化幅度變小。
　　 在對中熱值合成氣在雙旋流噴嘴結(jié)構(gòu)的模型燃燒室內(nèi)的燃燒特性有了較為全面的了解之后，本文以N2作為燃料稀釋劑，對中熱值合成氣進行0～40％(體積比)的稀釋，開展稀釋燃燒條件下

8、，稀釋量變化對中熱值合成氣火焰影響的研究。研究結(jié)果表明，隨著燃料中N2稀釋量的增加，合成氣火焰鋒面被拉伸，噴嘴出口附近火焰鋒面由M型分布逐漸變?yōu)閃型分布，中心軸線上的未反應區(qū)域不斷擴大，燃燒室內(nèi)反應區(qū)域亦不斷擴大，位于燃燒室頭部的內(nèi)側(cè)火焰鋒面向燃燒室中心軸線收縮，中心軸線內(nèi)側(cè)火焰鋒面逐漸遠離雙旋流噴嘴出口，外側(cè)火焰張角增大，火焰根部與雙旋流噴嘴出口間距離縮短，燃燒室內(nèi)的最高溫度下降，高溫區(qū)域縮小，有利于抑制熱力型NOx的生成，同時對CO