合成气低旋流燃烧器设计与流动结构的分析

第31卷第2期动力工程学报Vol 31 No. 2011年2月Journal of Chinese Society of Power engineeringFeb. 2011文章编号:16747607(2011)020131-06中图分类号:TF055文獻标识码:A学科分类号:610合成气低旋流燃烧器设计与流动结构的分析尹航,钟仕立,戴韧,陈永辰(上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093)摘要:设计了一个合成气低旋流燃烧器,采用PIV技术对不同负荷下的冷态流场进行了测量,并比较分析了不同中心射流流速对旋流流场的影响.鲒果表明:流场中出现中心回流区时的旋流数与中心流速无关,高旋流与低旋流的分界点为S=0.7;流场中的轴向速度、径向速度和湍动能均关于燃烧器中心轴线对称;中心軸线上无量纲轴向速度的分布与中心射流流遠(负荷)无关,燃烧器出口下游形成一个发散低速区,有利于稳定充分燃烧;随中心射流速度的增大,径向速度成正比增大,湍动能明显增加关键词:合成气;低旋流燃烧器;流场;旋流强度;旋流数;PIV技术Design of Low Swirl Syngas Burner and Analysis on the Flow PatternYIN Hang, ZHONG Shi-li, DAI Ren, CHEN Yong-chen( School of Energy and Powering Engineering, University of Shanghai for Science andTechnology, Shanghai 200093, ChinaAbstract: a syngas burner with low swirling intensity was designed and the cold state flow fields at differ-ent loads were measured using PIV technology. The influence of different central jet velocities on swirlingflow field was compared and analyzed. Results show that when the central recirculation zone appears, theritical swirl number has nothing to do with the central jet velocity, and the demarcation between high andlow swirl flow is s=0. 7. The axial velocity, radial velocity and turbulent kinetic energy are all symmetrical about the burner center axis. The dimensionless axial velocity profile along the central axis has nothingto do with the central jet velocity(load), and downstream the burner outlet there is a low speed area whichis helpful to sufficient combustion. With the rise of central jet velocity, the radial velocity increases pro-portionally, while the turbulent kinetic energy increases significantlKey words: syngas; burner with low swirling intensity; flow field; swirling intensity swirl number; Pivtechnology在我国的一次能源结构中,煤炭的主体地位在解决方案,而合成气的清洁和高效燃烧是其中的重今后相当长一段时间内不会改变,煤炭直接燃烧带要环节来了严重的环境污染,煤炭联产系统和整体煤气化合成气生产方法有固体燃料气化、轻质烃类转联合循环系统(IGCC)是实现煤炭洁净燃烧的有效化和重油部分氧化等,合成气的主要可燃成分是中国煤化工收稿日期:201006-10修订日期:20100917CNMHG基金项目:上海市重点学科建设资助项目(J505011)作者简介:尹航(1978),男,辽宁锦州人博士研究生,主要从事气体燃料燃烧方面的研究电话(TeL):13917251930;E-mail: yinhang36@ gamil. co132·动力工程学报第31卷O和H2,与天然气相比,其热值较低.CO的燃烧1Shel合成气成分m反应速率较低、低负荷时燃烧不稳定、绝热燃烧火焰Tab 1 Syngas composition produced by Shell gasifier温度高及NO排放量较大合成气燃烧过程既要保证CO充分燃烧和较大负荷范围,同时也要尽量缩(CH1)p(CO)Hz)yCO2)(H2S)r(N2)短烟气在高温区的停留时间,以抑制NO2的生成张永生等采用平面激光诱导荧光(PLIF)研功率W=65kW.在合成气成分中,CO体积分数较究了合成气旋流扩散火焰特性,发现燃料的旋流强高.CO燃烧速度较慢,要使CO达到完全燃烧,需要度对燃烧稳定性和温度场的影响比空气旋流强度的影响大赵晓燕等采用数值方法研究了不同热值保证其在燃烧室内有足够的停留时间,因此在燃烧燃料的燃气轮机燃烧室内的燃烧性能,结果表明:随:随器设计时通常采用较低的气流速度笔者选取预混着燃料热值的降低,燃料射流流速增大,燃烧稳定性气出口流速V=8m/s.燃烧器采用轴对称结构,旋降低为了提高燃烧稳定性需要增大燃料喷嘴口径合成气完全燃烧所霱的空气量为心体积的Shel流器产生的旋流环绕中心射流.单和增加旋流数崔玉峰等和徐纲等按照等速度原则对燃气轮机燃烧室进行了改造,增大了燃料喷F=9524g(CH,)+2381[g(CO)+g(H2)]+7.143g(H2S)(1)嘴口径,并增加了旋流数,在基本不改变火焰筒结构则燃烧器出口面积A可表示为:条件下,燃料的燃烧性能达到了设计要求旋流是控制燃烧稳定性与强度的有效手段之A=(o+F)W5,燃气轮机和锅炉燃烧室大多采用高旋流动产设计的射流与旋流部分面积比为3:1.图1为生回流来稳定火焰,但是回流区在稳定火焰的同燃烧器结构示意图时也延长了烟气在高温区的停留时间,导致热力型NO2排放量增加.随着环保法规的日益严格,必须采取有效措施来控制NO2排放Chan等最先将切向射流法产生的低旋流动应用于甲烷预混燃烧,发现流场中并没有出现回流区,但仍可以稳定火焰,同时缩短了烟气在高温区的停留时间,降低了NO2的排放 Cheng等将叶片式旋流器应用于低旋流燃烧器并通过激光多普勒测速仪(LDA)测量燃烧区域的流动分布,结果发现中心射流应用叶片式旋流器与采用切向射流管法所产生的流图1燃烧器结构示意图(单位:mm)场结构基本一致,同时可应用等出口速度原则对燃Fig 1 Schematic of burner structure (unit: mm)烧器进行放大M.A. Johnson等将某高旋流燃烧旋流强度是决定流场结构的重要因素,通常采器改造成低旋流燃烧器,经比较发现:两者具有几乎用旋流数S来表征.假定燃烧器出口气流密度一相同的负荷范围,在低旋流工况下,甲烷火焰稳定性致则旋流数定义为不受当量比、人口温度、压力及中心射流流速的影S1-(R/R,)3tan a响,其NO2排放水平比高旋流燃烧器降低60%1+[(U/U)2-1](R/R)2基于低旋流燃烧器的低NO,排放优势,笔者设式中:a为旋流器导叶与垂直方向的夹角,C):R、R计了合成气为燃料的低旋流燃烧器.利用PV对燃分别为旋流器射流部分和旋流部分的内径;U、U烧器出口流场速度分布和湍动能进行了测量,分析分别为燃烧器出口射流和旋流的轴向速度分量的平和比较了不同负荷下的流场结构,并研究了流场变均值化对燃烧的影响按照面积比进行流量分配,射流与旋流流量之比为1燃烧器设计中国煤化工(4)本文以Shel化炉的合成气为燃料,其热值Q=CNMHG11MJ/m3,Shel合成气成分列于表1.燃烧器采用全预混燃烧方式,当量比g=0.95s=3an a[l-(/R,"(5)第2期尹航,等:合成气低旋流燃烧器设计与流动站构的分析13像一般认为,低旋流动与高旋流动的临界旋流强为6mm经透镜组形成厚度约为1m的发散片光0.6.为了降低NO,排放,选择低旋流燃烧方源此片光源通过燃烧器中心轴线图像采集系统采式,同时为了提高合成气燃烧的稳定性采用比较大用分辨率为2048×2048像素的CCD相机,以12的旋流强度,选取S=0.6对旋流器进行设计.由式位灰度识别示踪粒子,最大采集速度为17帧/s,(5)可得到旋流角度a=65°图2为旋流器的结构示CCD镜头前安装了一块平均通过波长为532nm、意图.从图2可知:旋流器壁厚与导流叶片厚度均为带宽为6nm的滤光镜,用以降低环境对拍摄图像1mm,叶高为4mm,叶片数为5个的影响试验拍摄区域为160mm×160mm,拍摄区域下缘与炉台出口距离小于1mm,查询区大小为3232像素待测流场面和CCD相机底片之间的位移比例系数L=160×10-3/2048=7.81×10-5m/像素图2旋流器的结构示意图在PV测量中确定双曝光时间间隔时,示踪粒Fig 2 Schematic of swirler structure子的位移不能超过查询区的宽度,同时需兼顾流场速度变化率,本文选取40~80ns2试验系统3结果与分析2.1试验装置3.1旋流数的修正试验台主要由供气系统、燃烧器和PIV系统组在开放空间的试验中发现:当中心射流流速为成图3为旋流燃烧器试验台和PV系统以压缩8m/s旋流数为0.60时,点火后火焰面迅速向下游空气作为气源通过压力调节阀调节空气压力,使用移动直至吹熄,火焰无法稳定燃烧而当旋流数增大空气过滤器对压缩空气进行除油除湿处理,过滤精到07时火焰得到稳定图4为旋流数为0.7时的度可达到0.1pm,采用量程为500L/min和1500低旋流火焰照片L/min的质量流量控制器(MFC, mass flow controller)分别控制旋流和射流部分的空气流量,精度为0.5%示踪粒子选择粒径为5pm的A2O2颗粒,其反射性较好、浓度对自相关计算影响小.由于研究区域集中在射流和旋流的相互作用部分,因此在试验中仅向中心射流部分加入示踪粒子激光器燃烧器压缩空气图4旋流数为0.7时的低旋流火焰照片过滤器Fig 4 A photo of low swirl flame at S=0.7发生器为了研究旋流数对燃烧稳定性的影响,笔者对控制平台中心射流流速为U1=8m/s时不同旋流数下的冷态图3旋流燃烧器试验台和PIV系统示意图旋流流场进行了测量,其速度场分布如图5所示,图Fig 3 Test rig of swirling burner and PIV system中x、R分别为流场中任意一点到燃烧器出口和中2.2Pv系统心轴线的距离由图5(a)可知:在旋流数S=0.60PIV系统由TSl公司生产,主要由片光源系时统、图像采集系统、同步系统和控制平台组成片光近中国煤化立轴线(RD=0)附随着旋流数的增源系统以双腔谐振脉冲式激光器为光源脉冲频率大CNMHG流的拉伸作用增为1~15Hz,单脉冲最大能量为260mJ.脉冲激光强.从图5(b)可知:燃烧器出口下游中心轴线附近器脉宽为8ns,输出激光波长为532nm,光斑直径的高速区面积大大减少,集中在燃烧器出口附近,流134·力工程学报第31卷100.500.5101.515-10-0505101510-0500.51.01.5(a)S=0.60(b)S=0.70(c)S=0.72图5中心射流流速为8m/s时不同旋流数下的速度场分布Fig s Velocity fields at different swirl numbers when central velocity is 8 m/s场中出现较大的低速区,当S=0.72时,燃烧器出分布.定义湍流火焰传播速度:当坐标系固定于火焰口下游流场中开始出现回流低速区域进一步增大,面上时,未燃混合物垂直进入火焰区的速度12.当如图5(c)所示旋流数S=0.6时,轴向速度最小值(4.8m/s)大于图6给出了中心流速为8m/s时不同旋流数下湍流火焰传播速度,火焰面向下游移动此时,气流的无量纲轴向速度分布,其中Y为截面与燃烧器出卷吸周围空气使当量比降低,以及火焰面向下游移口的距离.从图6可知:在燃烧器出口位置,不同旋流动过程中由于火焰面面积的增大导致热损失增加可数下的速度分布相似,随着轴向距离的增大旋流数能是造成火焰熄灭的主要原因.当S=0.7时,轴向较大的工况中心部分轴向速度衰减较快,左右2个峰速度最小值为0.6m/s,火焰传播速度与流场中某值之间的距离增加较快,下游产生发散低速区,这个处的来流速度大小相同继续增大旋流数至0.72区域能延长火焰的停留时间,有利于CO燃烧.当旋轴向速度最小值已经小于0,此时火焰仍能够稳定流数S=0.6时,测量区域未出现明显的低速区燃烧-S-oS061.005(a)y-0.9D05101.50=0.5051.015图7不同旋流数下轴线上的无量纲轴向速度分布b)0.6D当旋流数S=0.72时,流场中已经出现了回流10=050.51015区.低旋燃烧与高旋燃烧的区别在于是否依靠中心回流区来稳定火焰因此在本文中以流场中出现回流区来区分高旋流动与低旋流动此外,还分别对中心射流流速为3m/s和51.5-10=05m/s时不同旋流数下的旋流流场进行了测量,发现流场中出现回流区时的旋流数分别为0.74和0.7图6中心流速为8m/s时不同旋流数下的无量纲轴向速度分布因此中国煤化工为流场中出现[Fig 6 Dimensionless axial velocity profiles at different swirl流区CNMHG关取高旋流与低旋流的分界点为S=0.7.笔者对低旋流动结构的图7为不同旋流数下轴线上的无量纲轴向速度分析在S=0.7下进行第2期尹航,等:合成气低旋流燃烧器设计与流动结构的分析·135·3.2速度分布L图8为不同中心射流流速下的无量纲轴向速度分布不同中心射流流速下的无量纲轴向速度分布具有相似性,并且关于燃烧器中心轴线对称.随着轴0.61.014向距离的增加,中心部分轴向速度衰减很快,产生左a)F=0.9D右2个峰值,且2个峰值之间的距离不断增加,表明燃烧器出口下游形成了一个发散低速区,有利于稳定燃烧-14-1.006-02020.6104(b)Y-0.6D14-1.0060202061.014(a)￥=09Db)y0.6D(d)Y=OD图9不同中心射流流速下的径向速度分布Fig 9 Radial velocity profiles at different central jet velocities(e)y-0.3D5 m/sUs8 m/s05101.5202530图8不同中心射流流速下的无量纲轴向速度分布Fig. 8 Dimensionless axial velocity profiles at different图10不同中心射流流速下轴线上的无量纲轴向速度分布entral jet velocitiesFig. 10 Dimensionless axial velocity profiles in the axis at differentcentral jet velocities图9为不同中心射流流速下的径向速度分布径向速度也关于燃烧器中心轴线对称,并随着中心湍动能为射流流速的增大而增大随着轴向距离的增加,径向k=2(v+v)(6)径向速度在靠近轴线的区域并不为0,表明旋流对式中0、吃分别为径向和轴向的脉动速度中心射流的拉伸已经渗透到射流中心图10为不同中心射流流速下轴线上的无量纲图11可看到:湍动能关于中心轴线对称分布,旋流轴向速度分布不同中心射流流速对应的轴向速度部分具有较高的湍动能,出现左右2个峰值表明旋分布十分相似,且沿轴线方向呈线性迅速衰减,在流部分具有更大的燃烧速度,使火焰呈扁平形,截面x/D≈1.5处达到最小值,几乎为0,表明在该区域城热负荷增大,有利于CO燃尽,随着中心射流流速的内必然存在气流速度与湍流火焰传播速度相等的位增大湍动能明是增大,火焰传播速度加快减缓了置,即火焰面驻定位置这是满足火焰稳定燃烧的条在负中国煤化工化随着轴向距离件之一的增CNMH(减小,峰值之间的3.3湍动能距离增加,因受到外围旋流扰动影响,中心部分的湍湍动能反映了火焰燃烧速度的快慢,定义二维动能增加136·动力工程学报第31卷[2]赵晓燕,李祥晟,丰镇平.燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维流流动的数值模拟研究[J].动力工程,2009,29(4):330-334.14-10-06-020.206101.4ZHAO Xiaoyan, LI Xiangsheng, FENG Zhenping.Numerical simulation research on three dimensionalturbulence flow in a gas turbine combustor burninglow heat value syngas[J]. 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Freely器中心轴线对称.中心轴线上无量纲轴向速度的分propagating open premixed turbulent flames stabilized布与中心射流流速(负荷)无关,燃烧器出口下游形by swirl[C]//Twenty-Fourth Symposium(Internat成一个发散低速区,有利于稳定燃烧.径向速度与中al)on Combustion, Pittsburgh, American: The Com-心射流速度成正比增大bustion Institute, 1992: 511-518.(3)湍动能关于中心轴线对称分布随着中心射[8 CHENG R K, YEGIAN D T, IYASATO,流流速的增大湍动能明显增加.随着轴向距离的增aL. Scaling and development of low-swirl burners forlow emission furnace and boilers[J]. Proceedings of加,旋流部分湍动能峰值迅速减小,峰值之间的距离增加.[9] JOHNSON M R, LITTLEJOHN D, NAZEER W参考文献:A, et al. A comparison of the flowfields and emissions of high-swirl injectors and low-swirl injectors[1]张永生,穆克进张哲巅,等.不同空气和燃料旋流强for lean premixed gas turbines [J]. Proceedings of度下合成气稀释扩散火焰特性研究[J]中国电机工Combustion Institute, 2005, 30(2): 2867-2874程学报,2009,29(3)163-68[10]许世森张东亮,任永强.大规模煤气化技术[M].北ZHANG Yongsheng, MU Kejin, ZHANG Zhedian,京:化学工业出版社,2006:139-14lal. 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