中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究

第25卷第2期实验流体力学VoL. 25, No. 22011年01月Journal of Experiments in Fluid MechanicsApr.. 2011文章编号:16729897(2011)02-0041-04中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究郭培卿,臧述升,葛冰(上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200240)摘要:针对CH4和中热值合成气的旋流燃烧室进行了PIⅤV測量,获得了不同燃料燃烧对火焰流场变化的影响。实验结果表明:在相同入口条件下,合成气燃烧时的火焰张角略大,回流区宽度和回流强度均高于CH4火焰燃气流量较低时,合成气火焰的湍流强度更大燃气流量增大后,CH4的燃烧脉动速度逐渐增大井超过合成气。关键词:合成气;PIV;回流区;扩散燃烧中图分类号:TK1文献标识码:AExperimental study of flow field in mid-calorific syngas diffusion flameGUO Pei-qing, ZANG Shu-sheng, GE Bing(Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: PIV measurements were conducted in a swirling stabilized flame with CH, and mid-calorific syngas as fuel respectively. Effects of different fuels on velocity distribution were stud-ed. With the existence of H2, syngas flame exhibits slightly more opening angle at fuel exit, wi-der recirculation zone, and stronger recirculation intensity when compared to CHa flame. Theturbulence intensity of syngas flame is lager at relatively low fuel rate, while velocity fluctuationof CH, flame is higher at high fuel rate.Key words: syngas; PIV; recirculation zone; diffusion flame0引言合成气中主要可燃成分为H2和CO,也可能包含少量N2、CO2、CH4及其他髙阶碳氢燃料,详细成煤炭利用在我国能源中所占的比例最高,燃煤引分依赖于生产合成气所采用的燃料和处理技术。起的环境污染问题日趋严重。洁净煤技术( Clean般情况下,未经稀释的合成气热值仅为天然气的1/3Coal Technology,CCT)是发展较早、技术较为成熟左右,属于中热值范围。对于天然气等高热值气体燃的能源清洁化工艺,在诸多洁净煤发电技术中,整料,可采用预混燃烧方式有效降低燃烧温度,从而控体煤气化联合循环( Integrated Gasification Con-制NO,排放量,然而对于含有H2的中低热值合成bined Cycle,lGCC)是目前世界公认的最有发展前气而言,由于火焰传播速度较快,如果采用预混燃烧途的先进动力系统),是未来能源清洁高效利用的重则会面临严重的回火危险,因此多优先采用扩散燃烧要发展方向,并且将成为我国近10年内必然兴起的的方式,利用旋流有效组织流场稳定火焰并通过新型煤炭发电技术。IGCC技术通过气化炉在高温、在燃料或氧化剂中添加N2等稀释剂来降低NO4排高压还原性气氛下将煤转化为中低热值合成气,经过放除尘、净化、脱硫处理后送入燃气轮机燃烧室,燃气轮对于天然气燃烧,尽管已有较为通用的详细反应机的排气则经余热锅炉产生蒸汽进入蒸汽轮机发电,机理来描述CH4的化学反应,但由于湍流火焰的复从而形成整体煤气化联合循环发电。由于合成气取杂性,天然气旋流燃烧方面仍做了大量的实验研究工代了传统燃气轮机普遍使用的天然气或液体燃料,因作。而由于合成气的性质不同于天然气,其主要成分此中低热值合成气在燃气轮机中的安全、高效和低污CO中国煤化工完全被掌握,因染燃烧是IGCC系统中的重要问题3。此开用CNMH就显得非常必要。收稿日期:2010-04-14;修订日期:201009-06基金项目:国家重点基础研究发展计划(2007CB210102)(2011)第25卷国外在低热值燃料的研究和应用方面开展较早,从出口速度相同,有利于开展相同进口条件下不同燃料20世纪90年代开始,美国和澳大利亚就已开始对低对燃烧流场影响的研究。选取其中3对工况进行分热值气体燃料的应用展开研究工作,日本在超低热值析,各工况如表1所示气体燃料利用技术的研究方面也获得了很大的进表I实验工况展。。近年来,国内学者针对合成气旋流火焰开展了Table 1 Experiment condition系列实验研究10,主要集中在对合成气燃烧的温工况燃气流量(kg/s)空气流量(kg/s)A-10,0001670.05334度、压力、排放特性的测量,对速度信息的获得则依赖0,0002500.05334于数值模拟。笔者利用粒子图像测速仪(PIv),对CHe0,0005000.0533燃用CH4以及合成气的旋流燃烧热态流场分别进行合成气0.0001910.05334B2合成气0.0002860.05334了直接测量,研究了CH改烧合成气后流场内部速合成气0.0005720.05334度分布、回流区特性的变化规律。实验中使用的PIV系统主要由激光光源、图像1实验装置及测量系统拍摄、数据采集分析以及同步系统组成,如图1所示。使用的模型为轴对称突扩旋流燃烧室,四面安装双脉冲Nd:YAG激光器工作频率为10Hz,输出波长有石英玻璃窗口以便于光学测量。燃烧室结构如图为532m,光束经过光学部件后转化成厚约1mm,1所示。直叶片平面旋流器安装在燃烧室头部轴线并有20张角的片光源。采用400×2672像素的上,旋流器的叶片安装角为54,旋流数为1.28,燃料CD相机进行拍摄,在镜头前安装有平均通过波长通过位于旋流器中心的喷嘴进入燃烧室,喷嘴直径为为532nm、通光带宽为6nm的滤光镜,以减少火焰自4mm。空气在旋流叶片的作用下,在燃烧室内形成发光对拍摄图像的影响。激光器的功率以及双曝光低速回流区,并成为稳定的点火源实验对该区域内时间通过同步系统设定和调节在实验中根据不同燃的速度场进行了PV测量气速度的工况调整拍摄时的双曝光时间,以适应流场变化。实验中使用直径为约1pm的MgO粉末作为液光器相间步器示踪粒子,拍摄区域为以喷嘴出口中心位置为原点的130mm×90mm的矩形区域。每种工况均连续拍摄300对有效照片,通过计算分析得出瞬态流场,并在此基础上进行统计平均,获得各工况下的平均速度场、速度脉动量等信息2实验结果和分析量计片光源一滤光镜图2给出的是工况A-2和B2下经过PIV图像分析处理和统计平均后得到的轴向速度等值线图和空气入速度矢量,图像左边界距离旋流器及中心燃气喷嘴出口5mm,旋流器及喷嘴的实际位置如图中所示,空气燃烧室结构示意图和燃料从左至右以y=0mm为轴向中心线进入燃烧图1合成气/CH4燃烧室PIV测量系统室进行燃烧。从图中可以看到两个工况下的流场分Fig. I PIV system and syngas/CH4 combustion chamber实验中使用了CH与合成气两种不同的燃料。布相似,都可以分为中心燃气射流、中心回流旋流空在使用合成气作为燃料时,H2、CO、N2分别经过各气突扩以及边角回流等4个区域。旋流空气突扩方自管道进入混合腔,在腔内进行充分混合后进入喷向与燃烧室轴线的夹角约为30°,与燃气射流形成反嘴,3种气体的流量通过流量计与控制阀分别控制锥形。尽管两种工况中燃气速度并未改变,但合成空气流量的调节通过风机变频仪实现。中国煤化工因在于合成气中H2中热值合成气中,H2:CO:N2的体积比为的HHCNMHG空气的混合与反应速0.373:0.478:0.149,热值为10MNm3。空气流率在旋流作用卜,甲心区域冶轴线方向出现逆压梯量保持为0.05334kg/s不变,雷诺数约为40000,改度而形成中心回流区(图中的深色区域),高温燃烧产变CH1及合成气的流量,以保证对应工况下的燃气物在回流过程中不断与由旋流器进人的新鲜空气混第2期郭培卿等:中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究合,为燃料的燃烧提供了稳定的点火源,两种工况下径向速度更大,但这一区别主要体现在远离中心轴线的回流区顶部宽度沿轴线方向均逐渐增大。此外,由附近区域。于回流区边界基本可以认为是射流扩散火焰的火焰面所在位置,可见在相同流量工况下,CH4燃烧时的火焰更大。由于在实际燃气轮机中改烧合成气后的燃料流量会明显增加以保证相同的做功能力,因此仍30mm然需要通过改变喷嘴类型、燃烧室结构等方式来控制火焰的大小。20406080u(ms2)-20-1.0001.0203040506070wmmCH(工况A-2)合成气(工况B图4轴向截面上平均速度分布Fig.4 Mean velocity distribution at two axial cross sections图2轴向速度等值线及速度矢量Fig 2 Axial velocity contours and vectors图5为对应位置截面处的轴向和径向均方根速图3给出了A2、B2工况下的轴向速度脉动量度脉动量的分布图,各截面中均显示出两个轴向速度均方根等值线与流线图,中心喷嘴位置附近的轴向速的脉动峰值,分别对应于速度梯度很高的中心燃气射度脉动很大,说明靠近喷嘴区域内的轴向速度随时间流以及空气/已燃气体剪切应力层所在的回流区边界变化非常剧烈。同时,靠近燃气入口处的回流区边界这两个区域内的平均轴向速度梯度也是最高的,显示的湍流强度与回流强度很高,该区域即为火焰根部的了在这些区域内存在较高的湍流扩散和能量耗散。从位置。图中可以看到,合成气燃烧的轴向速度脉动更大,径向/mm速度脉动更小,但随着当量比的增加,与CH4在中心轴线处的脉动量逐渐接近,而在空气入口边界处则是CH的轴向速度脉动更大一些。径向速度脉动分布类似于轴向变化规律,相比之下更为平坦一些且脉动的峰值出现的位置略有不同。此外,高当量比下的CH燃烧速度的脉动几乎在所有位置均要高于合成气。图6显示了不同轴向位置上的湍动能沿径向分Ma(ms)0010203040CH4C工况A-2)合成气(工况B-2布曲线,由图可知,中心回流区内各轴向位置的湍动图3轴向速度均方根等值线及流线能很小,湍流特性较弱,并且当地的平均速度较低,在Fig 3 Axial RMS velocity contours and streamlines高温燃气的回流作用下成为燃烧室内稳定的点火源。图4比较了x=30mm及x=70mm轴向位置截在旋流空气与回流区的边界上的湍动能迅速增大,说面处的轴向和径向平均速度。所有工况下的速度分明该区域内的平均速度梯度较大,燃气与空气能够得布形式相似,从轴线位置的射流最高速度迅速减小,到较好的混合,并且随着轴向距离的增加,该位置逐同时径向速度逐渐增大。从图中可以看到由两种燃渐远离中心轴线,这是由于旋流空气出口具有一定的料的不同引起的流场分布的差别:与CH4工况相比,张角所引起的。随着燃气速度的增加,更高的湍动能合成气燃烧时的回流区径向更宽,而且最高回流速度意更大,也就意味着更大的回流强度,中心射流速度更了H中国煤化工相互作用,同时强化CNMHG湍流火焰的稳定燃大,顺流速度则略低,说明空气在燃烧室内的滞留时烧卜(工况A-1、B1),合成气燃烧时的间更长,有利于促进合成气与空气的混合,从而达到湍动能略高于CH4,但在高燃气流量工况(工况A-3、充分燃烧和提高燃烧效率的目的。合成气燃烧时的B3)下,CH,火焰的回流边界处的湍动能更大,反映(2011)第25卷出在此工况下尚未完全消耗掉的CH4随着回流区逆利于加强合成气与空气的混合;向流动,并与旋流空气继续反应,从而引起了回流区(3)燃气流量较低时合成气火焰的湍流扩散和边界上的湍动能的增加。能量耗散率要高于CH1,随着燃气流量的提高,CH燃烧速度脉动要高于合成气。参考文献:romm1]倪维斗,张斌,李政。多联产能源系统与二氧化碳减排J].中国能源,2005,27(4):17-20.2]焦树建.日本的IGCC示范工程与研发工作—兼论我国GCC的发展途径.燃气轮机技术,2006,19(1):1520[3]徐纲,俞镔,雷宇,等。合成气燃气轮机燃烧室的试验研究[].中国电机工程学报,2006,26(17):100-105romm[1 LOUIS J, JURGEN J, JIM B W, et al. 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