合成氣旋流非預(yù)混燃燒火焰的激光可視化實(shí)驗(yàn)研究及分析.pdf

1、由于我國能源資源的限制，以煤為主的結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長一段時(shí)間不會改變，由此決定了燃煤發(fā)電在我國火力發(fā)電工業(yè)中仍占絕對主導(dǎo)地位。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)是目前世界上公認(rèn)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)浠衔锏榷喾N可燃成分，其熱值普遍較低，且各組分

2、之間的配比變化范圍很大，同時(shí)需要采取稀釋燃燒等方式來降低NOx排放，因此對合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的高效、清潔、穩(wěn)定燃燒提出了挑戰(zhàn)。對合成氣燃燒特性的理解和認(rèn)識，則是解決合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)時(shí)所面臨難點(diǎn)的根本。
　　 為掌握合成氣旋流非預(yù)混燃燒的變化規(guī)律，本文建立了合成氣非預(yù)混燃燒機(jī)理激光可視化實(shí)驗(yàn)臺，在試驗(yàn)臺上，利用PIV測量系統(tǒng)對火焰內(nèi)部的流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，利用OH-PLIF測量系統(tǒng)對合火焰OH自由基分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析

3、，利用高溫?zé)犭娕紝鹧鎯?nèi)部的溫度分布進(jìn)行了測量。利用該合成氣旋流非預(yù)混燃燒激光可視化實(shí)驗(yàn)臺，本文主要進(jìn)行了三個方面的實(shí)驗(yàn)研究工作。
　　 首先研究了合成氣本身燃料性質(zhì)的變化對火焰燃燒特性的影響。實(shí)驗(yàn)中分別考察了合成氣CO/H2變化和燃空速度比變化對合成氣火焰的影響規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知:
　　 1) CO/H2對火焰流動結(jié)構(gòu)與火焰鋒面分布影響較大，對火焰溫度分布影響不大，隨著CO/H2由小到大增大:
　　 (

4、1)燃料渦與噴嘴表面距離先增大后緩慢降低，與噴嘴軸線距離也是先增大后減小，流場軸向平均速度最大峰值不斷增加，軸側(cè)峰值大小基本不變;
　　 (2)火焰的軸向長度先增加后減小，火焰徑向?qū)挾鹊淖兓厔轂橄葴p小后增大再減小，火焰鋒面的張角先減小后增大;
　　 (3)火焰鋒面由與噴嘴軸線平行逐漸向噴嘴軸側(cè)方向外擺，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閂字形火焰，局部熄火的機(jī)率增大，燃燒穩(wěn)定性變差;
　　 (4)合成氣燃燒火焰高溫區(qū)的形狀基本不變，但

5、最高溫度不斷增加。
　　 2)燃空速度比會影響合成氣旋流火焰的流動結(jié)構(gòu)及火焰鋒面分布，隨燃空速度比由小到大不斷增加:
　　 (1)火焰形狀發(fā)生變化，燃料射流高度不斷增大，燃料漩渦位置不斷向軸線外側(cè)與下游移動，空氣漩渦則不斷減小;
　　 (2)回流區(qū)燃料渦與噴嘴表面間的距離先減小后增大，燃料渦與噴嘴軸線間的距離先略有減小后迅速增大;
　　 (3)軸向速度和徑向速度最大值不斷增加，速度峰值位置變化不大;逆流區(qū)

6、內(nèi)邊界不斷增加，逆流區(qū)外邊界最大值略有降低;火焰鋒面由與噴嘴軸線平行逐漸向噴嘴軸側(cè)方向外擺，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閂字形火焰;火焰根部的OH濃度有所減弱，火焰的穩(wěn)定性逐漸變差;
　　 (4)合成氣火焰鋒面的張角逐漸增大，整個變化曲線基本呈線性分布;
　　 (5)火焰反應(yīng)區(qū)的軸向長度為先減小后增大，當(dāng)燃空速度比等于5.0附近處，火焰反應(yīng)區(qū)的軸向長度最小;火焰反應(yīng)區(qū)的徑向?qū)挾入S燃空速度比的增加不斷增加，其變化曲線接近線性分布。
　

7、　 其次，本文考察了合成氣稀釋燃燒的火焰燃燒特性。實(shí)驗(yàn)中，利用N2作為稀釋劑，通過PIV和PLIF實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:
　　 (1) N2稀釋燃燒的火焰內(nèi)部速度分布基本相似，但在燃料中N2濃度增加后，燃料射流高度增加，射流軸向速度不斷增加，同時(shí)最大回流速度略有增加，回流區(qū)寬度基本保持不變;
　　 (2)合成氣火焰中回流區(qū)內(nèi)的速度脈動隨N2稀釋量的增大而減小，而在切應(yīng)力層附近的速度脈動有所增加;
　　 (3)N2稀釋量

8、的增加會降低回流區(qū)內(nèi)的湍動能，減小放熱率，有可能導(dǎo)致火焰溫度降低;
　　 (4)合成氣中N2含量的增加會導(dǎo)致局部熄火與再點(diǎn)火，燃燒穩(wěn)定性變差;
　　 (5)N2稀釋量的增加會導(dǎo)致噴嘴出口附近火焰張角變小，同時(shí)火焰變得更加細(xì)長，噴嘴出口出現(xiàn)推舉現(xiàn)象，反應(yīng)區(qū)尺寸減小。
　　 最后，本文實(shí)驗(yàn)研究了燃料由天然氣轉(zhuǎn)換為合成氣后對火焰流場帶來的影響。實(shí)驗(yàn)中，利用PIV和PLIF實(shí)驗(yàn)考察了同工況下的合成氣和CH4旋流非預(yù)混燃燒

9、火焰，得到以下結(jié)論:
　　 (1)與CH4燃燒流場相比，合成氣燃燒流場燃料渦與噴嘴表面距離較小，合成氣燃燒流場逆流區(qū)內(nèi)邊界寬度較大，兩者間的差異隨CO/H2增加而增加;
　　 (2)相比與CH4燃燒流場，合成氣火焰高溫區(qū)較小，最高溫度較大;
　　 (3)CH4火焰張角約為合成氣火焰張角的4-5倍左右，CH4火焰反應(yīng)區(qū)寬度約為合成氣火焰的5-6倍左右;
　　 (4)N2稀釋對合成氣火焰鋒面的影響小于CH4，