贫燃预混旋流火焰的非稳态燃烧行为研究

摘要

近年来随着绿色环保概念的加强，低污染燃烧技术已成为人们研究的重点，其中贫燃料预混燃烧技术由于可以兼顾CO和NOx的排放，受到了较大的关注和发展，但是由于其背离正常化学当量比的燃烧条件，极容易产生火焰吹熄和振荡燃烧等燃烧不稳定现象，影响燃烧室的正常工作，导致污染物排放增加，甚至导致燃烧室部件损坏，严重制约了预混燃烧技术的发展。
　　本文以贫燃预混燃烧过程为研究对象，对其中的燃烧不稳定行为和污染物排放特性进行了实验研究。论文主要研究工作和结论如下:
　　(1)设计并建立了可视化贫燃预混燃烧实验平台，通过高速摄影捕捉火焰形态;高频压力传感器、高温温度传感器和数据采集单元获得贫燃预混燃烧过程中的压力、温度等参数变化情况，该实验平台是开展实验研究工作的基础;
　　(2)在实验平台上，研究了不同当量比对火焰结构形态的影响。研究发现，随当量比由0.4增加到0.8，火焰由轴向脉动逐渐过渡到稳定状态。随着燃烧强度的增加，燃烧室噪音强度增加，由起初的62dB增加到96dB;
　　(3)突扩结构与旋流结构的存在能够在燃烧室内形成中心回流区与角回流区，实验中发现当量比大于0.8时容易诱发回火。中心区域回火将会使火焰向上游蔓延并稳定在预混管内，通过设置中心钝体有效地抑制了中心回流区回火;
　　(4)测量了不同条件下的贫燃熄火极限，研究发现随着进气速度由2.8m/s增加到8.6m/s时，燃烧室可稳定燃烧燃范围向前推移，贫燃熄火极限当量比由0.5降低到0.37，可稳定燃烧的最大当量比由0.91降低到0.7;
　　(5)研究了当量比对燃烧脉动行为的影响，研究发现振荡燃烧的频率随当量比增加而增加，而有效压力振幅却随当量比增加而下降。当量比降低至接近贫燃熄火极限时，由于燃烧的高速低频振荡，更加容易产生熄火现象。另外固定当量比，增加进气速度，振荡燃烧的频率也随之增加，但是平均压力幅值却随之减少。
　　(6)最后对不同燃烧条件下高温烟气组分进行测量和分析，得出以下结论:
　　①随当量比增加CO2排放增加而O2残余浓度减少，对烟气中O2含量进行分析表明，当量比在0.67时燃烧效率效率最高，增加旋流数一定程度上能够增加燃烧效率。另外NOx的生成量也越来越高，由最初的5ppm激增到147ppm，可见贫燃预混燃烧条件能大大降低NOx的排放;
　　②固定当量比、增加进气速度的情况下，由于无形中降低了燃气在高温区的停留时间导致NOx的生成减少且开始大量生成NOx时的当量比也随之增加;
　　③改变旋流强度，旋流数由0.8增加到1.0时，NOx的生成明显减少;