合成气旋流非预混燃烧火焰的激光可视化实验研究及分析

摘要

由于我国能源资源的限制，以煤为主的结构在相当长一段时间不会改变，由此决定了燃煤发电在我国火力发电工业中仍占绝对主导地位。整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC)是目前世界上公认的未来能源清洁高效利用的重要发展方向。在IGCC系统中，燃气轮机使用的燃料由传统天然气转变为煤气化产生的合成气。合成气中普遍含有H2、 CO及少量碳氢化合物等多种可燃成分，其热值普遍较低，且各组分之间的配比变化范围很大，同时需要采取稀释燃烧等方式来降低NOx排放，因此对合成气燃气轮机燃烧室的高效、清洁、稳定燃烧提出了挑战。对合成气燃烧特性的理解和认识，则是解决合成气燃气轮机燃烧室设计时所面临难点的根本。
　　 为掌握合成气旋流非预混燃烧的变化规律，本文建立了合成气非预混燃烧机理激光可视化实验台，在试验台上，利用PIV测量系统对火焰内部的流动结构进行了实验测量，利用OH-PLIF测量系统对合火焰OH自由基分布进行了实验分析，利用高温热电偶对火焰内部的温度分布进行了测量。利用该合成气旋流非预混燃烧激光可视化实验台，本文主要进行了三个方面的实验研究工作。
　　 首先研究了合成气本身燃料性质的变化对火焰燃烧特性的影响。实验中分别考察了合成气CO/H2变化和燃空速度比变化对合成气火焰的影响规律。通过实验分析结果可知:
　　 1) CO/H2对火焰流动结构与火焰锋面分布影响较大，对火焰温度分布影响不大，随着CO/H2由小到大增大:
　　 (1)燃料涡与喷嘴表面距离先增大后缓慢降低，与喷嘴轴线距离也是先增大后减小，流场轴向平均速度最大峰值不断增加，轴侧峰值大小基本不变;
　　 (2)火焰的轴向长度先增加后减小，火焰径向宽度的变化趋势为先减小后增大再减小，火焰锋面的张角先减小后增大;
　　 (3)火焰锋面由与喷嘴轴线平行逐渐向喷嘴轴侧方向外摆，最终转变为V字形火焰，局部熄火的机率增大，燃烧稳定性变差;
　　 (4)合成气燃烧火焰高温区的形状基本不变，但最高温度不断增加。
　　 2)燃空速度比会影响合成气旋流火焰的流动结构及火焰锋面分布，随燃空速度比由小到大不断增加:
　　 (1)火焰形状发生变化，燃料射流高度不断增大，燃料漩涡位置不断向轴线外侧与下游移动，空气漩涡则不断减小;
　　 (2)回流区燃料涡与喷嘴表面间的距离先减小后增大，燃料涡与喷嘴轴线间的距离先略有减小后迅速增大;
　　 (3)轴向速度和径向速度最大值不断增加，速度峰值位置变化不大;逆流区内边界不断增加，逆流区外边界最大值略有降低;火焰锋面由与喷嘴轴线平行逐渐向喷嘴轴侧方向外摆，最终转变为V字形火焰;火焰根部的OH浓度有所减弱，火焰的稳定性逐渐变差;
　　 (4)合成气火焰锋面的张角逐渐增大，整个变化曲线基本呈线性分布;
　　 (5)火焰反应区的轴向长度为先减小后增大，当燃空速度比等于5.0附近处，火焰反应区的轴向长度最小;火焰反应区的径向宽度随燃空速度比的增加不断增加，其变化曲线接近线性分布。
　　 其次，本文考察了合成气稀释燃烧的火焰燃烧特性。实验中，利用N2作为稀释剂，通过PIV和PLIF实验结果可知:
　　 (1) N2稀释燃烧的火焰内部速度分布基本相似，但在燃料中N2浓度增加后，燃料射流高度增加，射流轴向速度不断增加，同时最大回流速度略有增加，回流区宽度基本保持不变;
　　 (2)合成气火焰中回流区内的速度脉动随N2稀释量的增大而减小，而在切应力层附近的速度脉动有所增加;
　　 (3)N2稀释量的增加会降低回流区内的湍动能，减小放热率，有可能导致火焰温度降低;
　　 (4)合成气中N2含量的增加会导致局部熄火与再点火，燃烧稳定性变差;
　　 (5)N2稀释量的增加会导致喷嘴出口附近火焰张角变小，同时火焰变得更加细长，喷嘴出口出现推举现象，反应区尺寸减小。
　　 最后，本文实验研究了燃料由天然气转换为合成气后对火焰流场带来的影响。实验中，利用PIV和PLIF实验考察了同工况下的合成气和CH4旋流非预混燃烧火焰，得到以下结论:
　　 (1)与CH4燃烧流场相比，合成气燃烧流场燃料涡与喷嘴表面距离较小，合成气燃烧流场逆流区内边界宽度较大，两者间的差异随CO/H2增加而增加;
　　 (2)相比与CH4燃烧流场，合成气火焰高温区较小，最高温度较大;
　　 (3)CH4火焰张角约为合成气火焰张角的4-5倍左右，CH4火焰反应区宽度约为合成气火焰的5-6倍左右;
　　 (4)N2稀释对合成气火焰锋面的影响小于CH4，N2稀释后的合成气火焰仍能被稳定在喷嘴出口，而稀释后的CH4火焰则会出现火焰升举现象。