合成气微混合燃烧流动特性分析

摘要

严峻的环境问题与我国以煤为主要能源的资源结构决定了我国发展清洁燃烧技术的重要性。在目前众多的清洁燃烧技术中，IGCC是非常有前景的技术手段。作为整个系统的重要组成部分，燃气轮机技术的开发与研究非常关键。由于合成气的低热值、高热平衡温度的特性，在利用传统燃气轮机改烧合成气时存在着污染物NOx排量较高的问题;同时，合成气中的成分H2极易着火燃烧，实际工程中还要防止发生回火现象。因此，需要针对合成气燃料的特性对传统燃气轮机进行适度的改造。
　　本文我们采用自主设计的25喷嘴微混合燃烧器进行实验研究，用以探索其燃烧合成气时的燃烧特性。该燃烧器的燃烧室底板面上装有25个单元喷嘴，以5排5列的方阵形式分布。其中，每个单元喷嘴由中间的一个竖直燃料喷口和周围的八个以一定角度倾斜分布的空气小喷口组成，形成一个独立旋流燃烧的微混合燃烧单元。各独立的燃烧单元起到了分散火焰面的效果，降低了局部热负荷和燃烧温度，有利于降低NOx的排放，且起到保护喷嘴不被烧毁的作用。同时，该燃烧器可以投入不同数量的喷嘴进行工作:9喷嘴、13喷嘴和25喷嘴，燃料喷口直径也可选择2.0mm、2.3mm和2.8mm。该燃烧器的设计拟通过投用不同数量和燃料喷口直径的喷嘴来调节各工作喷嘴间的间距以及燃料喷口与空气喷口之间的相对间距，以此来实现扩散燃烧和预混燃烧的研究。
　　为了了解验证该燃烧器的性能，我们开展了一些热态实验。实验结果表明不同实验条件下，微混合燃烧器可以有效地组织燃烧。火苗成锥形，火焰根部较细，可燃混合物在向下游运动的过程中，由于燃料自身逐渐扩散且各喷嘴单元间流体的相互作用，整体上逐渐扩散交融，火焰面也逐渐变宽，形成主燃烧区。同时，不难发现微混合燃烧的方法可以有效地降低污染物的排放，NOx与CO的排量均较低。
　　通过实验测量与数值模拟结果分析可知，氦气等动量代替氢气时与氢气的速度分布规律最为接近。燃烧室内流体从喷口射出后，在气流整体向下游运动的过程中，各独立的射流区域逐渐扩大，随后相互融合，整个流场主要可以分为3个区域:燃烧室主射流区、相邻单元喷嘴间的低速小回流区以及单元喷嘴与壁面之间的较大回流区。燃烧室中这些回流区的存在可以加快燃料与空气的均匀混合，有助于燃烧的进行。同时，流体离开喷嘴的很小距离内速度先下降再上升，之后快速下落并逐渐趋于稳定。燃烧室中心截面的速度分布可以很好的对应燃烧器的结构喷嘴布置情况，整体上表现为5个速度峰值且中间喷嘴的速度要稍微高些，靠近燃烧器壁面的速度较低甚至出现负值。之后，我们计算了微混合燃烧器单喷嘴和中心截面的脉动速度分布，可以看到脉动速度整体较小，说明该燃烧器在稳定性方面的设计性能较好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 合成气燃烧的技术难题

1．3 微混合燃烧国内外研究现状

1．3．1 低污染燃烧技术研究的发展历程

1．3．2 合成气微混合燃烧低污染技术的研究

1．4 本文的研究内容

第2章 合成气微混合燃烧实验装置

2．1 燃烧原理

2．1．1 燃烧的着火理论

2．1．2 燃烧的火焰传播

2．1．3 燃烧的火焰稳定性

2．1．4 预混燃烧与扩散燃烧

2．2 实验测试平台介绍

2．2．1 微混合燃烧器实验台设计原理

2．2．2 实验外围供气和测量系统设备

2．3 本章小结

第3章 合成气微混合燃烧器燃烧特点

3．1 合成气的生产

3．2 合成气燃料特征

3．3 合成气燃烧机理

3．3．1 CO燃烧机理

3．3．2 H2燃烧机理

3．4 合成气微混合燃烧器的燃烧特征

3．4．1 火焰的形态

3．4．2 燃烧的温度

3．4．3 燃烧污染物的排量

3．5 本章小结

第4章 微混合燃烧器流动特性研究

4．1 微混合燃烧器流场分布特性研究

4．1．1 空气等流速替代条件下的流场分布

4．1．2 空气等动量替代条件下的流场分布

4．1．3 氦气等流速替代条件下的流场分布

4．1．4 氦气等动量替代条件下的流场分布

4．1．5 小结

4．2 微混合燃烧器速度分布特性

4．2．1 微混合燃烧器单喷嘴速度分布

4．2．2 微混合燃烧器中心截面速度分布

4．3 微混合燃烧器脉动速度分布特性

4．3．1 微混合燃烧器单喷嘴脉动速度分布

4．3．2 微混合燃烧器中心截面脉动速度分布

4．4 本章小结

第5章 合成气组分对微混合燃烧流动特性的影响

5．1 合成气组分对微混合燃烧流场分布的影响

5．2 合成组分对微混合燃烧速度分布的影响

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 本文创新点

6．3 工作不足与今后展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢