合成氣旋流非預混燃燒火焰的激光可視化實驗研究及分析.pdf

1、由于我國能源資源的限制，以煤為主的結構在相當長一段時間不會改變，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，燃氣輪機使用的燃料由傳統(tǒng)天然氣轉變?yōu)槊簹饣a生的合成氣。合成氣中普遍含有H2、 CO及少量碳氫化合物等多種可燃成分，其熱值普遍較低，且各組分

2、之間的配比變化范圍很大，同時需要采取稀釋燃燒等方式來降低NOx排放，因此對合成氣燃氣輪機燃燒室的高效、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識，則是解決合成氣燃氣輪機燃燒室設計時所面臨難點的根本。
　　 為掌握合成氣旋流非預混燃燒的變化規(guī)律，本文建立了合成氣非預混燃燒機理激光可視化實驗臺，在試驗臺上，利用PIV測量系統(tǒng)對火焰內部的流動結構進行了實驗測量，利用OH-PLIF測量系統(tǒng)對合火焰OH自由基分布進行了實驗分析

3、，利用高溫熱電偶對火焰內部的溫度分布進行了測量。利用該合成氣旋流非預混燃燒激光可視化實驗臺，本文主要進行了三個方面的實驗研究工作。
　　 首先研究了合成氣本身燃料性質的變化對火焰燃燒特性的影響。實驗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。通過實驗分析結果可知:
　　 1) CO/H2對火焰流動結構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，火焰徑向寬度的變化趨勢為先減小后增大再減小，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方向外擺，最終轉變?yōu)閂字形火焰，局部熄火的機率增大，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構及火焰鋒面分布，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方向外擺，最終轉變?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)火焰反應區(qū)的軸向長度為先減小后增大，當燃空速度比等于5.0附近處，火焰反應區(qū)的軸向長度最小;火焰反應區(qū)的徑向寬度隨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。實驗中，利用N2作為稀釋劑，通過PIV和PLIF實驗結果可知:
　　 (1) N2稀釋燃燒的火焰內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)內的速度脈動隨N2稀釋量的增大而減小，而在切應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)內的湍動能，減小放熱率，有可能導致火焰溫度降低;
　　 (4)合成氣中N2含量的增加會導致局部熄火與再點火，燃燒穩(wěn)定性變差;
　　 (5)N2稀釋量的增加會導致噴嘴出口附近火焰張角變小，同時火焰變得更加細長，噴嘴出口出現(xiàn)推舉現(xiàn)象，反應區(qū)尺寸減小。
　　 最后，本文實驗研究了燃料由天然氣轉換為合成氣后對火焰流場帶來的影響。實驗中，利用PIV和PLIF實驗考察了同工況下的合成氣和CH4旋流非預混燃燒

9、火焰，得到以下結論:
　　 (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，