第25卷第2期實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)VoL. 25, No. 22011年01月Journal of Experiments in Fluid MechanicsApr.. 2011文章編號(hào):16729897(2011)02-0041-04中熱值合成氣擴(kuò)散燃燒速度特性的實(shí)驗(yàn)研究郭培卿,臧述升,葛冰(上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)摘要:針對(duì)CH4和中熱值合成氣的旋流燃燒室進(jìn)行了PIⅤV測(cè)量,獲得了不同燃料燃燒對(duì)火焰流場(chǎng)變化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在相同入口條件下,合成氣燃燒時(shí)的火焰張角略大,回流區(qū)寬度和回流強(qiáng)度均高于CH4火焰燃?xì)饬髁枯^低時(shí),合成氣火焰的湍流強(qiáng)度更大燃?xì)饬髁吭龃蠛?CH4的燃燒脈動(dòng)速度逐漸增大井超過(guò)合成氣。關(guān)鍵詞:合成氣;PIV;回流區(qū);擴(kuò)散燃燒中圖分類號(hào):TK1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AExperimental study of flow field in mid-calorific syngas diffusion flameGUO Pei-qing, ZANG Shu-sheng, GE Bing(Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: PIV measurements were conducted in a swirling stabilized flame with CH, and mid-calorific syngas as fuel respectively. Effects of different fuels on velocity distribution were stud-ed. With the existence of H2, syngas flame exhibits slightly more opening angle at fuel exit, wi-der recirculation zone, and stronger recirculation intensity when compared to CHa flame. Theturbulence intensity of syngas flame is lager at relatively low fuel rate, while velocity fluctuationof CH, flame is higher at high fuel rate.Key words: syngas; PIV; recirculation zone; diffusion flame0引言合成氣中主要可燃成分為H2和CO,也可能包含少量N2、CO2、CH4及其他髙階碳?xì)淙剂?詳細(xì)成煤炭利用在我國(guó)能源中所占的比例最高,燃煤引分依賴于生產(chǎn)合成氣所采用的燃料和處理技術(shù)。起的環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。潔凈煤技術(shù)( Clean般情況下,未經(jīng)稀釋的合成氣熱值僅為天然氣的1/3Coal Technology,CCT)是發(fā)展較早、技術(shù)較為成熟左右,屬于中熱值范圍。對(duì)于天然氣等高熱值氣體燃的能源清潔化工藝,在諸多潔凈煤發(fā)電技術(shù)中,整料,可采用預(yù)混燃燒方式有效降低燃燒溫度,從而控體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( Integrated Gasification Con-制NO,排放量,然而對(duì)于含有H2的中低熱值合成bined Cycle,lGCC)是目前世界公認(rèn)的最有發(fā)展前氣而言,由于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快,如果采用預(yù)混燃燒途的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)),是未來(lái)能源清潔高效利用的重則會(huì)面臨嚴(yán)重的回火危險(xiǎn),因此多優(yōu)先采用擴(kuò)散燃燒要發(fā)展方向,并且將成為我國(guó)近10年內(nèi)必然興起的的方式,利用旋流有效組織流場(chǎng)穩(wěn)定火焰并通過(guò)新型煤炭發(fā)電技術(shù)。IGCC技術(shù)通過(guò)氣化爐在高溫、在燃料或氧化劑中添加N2等稀釋劑來(lái)降低NO4排高壓還原性氣氛下將煤轉(zhuǎn)化為中低熱值合成氣,經(jīng)過(guò)放除塵、凈化、脫硫處理后送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室,燃?xì)廨唽?duì)于天然氣燃燒,盡管已有較為通用的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)的排氣則經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)發(fā)電,機(jī)理來(lái)描述CH4的化學(xué)反應(yīng),但由于湍流火焰的復(fù)從而形成整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。由于合成氣取雜性,天然氣旋流燃燒方面仍做了大量的實(shí)驗(yàn)研究工代了傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)普遍使用的天然氣或液體燃料,因作。而由于合成氣的性質(zhì)不同于天然氣,其主要成分此中低熱值合成氣在燃?xì)廨啓C(jī)中的安全、高效和低污CO中國(guó)煤化工完全被掌握,因染燃燒是IGCC系統(tǒng)中的重要問(wèn)題3。此開(kāi)用CNMH就顯得非常必要。收稿日期:2010-04-14;修訂日期:201009-06基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2007CB210102)(2011)第25卷國(guó)外在低熱值燃料的研究和應(yīng)用方面開(kāi)展較早,從出口速度相同,有利于開(kāi)展相同進(jìn)口條件下不同燃料20世紀(jì)90年代開(kāi)始,美國(guó)和澳大利亞就已開(kāi)始對(duì)低對(duì)燃燒流場(chǎng)影響的研究。選取其中3對(duì)工況進(jìn)行分熱值氣體燃料的應(yīng)用展開(kāi)研究工作,日本在超低熱值析,各工況如表1所示氣體燃料利用技術(shù)的研究方面也獲得了很大的進(jìn)表I實(shí)驗(yàn)工況展。。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)合成氣旋流火焰開(kāi)展了Table 1 Experiment condition系列實(shí)驗(yàn)研究10,主要集中在對(duì)合成氣燃燒的溫工況燃?xì)饬髁?kg/s)空氣流量(kg/s)A-10,0001670.05334度、壓力、排放特性的測(cè)量,對(duì)速度信息的獲得則依賴0,0002500.05334于數(shù)值模擬。筆者利用粒子圖像測(cè)速儀(PIv),對(duì)CHe0,0005000.0533燃用CH4以及合成氣的旋流燃燒熱態(tài)流場(chǎng)分別進(jìn)行合成氣0.0001910.05334B2合成氣0.0002860.05334了直接測(cè)量,研究了CH改燒合成氣后流場(chǎng)內(nèi)部速合成氣0.0005720.05334度分布、回流區(qū)特性的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中使用的PIV系統(tǒng)主要由激光光源、圖像1實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)拍攝、數(shù)據(jù)采集分析以及同步系統(tǒng)組成,如圖1所示。使用的模型為軸對(duì)稱突擴(kuò)旋流燃燒室,四面安裝雙脈沖Nd:YAG激光器工作頻率為10Hz,輸出波長(zhǎng)有石英玻璃窗口以便于光學(xué)測(cè)量。燃燒室結(jié)構(gòu)如圖為532m,光束經(jīng)過(guò)光學(xué)部件后轉(zhuǎn)化成厚約1mm,1所示。直葉片平面旋流器安裝在燃燒室頭部軸線并有20張角的片光源。采用400×2672像素的上,旋流器的葉片安裝角為54,旋流數(shù)為1.28,燃料CD相機(jī)進(jìn)行拍攝,在鏡頭前安裝有平均通過(guò)波長(zhǎng)通過(guò)位于旋流器中心的噴嘴進(jìn)入燃燒室,噴嘴直徑為為532nm、通光帶寬為6nm的濾光鏡,以減少火焰自4mm。空氣在旋流葉片的作用下,在燃燒室內(nèi)形成發(fā)光對(duì)拍攝圖像的影響。激光器的功率以及雙曝光低速回流區(qū),并成為穩(wěn)定的點(diǎn)火源實(shí)驗(yàn)對(duì)該區(qū)域內(nèi)時(shí)間通過(guò)同步系統(tǒng)設(shè)定和調(diào)節(jié)在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)不同燃的速度場(chǎng)進(jìn)行了PV測(cè)量氣速度的工況調(diào)整拍攝時(shí)的雙曝光時(shí)間,以適應(yīng)流場(chǎng)變化。實(shí)驗(yàn)中使用直徑為約1pm的MgO粉末作為液光器相間步器示蹤粒子,拍攝區(qū)域?yàn)橐試娮斐隹谥行奈恢脼樵c(diǎn)的130mm×90mm的矩形區(qū)域。每種工況均連續(xù)拍攝300對(duì)有效照片,通過(guò)計(jì)算分析得出瞬態(tài)流場(chǎng),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均,獲得各工況下的平均速度場(chǎng)、速度脈動(dòng)量等信息2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析量計(jì)片光源一濾光鏡圖2給出的是工況A-2和B2下經(jīng)過(guò)PIV圖像分析處理和統(tǒng)計(jì)平均后得到的軸向速度等值線圖和空氣入速度矢量,圖像左邊界距離旋流器及中心燃?xì)鈬娮斐隹?mm,旋流器及噴嘴的實(shí)際位置如圖中所示,空氣燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖和燃料從左至右以y=0mm為軸向中心線進(jìn)入燃燒圖1合成氣/CH4燃燒室PIV測(cè)量系統(tǒng)室進(jìn)行燃燒。從圖中可以看到兩個(gè)工況下的流場(chǎng)分Fig. I PIV system and syngas/CH4 combustion chamber實(shí)驗(yàn)中使用了CH與合成氣兩種不同的燃料。布相似,都可以分為中心燃?xì)馍淞鳌⒅行幕亓餍骺赵谑褂煤铣蓺庾鳛槿剂蠒r(shí),H2、CO、N2分別經(jīng)過(guò)各氣突擴(kuò)以及邊角回流等4個(gè)區(qū)域。旋流空氣突擴(kuò)方自管道進(jìn)入混合腔,在腔內(nèi)進(jìn)行充分混合后進(jìn)入噴向與燃燒室軸線的夾角約為30°,與燃?xì)馍淞餍纬煞醋?3種氣體的流量通過(guò)流量計(jì)與控制閥分別控制錐形。盡管兩種工況中燃?xì)馑俣炔⑽锤淖?但合成空氣流量的調(diào)節(jié)通過(guò)風(fēng)機(jī)變頻儀實(shí)現(xiàn)。中國(guó)煤化工因在于合成氣中H2中熱值合成氣中,H2:CO:N2的體積比為的HHCNMHG空氣的混合與反應(yīng)速0.373:0.478:0.149,熱值為10MNm3?？諝饬髀试谛髯饔貌?甲心區(qū)域冶軸線方向出現(xiàn)逆壓梯量保持為0.05334kg/s不變,雷諾數(shù)約為40000,改度而形成中心回流區(qū)(圖中的深色區(qū)域),高溫燃燒產(chǎn)變CH1及合成氣的流量,以保證對(duì)應(yīng)工況下的燃?xì)馕镌诨亓鬟^(guò)程中不斷與由旋流器進(jìn)人的新鮮空氣混第2期郭培卿等:中熱值合成氣擴(kuò)散燃燒速度特性的實(shí)驗(yàn)研究合,為燃料的燃燒提供了穩(wěn)定的點(diǎn)火源,兩種工況下徑向速度更大,但這一區(qū)別主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)離中心軸線的回流區(qū)頂部寬度沿軸線方向均逐漸增大。此外,由附近區(qū)域。于回流區(qū)邊界基本可以認(rèn)為是射流擴(kuò)散火焰的火焰面所在位置,可見(jiàn)在相同流量工況下,CH4燃燒時(shí)的火焰更大。由于在實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)中改燒合成氣后的燃料流量會(huì)明顯增加以保證相同的做功能力,因此仍30mm然需要通過(guò)改變噴嘴類型、燃燒室結(jié)構(gòu)等方式來(lái)控制火焰的大小。20406080u(ms2)-20-1.0001.0203040506070wmmCH(工況A-2)合成氣(工況B圖4軸向截面上平均速度分布Fig.4 Mean velocity distribution at two axial cross sections圖2軸向速度等值線及速度矢量Fig 2 Axial velocity contours and vectors圖5為對(duì)應(yīng)位置截面處的軸向和徑向均方根速圖3給出了A2、B2工況下的軸向速度脈動(dòng)量度脈動(dòng)量的分布圖,各截面中均顯示出兩個(gè)軸向速度均方根等值線與流線圖,中心噴嘴位置附近的軸向速的脈動(dòng)峰值,分別對(duì)應(yīng)于速度梯度很高的中心燃?xì)馍涠让}動(dòng)很大,說(shuō)明靠近噴嘴區(qū)域內(nèi)的軸向速度隨時(shí)間流以及空氣/已燃?xì)怏w剪切應(yīng)力層所在的回流區(qū)邊界變化非常劇烈。同時(shí),靠近燃?xì)馊肟谔幍幕亓鲄^(qū)邊界這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的平均軸向速度梯度也是最高的,顯示的湍流強(qiáng)度與回流強(qiáng)度很高,該區(qū)域即為火焰根部的了在這些區(qū)域內(nèi)存在較高的湍流擴(kuò)散和能量耗散。從位置。圖中可以看到,合成氣燃燒的軸向速度脈動(dòng)更大,徑向/mm速度脈動(dòng)更小,但隨著當(dāng)量比的增加,與CH4在中心軸線處的脈動(dòng)量逐漸接近,而在空氣入口邊界處則是CH的軸向速度脈動(dòng)更大一些。徑向速度脈動(dòng)分布類似于軸向變化規(guī)律,相比之下更為平坦一些且脈動(dòng)的峰值出現(xiàn)的位置略有不同。此外,高當(dāng)量比下的CH燃燒速度的脈動(dòng)幾乎在所有位置均要高于合成氣。圖6顯示了不同軸向位置上的湍動(dòng)能沿徑向分Ma(ms)0010203040CH4C工況A-2)合成氣(工況B-2布曲線,由圖可知,中心回流區(qū)內(nèi)各軸向位置的湍動(dòng)圖3軸向速度均方根等值線及流線能很小,湍流特性較弱,并且當(dāng)?shù)氐钠骄俣容^低,在Fig 3 Axial RMS velocity contours and streamlines高溫燃?xì)獾幕亓髯饔孟鲁蔀槿紵覂?nèi)穩(wěn)定的點(diǎn)火源。圖4比較了x=30mm及x=70mm軸向位置截在旋流空氣與回流區(qū)的邊界上的湍動(dòng)能迅速增大,說(shuō)面處的軸向和徑向平均速度。所有工況下的速度分明該區(qū)域內(nèi)的平均速度梯度較大,燃?xì)馀c空氣能夠得布形式相似,從軸線位置的射流最高速度迅速減小,到較好的混合,并且隨著軸向距離的增加,該位置逐同時(shí)徑向速度逐漸增大。從圖中可以看到由兩種燃漸遠(yuǎn)離中心軸線,這是由于旋流空氣出口具有一定的料的不同引起的流場(chǎng)分布的差別:與CH4工況相比,張角所引起的。隨著燃?xì)馑俣鹊脑黾?更高的湍動(dòng)能合成氣燃燒時(shí)的回流區(qū)徑向更寬,而且最高回流速度意更大,也就意味著更大的回流強(qiáng)度,中心射流速度更了H中國(guó)煤化工相互作用,同時(shí)強(qiáng)化CNMHG湍流火焰的穩(wěn)定燃大,順流速度則略低,說(shuō)明空氣在燃燒室內(nèi)的滯留時(shí)燒卜(工況A-1、B1),合成氣燃燒時(shí)的間更長(zhǎng),有利于促進(jìn)合成氣與空氣的混合,從而達(dá)到湍動(dòng)能略高于CH4,但在高燃?xì)饬髁抗r(工況A-3、充分燃燒和提高燃燒效率的目的。合成氣燃燒時(shí)的B3)下,CH,火焰的回流邊界處的湍動(dòng)能更大,反映(2011)第25卷出在此工況下尚未完全消耗掉的CH4隨著回流區(qū)逆利于加強(qiáng)合成氣與空氣的混合;向流動(dòng),并與旋流空氣繼續(xù)反應(yīng),從而引起了回流區(qū)(3)燃?xì)饬髁枯^低時(shí)合成氣火焰的湍流擴(kuò)散和邊界上的湍動(dòng)能的增加。能量耗散率要高于CH1,隨著燃?xì)饬髁康奶岣?CH燃燒速度脈動(dòng)要高于合成氣。參考文獻(xiàn):romm1]倪維斗,張斌,李政。多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)與二氧化碳減排J].中國(guó)能源,2005,27(4):17-20.2]焦樹(shù)建.日本的IGCC示范工程與研發(fā)工作—兼論我國(guó)GCC的發(fā)展途徑.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2006,19(1):1520[3]徐綱,俞鑌,雷宇,等。合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的試驗(yàn)研究[].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(17):100-105romm[1 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