第20卷第3期《燃氣輪機技術200年9月GAS TURBINE TECHNOLOGYSept., 2007合成氣稀釋旋流擴散火焰穩(wěn)定性研究張永生,王岳,張哲巔,穆克進,惠鑫,張文興,楊偉鵬,肖云漢(中科院工程熱物理研究所,北京100080摘要:通過激光誘導熒光(F)和照相等方法研究了合成氣稀釋旋流擴散燃燒特性。研究了空氣燃料旋流強度及它們相互配合對火焰穩(wěn)定性的影響發(fā)現(xiàn)燃料空氣反向旋流情況中在擴張段出口上方具有較高的OH濃度,說明這種流動組織方式加強了初始階段的混合強化了化學反應,從而有利于燃燒的穩(wěn)定;在所實驗的范圍內強化空氣旋流和燃料旋流都起到穩(wěn)定燃燒的作用;在燃料和空氣出口附加擴張段能起到穩(wěn)定火焰的作用,在一定范圍內擴張段張角對火焰形態(tài)影響較大,擴張段張角小,火焰細長擴張段張角大火焰粗關鍵詞:合成氣;稀釋,旋流擴散燃燒;平面激光誘導熒光中圖分類號:V231.2·6文獻標識碼:A文章編號:1009-2889(20703-009煤炭利用在中國能源中所占比例最高,但目前種方法是通過在燃料或氧化劑中添加稀釋劑來降低以鍋爐燃燒產生蒸汽動力的利用方式效率低污染反應的濃度從而降低火焰溫度,這種方法目前很具嚴重。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGC)通過氣化燃氣有吸引力和競爭力-9。輪機燃燒等過程能夠同時保持高效和低污染特性目前廣泛應用的以天然氣為燃料的燃氣輪機中從而被認為是未來能源清潔高效利用的重要發(fā)展方絕大多數(shù)是通過旋流來有效組織流場,從而形成穩(wěn)向。因此國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要定的燃燒區(qū)。通過空氣和燃料的旋流配合也是以合(2006-2020年)將IGCC列為重點領域的優(yōu)先主成氣為燃料的燃氣輪機的第一選擇。但是,由于合題1,科技部“十一五”規(guī)劃將其列人國家863計劃成氣的性質不同于天然氣,例如熱值低、燃燒室最高先進能源技術領域重大項目2溫度高,如果只是簡單的照搬原來的以天然氣為燃在IC中煤氣化后生成合成氣(sgas),它的料的旋流組織形式,就有可能存在安全隱患和使效基本成分是H2和CO,也可能包含小部分CH、N2、率下降因此開展對合成氣的燃燒機理研究就顯得CO2、H2O和其它高階碳氫燃料。詳細的成分依賴于非常必要。由于國內外的能源結構不同,在國外燃所采用的燃料和處理技術3。一般而言,合成氣的氣輪機的研究中更多的關注以甲烷為主的天然氣的熱值較低但其代表燃燒室最高可能溫度的化學計燃燒,對合成氣燃燒的研究很少。盡管近年來國際算溫度卻要比燒天然氣高約100K(4。由于燃燒溫上也開始關注合成氣的燃燒特性,但大多數(shù)還是停度是對NO2形成最重要的影響參數(shù)如果采用簡單留在火焰結構、點火及熄火特性、層流燃燒速度、對擴散火焰會造成燃氣輪機排放物遠遠高于標準碳氫沖擴散燃燒等機理性的研究3-9。對實際應用的火焰的水平。降低污染物排放常用的有兩種方法,旋流燃燒的研究還未見報道。基于這種現(xiàn)狀,本文其一是采用貧預混燃燒,但它要比擴散燃燒復雜得針對氮氣稀釋的合成氣開展了旋流燃燒實驗,通過多而且更重要的是預混火焰面臨著嚴重的回火危平面激光誘導熒光(PI)等先進的光學測量手段力險。由于氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸?當所燃燒的合成圖對合成氣旋流燃燒特性給出一定的說明氣里混有氫氣時這一危險還會加大,通過這種方火焰穩(wěn)定性是燃燒中重點關注的內容,如果在法來利用合成氣在工業(yè)應用設計上非常復雜。另一一定中國煤化工焰,則這種燃燒對CNMHG收稿日期:20070402改稿日期:2007-05-10燃氣輪機技術第20卷工程上來說是沒有任何價值的,因此燃燒的穩(wěn)定性雖然這樣難于對燃料旋流強度量化,但通過調節(jié)燃是工程上首先關心的問題。如果火焰能夠長期持續(xù)料噴嘴可對燃料旋流強度給以定性說明。穩(wěn)定地燃燒而不發(fā)生回火、吹熄等現(xiàn)象,同時對外界實驗中合成氣成分CO/H2/N2的體積比為的于擾具有一定的魯棒性那么就可以認為所組織0285:0.225:0.49,它通過燃料旋流噴嘴和空氣在的燃燒是穩(wěn)定的。本文針對旋流火焰著重研究了燃擴張段內混合進行擴散燃燒,合成氣的熱值為燒穩(wěn)定性。6MJ/m3。實驗裝置及測量實驗中通過數(shù)碼相機照相和平面激光誘導熒光(PLF)兩種方法來對火焰形態(tài)進行測量,擴張段壁本文針對設計的40MW多噴嘴合成氣燃氣輪機溫的監(jiān)測通過K型熱電偶來實現(xiàn)。PF系統(tǒng)由光的單元噴嘴,以氮氣稀釋的合成氣為燃料進行了旋源熒光探測、控制和數(shù)據(jù)采集分析模塊組成,光源流擴散燃燒實驗。實驗中通過改變空氣和燃料的旋部分采用 Spectra- physics公司的Nd:YAG激光器流強度、旋流方向及擴張段的張角來開展研究,空氣Simh公司的染料激光器,熒光探測通過 Ia vision公旋流強度的調節(jié)通過可動塞塊旋流器來實現(xiàn),而燃司的高分辨率的ICCD相機來實現(xiàn)。測量中從染料料旋流的調節(jié)是通過更換具有不同旋轉偏角的燃料激光器出來的激光通過一組柱面透鏡形成片激光,噴嘴來實現(xiàn),空氣和燃料的旋轉方向的配合是通過片激光通過火焰,由于在激光束和燃燒產物相互作調節(jié)燃料噴嘴的方向來實現(xiàn),擴張段張角的變化是用過程中,除了熒光信號還有其它散射光,因此在熒通過更換不同的擴張段來完成。圖1是可動塞塊旋光信號進入高分辨率的ICCD相機前要通過濾鏡將流器及燃燒器示意圖。空氣從固定塊1和移動塊2其它信號濾光。實驗測量中對于OH的IF信號,間的縫隙徑向和切向流入,通過移動塊的移動,調節(jié)染料激光器輸出倍頻波長是281925mm徑向進氣和切向進氣的比例,從而實現(xiàn)空氣旋流強度的調節(jié)0?？諝馀c從燃料進口流入的燃料在擴2實驗結果及討論張段6內相遇混合,點燃后形成擴散火焰。21擴張段對燃燒穩(wěn)定的影響擴張段使得火焰能夠相對穩(wěn)定地然燒。如果沒郵帥有擴張段,火焰容易在燃燒器出口上方燃燒形成lft會H(推舉抬升)火焰如圖2所示。這里的工況和后面的圖3(c)相同,但火焰根部距燃料和空氣出口N圓處約有3倍空氣出口直徑的距離。當改變流量時,大流量下火焰不容易穩(wěn)定。加入稀釋氮氣后,在小移動、固定塊空氣進囗流量下也容易被吹熄,而且隨著氮氣流量的增加火您料進口焰長度縮短。實驗中發(fā)現(xiàn)沒有擴張段時火焰高度較高,這是1.固定塊;2.移動塊;3.空氣進口因為有擴張段的情況下擴張段內壁的粘性力使得回4.燃料進口;5固定、移動塊;6.擴張段圖1可動塞塊旋流器及燃燒器示意圖流區(qū)下移,從而擴張段可以縮短火焰的整體高度。在旋流燃燒中,燃燒的穩(wěn)定依賴于旋流的良好對于燃氣輪機內的燃燒來說首先要保證燃燒的穩(wěn)組織如果能夠形成合適的回流區(qū)就有可能形成穩(wěn)定性從上面的現(xiàn)象中看到沒有擴張段難以保持穩(wěn)定的火焰。一般旋流強度是通過旋流數(shù)S來作為量定的火焰。另外如果火焰長度太長,不利于火焰筒化的指標。對于移動塊可調旋流器M.比埃爾在的摻混,可能導致出口溫度不均勻,因此希望具有較文獻1O中對旋流數(shù)的計算給出了公式,但后來作短的火焰長度。所以本文重點研究具有擴張段的者指出原來的計算公式由于印刷原因有錯誤,正確燃沙“的宮吟下擴張臥面溫度較低外壁的應該是如文獻[11]所示?？諝夂腿剂隙季哂行餍Ч?空氣的旋流數(shù)可通過上面的方法計算但目前溫度中國煤化工會對擴張段造成危對所實驗的燃料旋流還沒有找到合適的計算方法。害。CNMH(吉構對稱性較差,則擴張段很容易出現(xiàn)局部高溫,甚至燒紅,造成危害。第3期合成氣稀釋旋流擴散火焰穩(wěn)定性研究圖2無擴張段時形成的-d火焰瞬時P-OH圖像b中燃料和空氣同向,中燃料偏轉角為30,b中燃料偏轉角為20;c、de中燃料和空氣反向,中燃料偏轉角為30°,d中燃料偏轉角為20,e中燃料偏轉角為10。圖3燃料和空氣同向及反向對比圖22燃燒穩(wěn)定性分析為03,處于弱旋流的范圍。這種條件下火焰不太實驗中針對空氣旋流數(shù)S=1,對比了不同燃料穩(wěn)定,它有兩種狀態(tài):一種是燃燒貼附于擴張段壁偏轉角情況下空氣和燃料同向旋流及反向旋流的不面;一種是燃燒類似于lit-d的情況,說明這種燃同,此時空氣流速為50m/s,燃料流速為60m/s,數(shù)碼料偏轉角中較小的旋流數(shù)下燃燒不太穩(wěn)定。而cd相機拍攝到的火焰形態(tài)如圖3所示。圖3中,a、b中兩圖所描述的強旋流中火焰比較穩(wěn)定,說明大的空燃料和空氣同向,a中燃料偏轉角為30°,b中燃料偏氣旋流有利于燃燒的穩(wěn)定。 K Sudhakar Reddy等(2轉角為20,可見a中火焰比較穩(wěn)定,而b中火焰脫通過五孔探針實驗研究了反向旋轉的冷態(tài)旋流,觀離擴張段壁面類似于it-o的情況,但火焰中心測到回流區(qū)尺寸隨著進口旋流數(shù)增加。盡管冷態(tài)和位置要比無擴張段時的t-o火焰低很多。當燃熱態(tài)實驗有一定的區(qū)別,但主要是表現(xiàn)在熱態(tài)增加料偏轉角為10時,火焰燃燒不穩(wěn)定,容易發(fā)生吹熄,了燃燒產物的流速上,對回流區(qū)的趨勢研究在一定實驗中沒有拍攝到穩(wěn)定的火焰。圖3de中燃料條件上是可以參考的,火焰隨著旋流數(shù)的增加而穩(wěn)和空氣反向,c中燃料偏轉角為30°,d中燃料偏轉角定也應該是增強了回流區(qū)的結果,另外,實驗中發(fā)現(xiàn)為20°,e中燃料偏轉角為10°。對比燃料和空氣同空氣旋流數(shù)為03時,回流區(qū)效果不明顯,更接近射向的情況,可見燃料和空氣反向能夠獲得更加穩(wěn)定流火焰因此它的火焰高度比大旋流數(shù)時高很多。的火焰,但不同的燃料偏轉角會導致不同的火焰高圖4中e、f、g為燃料偏轉角30時的火焰照片,度,一般地,燃料偏轉角越小,火焰高度越高。從圖可見空氣旋流數(shù)對火焰形態(tài)的影響沒有燃料偏轉角3所描述的實驗中可以看到,相同情況下燃料和空為10時的影響大,在所實驗的范圍內,都形成了較氣反向旋轉有利于燃燒的穩(wěn)定,這可能是反向旋轉為明顯的旋流火焰。說明這種情況下燃料旋流對燃進一步加強流動的擾動,從而促進化學反應的發(fā)生。燒的穩(wěn)定性起了重要的作用,燃料旋流加強了流動因此下面關于火焰形態(tài)的討論著重研究燃料和空氣的擾動,它同樣起到穩(wěn)定火焰的作用。反向旋轉的情況。由王料和空氣出門出業(yè)后都要受到壁面的實驗中對比了不同空氣燃料旋流強度及它們的作用中國煤化工⊥焰燃燒應該有相互配合關系。圖4中a、b、c、d是當燃料偏轉角為定的CNMHG張角進行了實驗,10時空氣旋流強度的對比,其中a、b中空氣旋流數(shù)火焰形態(tài)如圖5所示。可見擴張段張角對火焰形態(tài)32燃氣輪機技術第20卷具有較大的影響在實驗的范圍內,擴張段張角越大角太大,則粗壯的火焰會在火焰筒頭部形成局部高則火焰越粗壯,擴張段張角越小則火焰越細長。從溫,有可能燒壞火焰筒頭部;而如果擴張段張角太實驗中可以看出,擴張段張角對于根據(jù)這種設計理小,則細長的火焰會不利于摻混。念設計的燃氣輪機具有很大的影響,如果擴張段張其中a、b、e、d燃料偏轉角為10°,a、b中S=03,c中S=0.6,d中S=1;fg燃料偏轉角為30;c中S=0.3,f中S=06,8中S=1圖4燃料和空氣旋流效果對比圖重中擴張段角35,b中擴張段角30,c中擴張段角20空氣流速50m/8燃料流速60m/s,燃料偏轉角為30°圖5不同擴張段張角時的火焰形態(tài)對比圖23PITF對OH分析踐證明瞬時P圖像能夠非侵入的檢測組分濃度線性激光誘導熒光(L)和平面激光誘導熒光溫度、速度、壓力和密度,而OH可用于研究火焰的(PL)圖像測量組分濃度在20世紀80年代初開始高漩渦區(qū)。報道B-。由于在測量火焰結構中它具有相對高在本文的實驗中,對于所研究的火焰PT圖的信號強度、易于解釋且便于用來確定流場的變化像,OH分布覆蓋了較寬的區(qū)域,它表現(xiàn)出強烈的皺(包括濃度溫度速度、壓力和密度的變化),近年來褶云圖,這些結構對火焰內湍流傳輸和混合過程具在國際燃燒研究領域得到廣泛的應用。例如在第有很好的反映。從瞬時的PI圖像可以明顯的看27、28和29屆國際燃燒會議上共發(fā)表了三百余篇關出OH濃度的變化在所測量的空間隨時間脈動變化于氣相火焰實驗研究的論文,約四分之一是采用了非常劇烈,而且在同一時刻反應并不是均勻的發(fā)生,PT作為測試手段。在PL測量中由于OH自由而是在所觀測的一些區(qū)域較為強烈,另外一些區(qū)域基在火焰前沿過平衡濃度附近,而且它在熱生成物較為微弱如圖6所示這些特征清楚的反應了湍流附近的濃度很低。因此,OH就是火焰區(qū)很好的指的渦中國煤化工信號的強度梯度示物,同時OH自由基圖像也表明熱生成物和冷的脈CNMHG區(qū)在空間上處于的反應物的邊界m。 Ronald等{的綜述中認為,實變化之中第3期合成氣稀釋旋流擴散火焰穩(wěn)定性研究取擴張段出囗上部為PF觀測區(qū),從對比空氣流量從而使得更多的燃料在這一區(qū)域發(fā)生反應,同燃料反向和空氣燃料同向的PF圖像圖7中可以時也導致這里的燃燒反應更容易發(fā)生。也就是說看到,相對而言,在其它條件相同的情況下,距離擴加強了火焰根部的燃燒,從而增強了燃燒的穩(wěn)定性,張段出口較近的區(qū)域中,相同位置處反向的OH強解釋了圖3所反映的現(xiàn)象。這種加強作用也分別在度更高一些。這是因為反向旋轉流動中周向剪切層 LiGuogiang'1等關于冷態(tài)P測量和KMek等的強烈相互作用,導致切向速度快速衰減加強了空三維LD冷態(tài)實驗中進行了報道,與本文通過PLF氣和燃料的相互擾動和摻混,加強了回流區(qū)的質量測量的結果得出的結論一致。圖6燃料空氣反向旋轉瞬時PF圖像(空氣流速70m/s,燃料流速60m/B)b空氣流速為50m/,燃料流速為60m/s,同向旋轉b反向旋轉;ed空氣流速為70m/s,燃料流速為60m/s,c同向旋轉d反向旋轉圖7燃料和空氣同向及反向平均PF圖像對比圖7的OH圖像也反映了回流區(qū)的特征,以7性。實驗方法上,通過分析激光誘導熒光方法測量d)為例,在常壓下模擬燃氣輪機燃燒。由于在設計的OH濃度分布圖像能夠反映旋流燃燒的回流區(qū)及工況下旋流器中的空氣占整個燃燒室空氣量的燃燒特征;初步研究了空氣燃料旋流強度及它們相35%,盡管是低負荷燃燒工況,在旋流噴嘴處燃料互配合對火焰穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)燃料空氣反向旋依然過量。因此當燃料流速固定不變時在擴張段流情況中在擴張段出口上方具有較高的OH濃度,內部燃料和空氣發(fā)生反應,但還有燃料沒有足夠的說明這種流動組織方式加強了初始階段的混合強空氣和它發(fā)生發(fā)應。圖像兩側高亮度區(qū)處于回流區(qū)化了化學反應,從而有利于燃燒的穩(wěn)定。在實驗范上部邊緣,在這里燃料和從環(huán)境中卷吸的空氣發(fā)生圍內,強化空氣旋流和燃料旋流都起到穩(wěn)定燃燒的反應,所以OH濃度較高;圖像上部中間OH具有一作用;在燃料和空氣出口附加擴張段能起到穩(wěn)定火定的濃度這可能是因為回流將一部分空氣卷吸到焰的作用。在一定范圍內擴張段張角對火焰形態(tài)中間的結果。另外從圖7可以看出空氣流速加大影響較大,擴張段張角小,火焰細長:擴張段張角大使得觀測區(qū)OH濃度較高而且較為均勻,這可能是火焰粗壯。流速的升高加強了湍流擾動的結果。但由于沒有對擴張段內的燃燒進行測量,詳細的反應過程還需要參考文獻:進一步的研究。[1]中中國煤化工學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要3結論InCNMHGg06-02/0%cantet-本文研究了合成氣稀釋旋流擴散火焰的燃燒特(2]中華人民共和國科技部國家3計劃先進能源技術領域“以煤燃氣輪機技術第20卷氣化為基礎的多聯(lián)產示范工程”重大項目課題申請指南中p:/[12 )Sudhakar R.K.,ReyD.N. vers Prasad C M., Experimental inve168.160.19.4 htmledit5c33D061-345E-0982-DDDtigations on isothermal swirling flows in aflow annular gis turbineD9ACSCE1AC92. htmlcombustor,Proceeding G1200 ASME Turbo Expo 2005: Power far[3 ] Natarajan J, Nandula S, Lieuwen T, Ataman J, Laminar flameLand, Sea and Air June 6-9, Reno-Tahoe, Nevada, USA GT2005speeds of synthetic gas fuel mixtures, Proceeding of GT200 ASME Tur6911lbo Expo2005: Power for Land, Sea and Air Jume6-9, 2005, Reno- [1]]ALDen M, Edner H, Holmstedt G, Seberg S, HoegbergT,SingleTahoe, Nevada, USA, GT2005-68917pulse LaBcr-indkced OH fluorescence in an ahnoepheric flame, sp[4JVortmeyer N, Huth M, Schetter B, Bocker B, Karg J,Emepergertially resolved with a diode amay detector, Applied Optics, Vol. 21 (7)W.燒合成氣的燃氣輪機在設計和運行中的經驗[]燃氣輪機技術,1997,10(2)41-47.[14]Mark J D, David R C, Two-dimensional imaging o OH laser-in-5]Daniel E. Giles, Sibenu Som, Sumesh K Aggarwal, NO, emission characduced fluorescence in a flame, Optics Letters, Vo. 7(8), Pp, 382-384.teristics o counterflow syngas diffusion flames with airstream dilution, Fu. [15]George K., Robert D.H., Ronald K.H., James C.M., Quantitative vi.d,2006,vol85,pp.1729-1742guaization df combustion species in a plane, Applied Optics, Vo. 21[6]Drake MC, Blint R., Thermal NO, in stretched laminar apposed-flow(18),PP.3225-322diffusicn flames with CO/H2/N2 fue, Combustin and Flame, 1989, Vo. [16] Ronaid KH,Jerry M.S., Phillip H.P., Panar Laser-Fluorcscence76,pp.151-67Imaging of Combustion Gases, Applied Physics B(Photophysics and[7]Chung SH, Williama FA, Asymptotic structure and extinction d Co-HLaser Chemistry), 1990, Vol 50, PP 441-454.diffusion flame with reduced kinetic mechanisms [J]. Combustion and [17JQuang-Viet N, Phillip H.P., the time evolution o a vortex-flameFlame,190,Vad.82,p.389-410teraction observed via planar imaging of CH and OH, Twanty-Sixth[8]Fotache CG, Tam Y, Sung C], Law CK, Ignition o CO/H2/N2Symposium( Intenational )on Combustion /The Combustion Instituteand flame,200,va.120,p9.417[18]Guoqiang L, Ephraim J G, Ceometry Efects an the Flow Field and the[9]Rumminger MD, Linteris GT. Inhibition o premixed carbonmonoxideSpectral Characteristics of a Triple Annular Swirler, Proceedings dhydrogen-arygen-nitogenflamesbyinnpentacarbonyl[j].combusASME Tumbo Expo 2003 Power for Land, Sea, and Air June 16-19,2003, Atlanta, Georgia, USA, GT2003-38799[10]燃燒空氣動力學,[英]JM比埃爾,NA.切給爾陳熙譯M科[19]MeK., Haeseler H., Buchner h, zaralis N., ERect of c-and學出版社,1979,112-119coumter-gwir on the isothermal Llow-mixture-field of an airblast at[1] Fucher T】ein ]. L, Mori M, The three- dimensional nu-mimer nowel J]. Intemational Joumal of Heat and Fluid Flow, 203mescal acrodnerics o a movable block bumer[J]. Brazilian Joumal ovd.24,pp.529-537Chemical Engineering, 2003, Vol20(4),Pp391-401Study on the stability of the syngas diluted swirling diffuse flameZHANG Yong-sheng WANG Yue, ZHANG Zhe-dian, MUHUI Xin, ZHANG Wen-xing, YANG Wei- peng, XIAO Yun-han(Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)Abstract Swirling diffuse combustion characteristics of the syngas diluted was studied by PliF and CCD image in this paper. The influence ofair, fuel swid intensity and their cooperativeness on the stability of syngas flame was studied The experimental results show that the counterflow flame can cause higher OH concentration at the exit boundary o the cone cower than the co-flow. This means that the counter-flow canstrengthen the blend o the gases at the beginning stage, and intensify the chemical reaction Therefore it is advantageous to combustion stabilitI was discowered that either intensification d air swirt or intensification of fuel swirl can stabilize the combustion Moreover, the additional conical expansion at the air and fuel exit can make the combustion more stable. The angle o conical expansion can exert important effectsflame shape. The smaller the angle of divergence of the conical expansion outlet, the thinner and longer the flame; the larger the angle of divergence of the conical expansion outlet, the wider and the stronger the flameKey words: syngas; diluted; wiring diffuse combustion; PLIF中國煤化工CNMHG