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《上海交通大学》 2011年
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双旋流合成气非预混燃烧特性的实验研究与数值模拟

郭培卿  
【摘要】:煤炭在我国能源中的比例长期占据主导地位,燃煤所引起的环境污染问题受到越来越多的关注,发展和采用洁净煤发电技术是我国可持续发展的必经之路。在诸多洁净煤发电技术中,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H_2、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,同时需要通过采取稀释燃烧等方式来降低NO_x排放,因此对合成气燃气轮机提出了高效率、低污染、高稳定性以及对燃料的宽容性等一系列要求。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基础。 本文首先建立了具有双旋流结构喷嘴模型燃烧室的燃烧实验台,通过实验台中燃料控制系统,来模拟不同组成成分的典型中热值合成气,并与CH_4、H_2以及CO等三种纯燃料在模型燃烧室中的火焰燃烧特性进行了对比。利用自主开发成套的平面激光诱导荧光(PLIF)系统,对合成气火焰中的OH自由基浓度进行了测量,有助于了解火焰锋面结构、主要反应区尺寸、火焰形态及燃烧的稳定性,同时利用高温热电偶测量燃烧室内及排气温度,利用气体分析仪测量排气中的污染物浓度。在实验的基础上,本文还通过与已有PIV、高温热电偶等实验数据的对比和验证,选择合适的亚网格模型对实验工况进行大涡模拟,并将结果作为对实验数据的有效补充。 研究结果发现,在相同当量比条件下,CH_4与CO火焰锋面在靠近喷嘴出口处呈现W型分布,H_2与中热值合成气火焰根部锋面则呈现M型分布,中心轴线两侧在旋流燃料的作用下形成反应真空区域。四种燃料中,合成气火焰张角最小,H_2在离开喷嘴后最先开始发生反应,并且火焰根部的反应区分布最为均匀,CO燃料对火焰根部的穿透轴向距离最大,CH_4火焰的主要反应区最窄,中心回流区径向宽度最小,CO与中热值合成气的燃烧室最高温度区域最大。 在此基础上,本文针对中、低热值两种合成气在双旋流喷嘴模型燃烧室内的燃烧特性进行了研究,结果表明,当量比低至0.2时,合成气火焰的反应区呈月牙形,随着当量比的提高,中热值合成气火焰根部逐渐出现M型分布,而低热值合成气火焰则形成典型的推举火焰特征。同时,燃烧室中下游出现大量的反应区,最高回流速度增大,火焰根部受到压缩,燃烧室排温升高,CO排放量迅速降低。此外,在相同当量比下,低热值合成气的最高燃烧温度明显低于中热值合成气,并且高温区尺寸较小,有利于减少热力型NO_x的生成,但会导致CO排放的增加和燃烧效率降低。 为了进一步了解合成气组分变化对燃烧特性的影响,本文还针对不同CO/H_2体积比下的合成气在双旋流喷嘴燃烧室内的火焰结构及相关物理量进行了实验研究,分析结果表明,当CO/H_2体积比在0.2至4.0范围内变化时,合成气火焰主体结构不受影响,反应区域呈梭形分布,随着CO/H_2体积比的增大,燃烧室内发生化学反应的位置提前,主要反应区扩大并向中心轴线蔓延,喷嘴内、外侧火焰锋面张角均有所减小,火焰根部变细变尖,同时OH自由基浓度的径向分布趋于均匀,燃烧室最高燃烧温度上升,高温区域扩大,排气温度略有上升,尾气中CO排放量增大,但是当燃料中的CO/H_2体积比提高至1.0以上后,CO排放量随CO/H_2体积比的变化幅度变小。 在对中热值合成气在双旋流喷嘴结构的模型燃烧室内的燃烧特性有了较为全面的了解之后,本文以N2作为燃料稀释剂,对中热值合成气进行0~40%(体积比)的稀释,开展稀释燃烧条件下,稀释量变化对中热值合成气火焰影响的研究。研究结果表明,随着燃料中N2稀释量的增加,合成气火焰锋面被拉伸,喷嘴出口附近火焰锋面由M型分布逐渐变为W型分布,中心轴线上的未反应区域不断扩大,燃烧室内反应区域亦不断扩大,位于燃烧室头部的内侧火焰锋面向燃烧室中心轴线收缩,中心轴线内侧火焰锋面逐渐远离双旋流喷嘴出口,外侧火焰张角增大,火焰根部与双旋流喷嘴出口间距离缩短,燃烧室内的最高温度下降,高温区域缩小,有利于抑制热力型NO_x的生成,同时对CO的氧化产生不利影响,燃烧室CO排放量升高,同时,燃烧室内中心回流区尺寸逐渐缩小,外围回流区的轴向位置向燃烧室下游方向移动,化学反应强度降低,火焰出现局部熄火与再点火现象,燃烧稳定性降低。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TK16

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【参考文献】
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