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基于沼气利用的微燃机预混喷嘴流动与燃烧特性研究

刘闳钊  
【摘要】:我国广大的农村地区蕴藏着丰富的生物质资源,但利用率小于5%,且利用效率低下,而沼气利用能够有效改善这一现状,是我国能源结构调整的重要补充。针对沼气存在的成分不稳定、分布不集中以及能量密度低等问题,基于微型燃气轮机的分布式供能系统,以其贴近用户、综合效率高、污染物排放低等优点,能够与绿色农业相结合,为利用沼气提供了一条重要途径。目前,市场上仍没有直接利用沼气的成熟微型燃机机组,利用沼气会造成燃烧室燃烧不稳定性升高、污染物排放增加、整体性能下降,提高微型燃机的燃料适应性始终是重点研究目标。本文以燃用天然气的微型燃机预混喷嘴为切入点,通过数值计算与试验分析的方法,优化设计出更为高效的预混喷嘴,并深入分析了预混喷嘴的流动与燃烧特性,为在分布式供能系统中有效利用沼气提供参考。为了明确喷嘴优化设计方向,本文分析了四种当量比、四种燃料组分、三种燃料孔结构、三型空气孔结构以及两类空气通道结构下的喷嘴非均匀度变化情况,并利用冷态PIV试验以及瞬态数值计算的方式,对比了优化后的预混喷嘴与原型喷嘴流动及燃烧性能。在此基础上,本文设计搭建了预混喷嘴燃烧试验台,并借助光学测量系统,对喷嘴周围三种缝隙条件和四种燃料组分下的湍流燃烧火焰进行了观测,获得了火焰的三维结构以及可见光强度数据。此后,本文将燃烧室从回热器出口到涡轮入口的全部区域进行了建模,综合分析了六组喷嘴之间的配合燃烧过程。整个研究分析过程得到了以下主要结论:(1)预混喷嘴出口的非均匀度和燃料与空气的动量比大致呈线性关系,且随动量比的增大而减小,由此可以明确喷嘴结构优化的方向。通过将原型预混喷嘴(OPN)的空气孔轴线方向由径向改为切向,在喷嘴内部产生一定程度的弱旋流,并结合套筒型空气通道,能够增强气流的湍动能并扩大高湍动能区域,使预混喷嘴达到更好的混合性能。(2)喷嘴内部的弱旋流能够增加空气旋流强度,调整气流形态,迅速降低了在喷嘴初始混合区域内产生的流动不稳定性,有效减小了流动过程中的随机性。弱旋流预混喷嘴(LSPN)利用空气孔的尖锐边缘,促进了涡耗散过程的进行,提高了燃料与空气的混合性能,同时还降低了燃烧室主燃区内的最高温度以及整体平均温度,减小了近壁面高温区域的最大值和范围以及温度波动幅度,有效减弱了燃烧过程对燃烧室内外壁面的热冲击,降低了NO_x的生成量。(3)喷嘴周围的二次空气通道,由于其结构存在宽边与窄边,使得时均火焰在二次空气占比不断增加的情况下,逐渐由对称结构转变为向宽边处延伸的非对称结构,也因此在喷嘴出口附近形成了一个相对稳定的反应区,降低了火焰形态的不稳定性。而燃料中的CO_2会降低火焰的湍流燃烧速度,致使沼气的燃烧火焰相对于天然气火焰要更远离喷嘴出口,且相差的距离随着CO_2含量的增加而增大。同时,CO_2作为燃烧反应产物,会减弱过量空气在CH~*生成与消耗过程中的影响,并加剧火焰形态的不稳定性。(4)对于具有六组预混喷嘴的环形燃烧室,喷嘴周围的二次空气通道存在一个最佳的面积范围。当其与喷嘴出口面积介于0.41至0.61之间时,燃烧室内的温度分布较为均衡,NO_x的排放量也低于其它面积范围。相对于燃用天然气,配置LSPN的燃烧室在燃用沼气时,燃烧室效率减小幅度小于0.55%,出口平均温度变化范围保持在40 K以内,出口体积流量的增长也不超过6%。虽然燃料中的CO_2会扩大流体域内的高温区域,并增大NO_x的排放量,但排放量不超过9 ppm。


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