合成氣低旋流燃燒器設計與流動(dòng)結構的分析

第31卷第2期動(dòng)力工程學(xué)報Vol 31 No. 2011年2月Journal of Chinese Society of Power engineeringFeb. 2011文章編號:16747607(2011)020131-06中圖分類(lèi)號:TF055文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:610合成氣低旋流燃燒器設計與流動(dòng)結構的分析尹航,鐘仕立,戴韌,陳永辰(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200093)摘要:設計了一個(gè)合成氣低旋流燃燒器,采用PIV技術(shù)對不同負荷下的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了測量,并比較分析了不同中心射流流速對旋流流場(chǎng)的影響.鮚果表明:流場(chǎng)中出現中心回流區時(shí)的旋流數與中心流速無(wú)關(guān),高旋流與低旋流的分界點(diǎn)為S=0.7;流場(chǎng)中的軸向速度、徑向速度和湍動(dòng)能均關(guān)于燃燒器中心軸線(xiàn)對稱(chēng);中心軸線(xiàn)上無(wú)量綱軸向速度的分布與中心射流流遠(負荷)無(wú)關(guān),燃燒器出口下游形成一個(gè)發(fā)散低速區,有利于穩定充分燃燒;隨中心射流速度的增大,徑向速度成正比增大,湍動(dòng)能明顯增加關(guān)鍵詞:合成氣;低旋流燃燒器;流場(chǎng);旋流強度;旋流數;PIV技術(shù)Design of Low Swirl Syngas Burner and Analysis on the Flow PatternYIN Hang, ZHONG Shi-li, DAI Ren, CHEN Yong-chen( School of Energy and Powering Engineering, University of Shanghai for Science andTechnology, Shanghai 200093, ChinaAbstract: a syngas burner with low swirling intensity was designed and the cold state flow fields at differ-ent loads were measured using PIV technology. The influence of different central jet velocities on swirlingflow field was compared and analyzed. Results show that when the central recirculation zone appears, theritical swirl number has nothing to do with the central jet velocity, and the demarcation between high andlow swirl flow is s=0. 7. The axial velocity, radial velocity and turbulent kinetic energy are all symmetrical about the burner center axis. The dimensionless axial velocity profile along the central axis has nothingto do with the central jet velocity(load), and downstream the burner outlet there is a low speed area whichis helpful to sufficient combustion. With the rise of central jet velocity, the radial velocity increases pro-portionally, while the turbulent kinetic energy increases significantlKey words: syngas; burner with low swirling intensity; flow field; swirling intensity swirl number; Pivtechnology在我國的一次能源結構中,煤炭的主體地位在解決方案,而合成氣的清潔和高效燃燒是其中的重今后相當長(cháng)一段時(shí)間內不會(huì )改變,煤炭直接燃燒帶要環(huán)節來(lái)了嚴重的環(huán)境污染,煤炭聯(lián)產(chǎn)系統和整體煤氣化合成氣生產(chǎn)方法有固體燃料氣化、輕質(zhì)烴類(lèi)轉聯(lián)合循環(huán)系統(IGCC)是實(shí)現煤炭潔凈燃燒的有效化和重油部分氧化等,合成氣的主要可燃成分是中國煤化工收稿日期:201006-10修訂日期:20100917CNMHG基金項目:上海市重點(diǎn)學(xué)科建設資助項目(J505011)作者簡(jiǎn)介:尹航(1978),男,遼寧錦州人博士研究生,主要從事氣體燃料燃燒方面的研究電話(huà)(TeL):13917251930;E-mail: yinhang36@ gamil. co132·動(dòng)力工程學(xué)報第31卷O和H2,與天然氣相比,其熱值較低.CO的燃燒1Shel合成氣成分m反應速率較低、低負荷時(shí)燃燒不穩定、絕熱燃燒火焰Tab 1 Syngas composition produced by Shell gasifier溫度高及NO排放量較大合成氣燃燒過(guò)程既要保證CO充分燃燒和較大負荷范圍,同時(shí)也要盡量縮(CH1)p(CO)Hz)yCO2)(H2S)r(N2)短煙氣在高溫區的停留時(shí)間,以抑制NO2的生成張永生等采用平面激光誘導熒光(PLIF)研功率W=65kW.在合成氣成分中,CO體積分數較究了合成氣旋流擴散火焰特性,發(fā)現燃料的旋流強高.CO燃燒速度較慢,要使CO達到完全燃燒,需要度對燃燒穩定性和溫度場(chǎng)的影響比空氣旋流強度的影響大趙曉燕等采用數值方法研究了不同熱值保證其在燃燒室內有足夠的停留時(shí)間,因此在燃燒燃料的燃氣輪機燃燒室內的燃燒性能,結果表明:隨:隨器設計時(shí)通常采用較低的氣流速度筆者選取預混著(zhù)燃料熱值的降低,燃料射流流速增大,燃燒穩定性氣出口流速V=8m/s.燃燒器采用軸對稱(chēng)結構,旋降低為了提高燃燒穩定性需要增大燃料噴嘴口徑合成氣完全燃燒所霱的空氣量為心體積的Shel流器產(chǎn)生的旋流環(huán)繞中心射流.單和增加旋流數崔玉峰等和徐綱等按照等速度原則對燃氣輪機燃燒室進(jìn)行了改造,增大了燃料噴F=9524g(CH,)+2381[g(CO)+g(H2)]+7.143g(H2S)(1)嘴口徑,并增加了旋流數,在基本不改變火焰筒結構則燃燒器出口面積A可表示為:條件下,燃料的燃燒性能達到了設計要求旋流是控制燃燒穩定性與強度的有效手段之A=(o+F)W5,燃氣輪機和鍋爐燃燒室大多采用高旋流動(dòng)產(chǎn)設計的射流與旋流部分面積比為3:1.圖1為生回流來(lái)穩定火焰,但是回流區在穩定火焰的同燃燒器結構示意圖時(shí)也延長(cháng)了煙氣在高溫區的停留時(shí)間,導致熱力型NO2排放量增加.隨著(zhù)環(huán)保法規的日益嚴格,必須采取有效措施來(lái)控制NO2排放Chan等最先將切向射流法產(chǎn)生的低旋流動(dòng)應用于甲烷預混燃燒,發(fā)現流場(chǎng)中并沒(méi)有出現回流區,但仍可以穩定火焰,同時(shí)縮短了煙氣在高溫區的停留時(shí)間,降低了NO2的排放 Cheng等將葉片式旋流器應用于低旋流燃燒器并通過(guò)激光多普勒測速儀(LDA)測量燃燒區域的流動(dòng)分布,結果發(fā)現中心射流應用葉片式旋流器與采用切向射流管法所產(chǎn)生的流圖1燃燒器結構示意圖(單位:mm)場(chǎng)結構基本一致,同時(shí)可應用等出口速度原則對燃Fig 1 Schematic of burner structure (unit: mm)燒器進(jìn)行放大M.A. Johnson等將某高旋流燃燒旋流強度是決定流場(chǎng)結構的重要因素,通常采器改造成低旋流燃燒器,經(jīng)比較發(fā)現:兩者具有幾乎用旋流數S來(lái)表征.假定燃燒器出口氣流密度一相同的負荷范圍,在低旋流工況下,甲烷火焰穩定性致則旋流數定義為不受當量比、人口溫度、壓力及中心射流流速的影S1-(R/R,)3tan a響,其N(xiāo)O2排放水平比高旋流燃燒器降低60%1+[(U/U)2-1](R/R)2基于低旋流燃燒器的低NO,排放優(yōu)勢,筆者設式中:a為旋流器導葉與垂直方向的夾角,C):R、R計了合成氣為燃料的低旋流燃燒器.利用PV對燃分別為旋流器射流部分和旋流部分的內徑;U、U燒器出口流場(chǎng)速度分布和湍動(dòng)能進(jìn)行了測量,分析分別為燃燒器出口射流和旋流的軸向速度分量的平和比較了不同負荷下的流場(chǎng)結構,并研究了流場(chǎng)變均值化對燃燒的影響按照面積比進(jìn)行流量分配,射流與旋流流量之比為1燃燒器設計中國煤化工(4)本文以Shel化爐的合成氣為燃料,其熱值Q=CNMHG11MJ/m3,Shel合成氣成分列于表1.燃燒器采用全預混燃燒方式,當量比g=0.95s=3an a[l-(/R,"(5)第2期尹航,等:合成氣低旋流燃燒器設計與流動(dòng)站構的分析13像一般認為,低旋流動(dòng)與高旋流動(dòng)的臨界旋流強為6mm經(jīng)透鏡組形成厚度約為1m的發(fā)散片光0.6.為了降低NO,排放,選擇低旋流燃燒方源此片光源通過(guò)燃燒器中心軸線(xiàn)圖像采集系統采式,同時(shí)為了提高合成氣燃燒的穩定性采用比較大用分辨率為2048×2048像素的CCD相機,以12的旋流強度,選取S=0.6對旋流器進(jìn)行設計.由式位灰度識別示蹤粒子,最大采集速度為17幀/s,(5)可得到旋流角度a=65°圖2為旋流器的結構示CCD鏡頭前安裝了一塊平均通過(guò)波長(cháng)為532nm、意圖.從圖2可知:旋流器壁厚與導流葉片厚度均為帶寬為6nm的濾光鏡,用以降低環(huán)境對拍攝圖像1mm,葉高為4mm,葉片數為5個(gè)的影響試驗拍攝區域為160mm×160mm,拍攝區域下緣與爐臺出口距離小于1mm,查詢(xún)區大小為3232像素待測流場(chǎng)面和CCD相機底片之間的位移比例系數L=160×10-3/2048=7.81×10-5m/像素圖2旋流器的結構示意圖在PV測量中確定雙曝光時(shí)間間隔時(shí),示蹤粒Fig 2 Schematic of swirler structure子的位移不能超過(guò)查詢(xún)區的寬度,同時(shí)需兼顧流場(chǎng)速度變化率,本文選取40~80ns2試驗系統3結果與分析2.1試驗裝置3.1旋流數的修正試驗臺主要由供氣系統、燃燒器和PIV系統組在開(kāi)放空間的試驗中發(fā)現:當中心射流流速為成圖3為旋流燃燒器試驗臺和PV系統以壓縮8m/s旋流數為0.60時(shí),點(diǎn)火后火焰面迅速向下游空氣作為氣源通過(guò)壓力調節閥調節空氣壓力,使用移動(dòng)直至吹熄,火焰無(wú)法穩定燃燒而當旋流數增大空氣過(guò)濾器對壓縮空氣進(jìn)行除油除濕處理,過(guò)濾精到07時(shí)火焰得到穩定圖4為旋流數為0.7時(shí)的度可達到0.1pm,采用量程為500L/min和1500低旋流火焰照片L/min的質(zhì)量流量控制器(MFC, mass flow controller)分別控制旋流和射流部分的空氣流量,精度為0.5%示蹤粒子選擇粒徑為5pm的A2O2顆粒,其反射性較好、濃度對自相關(guān)計算影響小.由于研究區域集中在射流和旋流的相互作用部分,因此在試驗中僅向中心射流部分加入示蹤粒子激光器燃燒器壓縮空氣圖4旋流數為0.7時(shí)的低旋流火焰照片過(guò)濾器Fig 4 A photo of low swirl flame at S=0.7發(fā)生器為了研究旋流數對燃燒穩定性的影響,筆者對控制平臺中心射流流速為U1=8m/s時(shí)不同旋流數下的冷態(tài)圖3旋流燃燒器試驗臺和PIV系統示意圖旋流流場(chǎng)進(jìn)行了測量,其速度場(chǎng)分布如圖5所示,圖Fig 3 Test rig of swirling burner and PIV system中x、R分別為流場(chǎng)中任意一點(diǎn)到燃燒器出口和中2.2Pv系統心軸線(xiàn)的距離由圖5(a)可知:在旋流數S=0.60PIV系統由TSl公司生產(chǎn),主要由片光源系時(shí)統、圖像采集系統、同步系統和控制平臺組成片光近中國煤化立軸線(xiàn)(RD=0)附隨著(zhù)旋流數的增源系統以雙腔諧振脈沖式激光器為光源脈沖頻率大CNMHG流的拉伸作用增為1~15Hz,單脈沖最大能量為260mJ.脈沖激光強.從圖5(b)可知:燃燒器出口下游中心軸線(xiàn)附近器脈寬為8ns,輸出激光波長(cháng)為532nm,光斑直徑的高速區面積大大減少,集中在燃燒器出口附近,流134·力工程學(xué)報第31卷100.500.5101.515-10-0505101510-0500.51.01.5(a)S=0.60(b)S=0.70(c)S=0.72圖5中心射流流速為8m/s時(shí)不同旋流數下的速度場(chǎng)分布Fig s Velocity fields at different swirl numbers when central velocity is 8 m/s場(chǎng)中出現較大的低速區,當S=0.72時(shí),燃燒器出分布.定義湍流火焰傳播速度:當坐標系固定于火焰口下游流場(chǎng)中開(kāi)始出現回流低速區域進(jìn)一步增大,面上時(shí),未燃混合物垂直進(jìn)入火焰區的速度12.當如圖5(c)所示旋流數S=0.6時(shí),軸向速度最小值(4.8m/s)大于圖6給出了中心流速為8m/s時(shí)不同旋流數下湍流火焰傳播速度,火焰面向下游移動(dòng)此時(shí),氣流的無(wú)量綱軸向速度分布,其中Y為截面與燃燒器出卷吸周?chē)諝馐巩斄勘冉档?以及火焰面向下游移口的距離.從圖6可知:在燃燒器出口位置,不同旋流動(dòng)過(guò)程中由于火焰面面積的增大導致熱損失增加可數下的速度分布相似,隨著(zhù)軸向距離的增大旋流數能是造成火焰熄滅的主要原因.當S=0.7時(shí),軸向較大的工況中心部分軸向速度衰減較快,左右2個(gè)峰速度最小值為0.6m/s,火焰傳播速度與流場(chǎng)中某值之間的距離增加較快,下游產(chǎn)生發(fā)散低速區,這個(gè)處的來(lái)流速度大小相同繼續增大旋流數至0.72區域能延長(cháng)火焰的停留時(shí)間,有利于CO燃燒.當旋軸向速度最小值已經(jīng)小于0,此時(shí)火焰仍能夠穩定流數S=0.6時(shí),測量區域未出現明顯的低速區燃燒-S-oS061.005(a)y-0.9D05101.50=0.5051.015圖7不同旋流數下軸線(xiàn)上的無(wú)量綱軸向速度分布b)0.6D當旋流數S=0.72時(shí),流場(chǎng)中已經(jīng)出現了回流10=050.51015區.低旋燃燒與高旋燃燒的區別在于是否依靠中心回流區來(lái)穩定火焰因此在本文中以流場(chǎng)中出現回流區來(lái)區分高旋流動(dòng)與低旋流動(dòng)此外,還分別對中心射流流速為3m/s和51.5-10=05m/s時(shí)不同旋流數下的旋流流場(chǎng)進(jìn)行了測量,發(fā)現流場(chǎng)中出現回流區時(shí)的旋流數分別為0.74和0.7圖6中心流速為8m/s時(shí)不同旋流數下的無(wú)量綱軸向速度分布因此中國煤化工為流場(chǎng)中出現[Fig 6 Dimensionless axial velocity profiles at different swirl流區CNMHG關(guān)取高旋流與低旋流的分界點(diǎn)為S=0.7.筆者對低旋流動(dòng)結構的圖7為不同旋流數下軸線(xiàn)上的無(wú)量綱軸向速度分析在S=0.7下進(jìn)行第2期尹航,等:合成氣低旋流燃燒器設計與流動(dòng)結構的分析·135·3.2速度分布L圖8為不同中心射流流速下的無(wú)量綱軸向速度分布不同中心射流流速下的無(wú)量綱軸向速度分布具有相似性,并且關(guān)于燃燒器中心軸線(xiàn)對稱(chēng).隨著(zhù)軸0.61.014向距離的增加,中心部分軸向速度衰減很快,產(chǎn)生左a)F=0.9D右2個(gè)峰值,且2個(gè)峰值之間的距離不斷增加,表明燃燒器出口下游形成了一個(gè)發(fā)散低速區,有利于穩定燃燒-14-1.006-02020.6104(b)Y-0.6D14-1.0060202061.014(a)￥=09Db)y0.6D(d)Y=OD圖9不同中心射流流速下的徑向速度分布Fig 9 Radial velocity profiles at different central jet velocities(e)y-0.3D5 m/sUs8 m/s05101.5202530圖8不同中心射流流速下的無(wú)量綱軸向速度分布Fig. 8 Dimensionless axial velocity profiles at different圖10不同中心射流流速下軸線(xiàn)上的無(wú)量綱軸向速度分布entral jet velocitiesFig. 10 Dimensionless axial velocity profiles in the axis at differentcentral jet velocities圖9為不同中心射流流速下的徑向速度分布徑向速度也關(guān)于燃燒器中心軸線(xiàn)對稱(chēng),并隨著(zhù)中心湍動(dòng)能為射流流速的增大而增大隨著(zhù)軸向距離的增加,徑向k=2(v+v)(6)徑向速度在靠近軸線(xiàn)的區域并不為0,表明旋流對式中0、吃分別為徑向和軸向的脈動(dòng)速度中心射流的拉伸已經(jīng)滲透到射流中心圖10為不同中心射流流速下軸線(xiàn)上的無(wú)量綱圖11可看到:湍動(dòng)能關(guān)于中心軸線(xiàn)對稱(chēng)分布,旋流軸向速度分布不同中心射流流速對應的軸向速度部分具有較高的湍動(dòng)能,出現左右2個(gè)峰值表明旋分布十分相似,且沿軸線(xiàn)方向呈線(xiàn)性迅速衰減,在流部分具有更大的燃燒速度,使火焰呈扁平形,截面x/D≈1.5處達到最小值,幾乎為0,表明在該區域城熱負荷增大,有利于CO燃盡,隨著(zhù)中心射流流速的內必然存在氣流速度與湍流火焰傳播速度相等的位增大湍動(dòng)能明是增大,火焰傳播速度加快減緩了置,即火焰面駐定位置這是滿(mǎn)足火焰穩定燃燒的條在負中國煤化工化隨著(zhù)軸向距離件之一的增CNMH(減小,峰值之間的3.3湍動(dòng)能距離增加,因受到外圍旋流擾動(dòng)影響,中心部分的湍湍動(dòng)能反映了火焰燃燒速度的快慢,定義二維動(dòng)能增加136·動(dòng)力工程學(xué)報第31卷[2]趙曉燕,李祥晟,豐鎮平.燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內三維流流動(dòng)的數值模擬研究[J].動(dòng)力工程,2009,29(4):330-334.14-10-06-020.206101.4ZHAO Xiaoyan, LI Xiangsheng, FENG Zhenping.Numerical simulation research on three dimensionalturbulence flow in a gas turbine combustor burninglow heat value syngas[J]. 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