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)

在我國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)中,煤炭的主體地位在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變.煤炭直接燃燒帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染,煤炭聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(IGCC)是實(shí)現(xiàn)煤炭潔凈燃燒的有效解決方案,而合成氣的清潔和高效燃燒是其中的重要環(huán)節(jié).

合成氣生產(chǎn)方法有固體燃料氣化、輕質(zhì)烴類轉(zhuǎn)化和重油部分氧化等,合成氣的主要可燃成分是CO和H2,與天然氣相比,其熱值較低.CO的燃燒反應(yīng)速率較低、低負(fù)荷時(shí)燃燒不穩(wěn)定、絕熱燃燒火焰溫度高及NOx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(fù)荷范圍,同時(shí)也要盡量縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間,以抑制NOx的生成.

張永生等[1]采用平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)研究了合成氣旋流擴(kuò)散火焰特性,發(fā)現(xiàn)燃料的旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒穩(wěn)定性和溫度場(chǎng)的影響比空氣旋流強(qiáng)度的影響大.趙曉燕等[2]采用數(shù)值方法研究了不同熱值燃料的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒性能,結(jié)果表明:隨著燃料熱值的降低,燃料射流流速增大,燃燒穩(wěn)定性降低.為了提高燃燒穩(wěn)定性,需要增大燃料噴嘴口徑和增加旋流數(shù).崔玉峰等[3]和徐綱等[4]按照等速度原則對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行了改造,增大了燃料噴嘴口徑,并增加了旋流數(shù),在基本不改變火焰筒結(jié)構(gòu)條件下,燃料的燃燒性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

旋流是控制燃燒穩(wěn)定性與強(qiáng)度的有效手段之一[5],燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐燃燒室大多采用高旋流動(dòng)產(chǎn)生回流來(lái)穩(wěn)定火焰[6],但是回流區(qū)在穩(wěn)定火焰的同時(shí)也延長(zhǎng)了煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間,導(dǎo)致熱力型NOx排放量增加.隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,必須采取有效措施來(lái)控制NOx排放.

Chan等[7]最先將切向射流法產(chǎn)生的低旋流動(dòng)應(yīng)用于甲烷預(yù)混燃燒,發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中并沒(méi)有出現(xiàn)回流區(qū),但仍可以穩(wěn)定火焰,同時(shí)縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間,降低了NOx的排放.Cheng等[8]將葉片式旋流器應(yīng)用于低旋流燃燒器并通過(guò)激光多普勒測(cè)速儀(LDA)測(cè)量燃燒區(qū)域的流動(dòng)分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn):應(yīng)用葉片式旋流器與采用切向射流管法所產(chǎn)生的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本一致,同時(shí)可應(yīng)用等出口速度原則對(duì)燃燒器進(jìn)行放大.M.A.Johnson等[9]將某高旋流燃燒器改造成低旋流燃燒器,經(jīng)比較發(fā)現(xiàn):兩者具有幾乎相同的負(fù)荷范圍,在低旋流工況下,甲烷火焰穩(wěn)定性不受當(dāng)量比、入口溫度、壓力及中心射流流速的影響,其NOx排放水平比高旋流燃燒器降低60%.

基于低旋流燃燒器的低NOx排放優(yōu)勢(shì),筆者設(shè)計(jì)了合成氣為燃料的低旋流燃燒器.利用PIV對(duì)燃燒器出口流場(chǎng)速度分布和湍動(dòng)能進(jìn)行了測(cè)量,分析和比較了不同負(fù)荷下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),并研究了流場(chǎng)變化對(duì)燃燒的影響.

1 燃燒器設(shè)計(jì)

本文以Shell氣化爐的合成氣為燃料,其熱值Q=11 MJ/m3,Shell合成氣成分列于表1.

燃燒器采用全預(yù)混燃燒方式,當(dāng)量比φ=0.95,功率W=65 kW.在合成氣成分中,CO體積分?jǐn)?shù)較高.CO燃燒速度較慢,要使CO達(dá)到完全燃燒,需要保證其在燃燒室內(nèi)有足夠的停留時(shí)間,因此在燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)通常采用較低的氣流速度,筆者選取預(yù)混氣出口流速V=8 m/s.燃燒器采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),旋流器產(chǎn)生的旋流環(huán)繞中心射流.單位體積的Shell合成氣完全燃燒所需的空氣量為[11]:

表1 Shell合成氣成分[10]Tab.1 Syngas composition produced by Shell gasifier%

則燃燒器出口面積A可表示為:

設(shè)計(jì)的射流與旋流部分面積比為3∶1.圖1為燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic of burner structure(unit:mm)

旋流強(qiáng)度是決定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的重要因素,通常采用旋流數(shù)S來(lái)表征.假定燃燒器出口氣流密度一致,則旋流數(shù)定義為[8]:式中:α為旋流器導(dǎo)葉與垂直方向的夾角,(°);Rj、Rs分別為旋流器射流部分和旋流部分的內(nèi)徑;分別為燃燒器出口射流和旋流的軸向速度分量的平均值.

按照面積比進(jìn)行流量分配,射流與旋流流量之比為3∶1.忽略旋流器的阻力作用,則

代入式(3)得:

一般認(rèn)為,低旋流動(dòng)與高旋流動(dòng)的臨界旋流強(qiáng)度S=0.6.為了降低NOx排放,選擇低旋流燃燒方式,同時(shí)為了提高合成氣燃燒的穩(wěn)定性,采用比較大的旋流強(qiáng)度,選取S=0.6對(duì)旋流器進(jìn)行設(shè)計(jì).由式(5)可得到旋流角度α=65°.圖2為旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖.從圖2可知:旋流器壁厚與導(dǎo)流葉片厚度均為1 mm,葉高為4 mm,葉片數(shù)為5個(gè).

圖2 旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of swirler structure

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)主要由供氣系統(tǒng)、燃燒器和PIV系統(tǒng)組成.圖3為旋流燃燒器試驗(yàn)臺(tái)和PIV系統(tǒng).以壓縮空氣作為氣源,通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣壓力,使用空氣過(guò)濾器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行除油除濕處理,過(guò)濾精度可達(dá)到0.1μm.采用量程為500 L/min和1 500 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5μm的Al2O3顆粒,其反射性較好、濃度對(duì)自相關(guān)計(jì)算影響小.由于研究區(qū)域集中在射流和旋流的相互作用部分,因此在試驗(yàn)中僅向中心射流部分加入示蹤粒子.

圖3 旋流燃燒器試驗(yàn)臺(tái)和PIV系統(tǒng)示意圖Fig.3 Test rig of swirling burner and PIV system

2.2 PIV系統(tǒng)

PIV系統(tǒng)由TSI公司生產(chǎn),主要由片光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、同步系統(tǒng)和控制平臺(tái)組成.片光源系統(tǒng)以雙腔諧振脈沖式激光器為光源,脈沖頻率為1～15 Hz,單脈沖最大能量為260 mJ.脈沖激光器脈寬為8 ns,輸出激光波長(zhǎng)為532 nm,光斑直徑為6 mm,經(jīng)透鏡組形成厚度約為1 mm的發(fā)散片光源,此片光源通過(guò)燃燒器中心軸線.圖像采集系統(tǒng)采用分辨率為2 048×2 048像素的CCD相機(jī),以12位灰度識(shí)別示蹤粒子,最大采集速度為17幀/s,CCD鏡頭前安裝了一塊平均通過(guò)波長(zhǎng)為532 nm、帶寬為6 nm的濾光鏡,用以降低環(huán)境對(duì)拍攝圖像的影響.

試驗(yàn)拍攝區(qū)域?yàn)?60 mm×160 mm,拍攝區(qū)域下緣與爐臺(tái)出口距離小于1 mm,查詢區(qū)大小為32×32像素,待測(cè)流場(chǎng)面和CCD相機(jī)底片之間的位移比例系數(shù)L=160×10-3/2 048=7.81×10-5m/像素.

在PIV測(cè)量中確定雙曝光時(shí)間間隔時(shí),示蹤粒子的位移不能超過(guò)查詢區(qū)的寬度,同時(shí)需兼顧流場(chǎng)速度變化率,本文選取40～80 ns.

3 結(jié)果與分析

3.1 旋流數(shù)的修正

在開放空間的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):當(dāng)中心射流流速為8 m/s、旋流數(shù)為0.60時(shí),點(diǎn)火后火焰面迅速向下游移動(dòng)直至吹熄,火焰無(wú)法穩(wěn)定燃燒,而當(dāng)旋流數(shù)增大到0.7時(shí)火焰得到穩(wěn)定.圖4為旋流數(shù)為0.7時(shí)的低旋流火焰照片.

圖4 旋流數(shù)為0.7時(shí)的低旋流火焰照片F(xiàn)ig.4 A photo of low swirl flame at S=0.7

為了研究旋流數(shù)對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響,筆者對(duì)中心射流流速為Uj=8 m/s時(shí)不同旋流數(shù)下的冷態(tài)旋流流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,其速度場(chǎng)分布如圖5所示,圖中x、R分別為流場(chǎng)中任意一點(diǎn)到燃燒器出口和中心軸線的距離.由圖5(a)可知:在旋流數(shù)S=0.60時(shí),流場(chǎng)呈發(fā)散結(jié)構(gòu),燃燒器中心軸線(R/D=0)附近氣流速度較大,但速度衰減較慢.隨著旋流數(shù)的增大,旋流流量增加,旋流對(duì)中心射流的拉伸作用增強(qiáng).從圖5(b)可知:燃燒器出口下游中心軸線附近的高速區(qū)面積大大減少,集中在燃燒器出口附近,流場(chǎng)中出現(xiàn)較大的低速區(qū).當(dāng)S=0.72時(shí),燃燒器出口下游流場(chǎng)中開始出現(xiàn)回流,低速區(qū)域進(jìn)一步增大,如圖5(c)所示.

圖5 中心射流流速為8 m/s時(shí)不同旋流數(shù)下的速度場(chǎng)分布Fig.5 Velocity fields at different swirl numberswhen central velocity is8 m/s

圖6給出了中心流速為8 m/s時(shí)不同旋流數(shù)下的無(wú)量綱軸向速度分布,其中Y為截面與燃燒器出口的距離.從圖6可知:在燃燒器出口位置,不同旋流數(shù)下的速度分布相似,隨著軸向距離的增大,旋流數(shù)較大的工況中心部分軸向速度衰減較快,左右2個(gè)峰值之間的距離增加較快,下游產(chǎn)生發(fā)散低速區(qū),這個(gè)區(qū)域能延長(zhǎng)火焰的停留時(shí)間,有利于CO燃燒.當(dāng)旋流數(shù)S=0.6時(shí),測(cè)量區(qū)域未出現(xiàn)明顯的低速區(qū).

圖6 中心流速為8 m/s時(shí)不同旋流數(shù)下的無(wú)量綱軸向速度分布Fig.6 Dimensionless axial velocity p rofiles at different swirl numbers when central velocity is 8 m/s

圖7為不同旋流數(shù)下軸線上的無(wú)量綱軸向速度分布.定義湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?當(dāng)坐標(biāo)系固定于火焰面上時(shí),未燃混合物垂直進(jìn)入火焰區(qū)的速度[12].當(dāng)旋流數(shù)S=0.6時(shí),軸向速度最小值(4.8 m/s)大于湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?火焰面向下游移動(dòng).此時(shí),氣流卷吸周圍空氣使當(dāng)量比降低,以及火焰面向下游移動(dòng)過(guò)程中由于火焰面面積的增大導(dǎo)致熱損失增加可能是造成火焰熄滅的主要原因.當(dāng)S=0.7時(shí),軸向速度最小值為0.6 m/s,火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c流場(chǎng)中某處的來(lái)流速度大小相同.繼續(xù)增大旋流數(shù)至0.72,軸向速度最小值已經(jīng)小于0,此時(shí)火焰仍能夠穩(wěn)定燃燒.

圖7 不同旋流數(shù)下軸線上的無(wú)量綱軸向速度分布Fig.7 Dimensionless axial velocity profilesin the axis at different swirl numbers

當(dāng)旋流數(shù)S=0.72時(shí),流場(chǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了回流區(qū).低旋燃燒與高旋燃燒的區(qū)別在于是否依靠中心回流區(qū)來(lái)穩(wěn)定火焰,因此在本文中以流場(chǎng)中出現(xiàn)回流區(qū)來(lái)區(qū)分高旋流動(dòng)與低旋流動(dòng).

此外,還分別對(duì)中心射流流速為3 m/s和5 m/s時(shí)不同旋流數(shù)下的旋流流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中出現(xiàn)回流區(qū)時(shí)的旋流數(shù)分別為0.74和0.76.因此,在本文的試驗(yàn)條件下,可以認(rèn)為流場(chǎng)中出現(xiàn)回流區(qū)時(shí)的旋流數(shù)與中心射流流速無(wú)關(guān),取高旋流與低旋流的分界點(diǎn)為S=0.7.筆者對(duì)低旋流動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析在S=0.7下進(jìn)行.

3.2 速度分布

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)于燃燒器中心軸線對(duì)稱.隨著軸向距離的增加,中心部分軸向速度衰減很快,產(chǎn)生左右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(qū),有利于穩(wěn)定燃燒.

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 central 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)于燃燒器中心軸線對(duì)稱,并隨著中心射流流速的增大而增大.隨著軸向距離的增加,徑向速度峰值先增大后減小,峰值之間的距離不斷增加.徑向速度在靠近軸線的區(qū)域并不為0,表明旋流對(duì)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上的無(wú)量綱軸向速度分布.不同中心射流流速對(duì)應(yīng)的軸向速度分布十分相似,且沿軸線方向呈線性迅速衰減,在x/D≈1.5處達(dá)到最小值,幾乎為0,表明在該區(qū)域內(nèi)必然存在氣流速度與湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗟鹊奈恢?即火焰面駐定位置,這是滿足火焰穩(wěn)定燃燒的條件之一.

3.3 湍動(dòng)能

湍動(dòng)能反映了火焰燃燒速度的快慢,定義二維湍動(dòng)能為:

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

圖10 不同中心射流流速下軸線上的無(wú)量綱軸向速度分布Fig.10 Dimensionless axial velocity profiles in the axis at differentcentral jet velocities

式中:v′x、v′y分別為徑向和軸向的脈動(dòng)速度.

圖11為不同中心射流流速下的湍動(dòng)能分布.從圖11可看到:湍動(dòng)能關(guān)于中心軸線對(duì)稱分布,旋流部分具有較高的湍動(dòng)能,出現(xiàn)左右2個(gè)峰值,表明旋流部分具有更大的燃燒速度,使火焰呈扁平形,截面熱負(fù)荷增大,有利于CO燃盡.隨著中心射流流速的增大,湍動(dòng)能明顯增大,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?減緩了在負(fù)荷增加時(shí)火焰位置的劇烈變化.隨著軸向距離的增加,旋流部分湍動(dòng)能峰值迅速減小,峰值之間的距離增加,因受到外圍旋流擾動(dòng)影響,中心部分的湍動(dòng)能增加.

圖11 不同中心射流流速下的湍動(dòng)能分布Fig.11 Turbulent energy profiles at different central jet velocities

4 結(jié) 論

(1)流場(chǎng)中發(fā)生渦破碎時(shí)的旋流數(shù)與中心流速無(wú)關(guān),高旋流動(dòng)與低旋流動(dòng)的分界點(diǎn)為S=0.7.

(2)流場(chǎng)中的軸向速度和徑向速度均關(guān)于燃燒器中心軸線對(duì)稱.中心軸線上無(wú)量綱軸向速度的分布與中心射流流速(負(fù)荷)無(wú)關(guān),燃燒器出口下游形成一個(gè)發(fā)散低速區(qū),有利于穩(wěn)定燃燒.徑向速度與中心射流速度成正比增大.

(3)湍動(dòng)能關(guān)于中心軸線對(duì)稱分布.隨著中心射流流速的增大,湍動(dòng)能明顯增加.隨著軸向距離的增加,旋流部分湍動(dòng)能峰值迅速減小,峰值之間的距離增加.

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