無壘燃燒技術(shù)的應(yīng)用

無壘燃燒技術(shù)的應(yīng)用

1富-貧區(qū)和更新區(qū)隨著機槍技術(shù)的發(fā)展，污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴格。在下一代發(fā)動機的設(shè)計中，nox排放目標(biāo)小于10ppm（15%o2）（1ppm2.05mg，n3m）。在這個問題上，來自國家科學(xué)家的研究了下一代汽機的低污染燃燒方法。目前，該項目的技術(shù)基礎(chǔ)包括燃料燃燒（ca）、富油燃燒（ql）和無火焰燃燒技術(shù)[1.3]。根據(jù)已有文獻發(fā)布的實驗數(shù)據(jù),無焰燃燒可以有效地將NOX與CO排放降低到10ppm(@15%O2以下,同時能夠保持燃燒的穩(wěn)定性.而且無焰燃燒與其他低NOX燃燒技術(shù)相比具有很多優(yōu)點:與稀釋擴散燃燒相比,不需要增加額外的設(shè)備,也不會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,或產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒以及燃燒效率下降的問題;與貧預(yù)混燃燒相比,不會導(dǎo)致回火或者熱聲振蕩現(xiàn)象,具有很好的火焰穩(wěn)定性;與RQL相比,不需要在物理結(jié)構(gòu)上分成富-貧兩個區(qū),不需要專門冷卻;與催化燃燒技術(shù)相比,成本要更為低廉.通過總結(jié)文獻,本文認為應(yīng)用于燃氣輪機的無焰燃燒技術(shù)正處在一個快速發(fā)展的階段.學(xué)者們均看到了無焰燃燒技術(shù)作為一種中期有希望解決燃氣輪機污染物排放問題的DLE(DryLowEmissions)燃燒技術(shù)的潛力,目前針對無焰燃燒主要的研究手段包括機理分析,基礎(chǔ)實驗,模型燃燒室性能測試與數(shù)值模擬.目前在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究方面,不約而同的方法是采用大量的惰性高溫反應(yīng)產(chǎn)物與未燃氧化劑進行摻混,從而達到加熱燃料超過自點燃溫度與稀釋氧化劑氧氣濃度來形成無焰燃燒.機理分析方面,采用回流量來定義回流稀釋程度,從而進行詳細分析成為通用的做法.伴隨著光學(xué)非接觸測量技術(shù)的發(fā)展,激光誘導(dǎo)熒光(PLIF),粒子成像系統(tǒng)(PIV)成為了代表性的流場、溫度場測量手段.數(shù)值模擬方面,目前的共識是:無論在化學(xué)反應(yīng)機理分析軟件包內(nèi),還是CFD軟件中,必須采用詳細化學(xué)反應(yīng)機理的模型才能夠較為準(zhǔn)確的模擬無焰燃燒.目前不同結(jié)果的模型燃燒室均實現(xiàn)了低污染燃燒的目標(biāo),實驗數(shù)據(jù)也在逐步積累中.目前針對無焰燃燒的研究以天然氣為燃料為主,部分學(xué)者展開了天然氣摻混氫氣等研究,下一步的工作應(yīng)為拓展無焰燃燒燃料適應(yīng)性,拓展無焰燃燒至輕柴油等燃料,在個別燃燒室中已有類似嘗試.從2007年開始,本文作者圍繞無焰燃燒展開了研究,給出了不同組分合成氣無焰燃燒應(yīng)用范圍,影響無焰燃燒形成范圍的因素很多,包括燃料熱值,燃料氫含量,氧化劑稀釋后氧濃度,反應(yīng)溫度等.公開發(fā)表文獻中,主要研究手段為利用PLIF與PIV等對無焰燃燒流場與出口污染物排放數(shù)據(jù)進行測量.針對燃燒室內(nèi)熱聲振蕩特性大多集中于現(xiàn)象描述,并無深入的測試與分析.對熱聲振蕩的研究由來已久,其基礎(chǔ)在于瑞利準(zhǔn)則:若聲學(xué)介質(zhì)在最稠密時吸入能量,在最稀疏時釋放能量,熱聲振蕩加強(熱能向聲能轉(zhuǎn)化);若聲學(xué)介質(zhì)在最稠密時釋放能量而在稀疏時吸收能量,則熱聲振蕩減弱.其中,p′和Q′分別表示壓力波動和熱釋放波動,t和T分別表示時間和波動周期.在燃氣輪機燃燒室中,熱聲振蕩的發(fā)生遠比理論模型研究的復(fù)雜,受到燃料種類,燃燒環(huán)境,當(dāng)量比與火焰穩(wěn)定方式等因素的影響.Dowling等人認為燃燒室中的熱聲振蕩可以簡化歸于一個如圖1所示的帶反饋的自激振蕩過程.中國科學(xué)院工程熱物理研究所的宋權(quán)斌等針對合成氣的熱聲振蕩特性進行了詳細的機理實驗研究.本文設(shè)計了一個使用無焰燃燒技術(shù)的模型燃燒室,并對該燃燒室工作在無焰燃燒狀態(tài)進行動態(tài)測量與分析.2模型燃燒介紹2.1火炬筒直徑的確定本文所提出的模型燃燒室為筒形逆流燃燒室(圖2),該燃燒室工作壓力為一個大氣壓.燃燒室主要包含頭部與火焰筒兩個部分.燃燒室頭部主要由燃料氣氣室與空氣氣室兩部分構(gòu)成.燃料氣噴嘴安裝在燃料氣氣室中,穿過空氣氣室進入火焰筒.而空氣首先從燃燒室尾部進入,通過兩層石英玻璃管之間的環(huán)形通道,進入頭部的空氣氣室.通過空氣氣室中的整流罩整流后,再通過頭部環(huán)形均布的12個主燃噴嘴進入燃燒室.所有的空氣均從頭部進入燃燒室.反應(yīng)結(jié)束后的燃氣最終從燃燒室尾部流出.其中火焰筒部分內(nèi)層石英玻璃管的內(nèi)徑為100mm;外層石英玻璃的內(nèi)徑為146mm石英玻璃承受溫度為1100°C.在燃燒室承壓測試中火焰筒為金屬材料.火焰筒中,頭部中心存在一個凹陷的筒形回流結(jié)構(gòu),當(dāng)所有反應(yīng)物射流進入火焰筒后,利用環(huán)形均勻布置的主燃噴嘴與中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系以及粘性流體的剪切效應(yīng),形成大量的回流高溫?zé)煔馀c新鮮空氣摻混,提高空氣的溫度并且對空氣進行稀釋,該經(jīng)稀釋的高溫空氣遇到燃料發(fā)生自燃,形成高度分散反應(yīng)區(qū),從而實現(xiàn)無焰燃燒圖3為冷態(tài)下數(shù)值模擬的速度場,當(dāng)入口速度為100m/s時,火焰筒內(nèi)最高的回流速度可以達到40m/s.通過CFD計算,該燃燒室在空氣射流速度30~160m/s范圍內(nèi)均能通過回流實現(xiàn)無焰燃燒.在無焰燃燒中,回流區(qū)存在的主要目的不是為了增加火焰穩(wěn)定而是為了稀釋氧化劑與反應(yīng)物的濃度,這是無焰燃燒技術(shù)的一個創(chuàng)新點所在.無焰燃燒并不需要回流來穩(wěn)定火焰.另外在該筒形回流結(jié)構(gòu)的中心布置一個值班燃料噴嘴,該噴嘴為直接射流形式,作用為點火與低當(dāng)量比下的穩(wěn)焰.燃料并非沿軸向射流進入燃燒室,而是在空氣氣室的頭部從噴嘴側(cè)壁面小孔首先射流進入空氣氣室頭部與空氣部分混合而后射流進入燃燒室(圖2(b))所以該燃燒室的混合方式為部分預(yù)混,頭部單個噴嘴出口流道的形狀為環(huán)形,內(nèi)直徑為5.6mm,外直徑為12mm.2.2空氣流速度對燃燒的影響該燃燒室有3種工作模式(圖4).模式Ⅰ.主燃噴嘴供給燃燒室預(yù)熱過的空氣,只有頭部回流結(jié)構(gòu)頂端的值班噴嘴工作.模式Ⅱ.保持值班噴嘴燃料供應(yīng),值班噴嘴與主燃噴嘴共同工作.模式Ⅲ.關(guān)閉值班噴嘴,只保留主燃噴嘴供應(yīng)燃料,該工況即為無焰燃燒狀態(tài).實驗中,點火過程依次按照工作模式Ⅰ至工作模式Ⅲ進行.在空氣流量穩(wěn)定條件下首先點燃值班噴嘴,而后逐步在主燃噴嘴中加入燃料,待燃燒穩(wěn)定后,關(guān)閉值班噴嘴,達到無焰燃燒工況.本文實驗中,進入燃燒室的空氣經(jīng)過預(yù)熱,預(yù)熱后的空氣進入燃燒室的入口溫度固定為530K.空氣射流速度決定了燃燒室的回流結(jié)構(gòu),本文分別采取了兩種不同的空氣流量.空氣流量分別為90與66Nm3/h,在530K下對應(yīng)空氣射流速度為35與25m/s,當(dāng)燃燒室工作時,空氣在環(huán)形通道內(nèi)會被進一步加熱,所以入口溫度應(yīng)該高于530K,同時射流速度也大于上述值.每種空氣流量下,通過改變?nèi)剂狭髁慷３之?dāng)量比不變,分析燃燒室在不同空氣射流條件下的動態(tài)壓力特性.本文實驗所采用的燃料氣為純甲烷與稀釋后的甲烷,在稀釋條件下,N2與CH4的體積比為1:1,值班火焰所采用的燃料為丙烷.進入燃燒室的空氣經(jīng)過預(yù)熱,預(yù)熱后的空氣進入燃燒室的入口溫度固定為530K.經(jīng)過實驗測試,該燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)在2.5atm下大于0.96,常壓下總壓恢復(fù)系數(shù)約為0.99.燃燒效率大于99%,燃燒熱強度為30MW/(m3·atm).3實驗數(shù)據(jù)采集動態(tài)壓力特性可以有效反映燃燒室內(nèi)動態(tài)特性.本文使用KuliteXCS-190(M)-15D動態(tài)壓力傳感器對燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力特性進行測量,該傳感器量程合適、頻響高、線性度好,滿量程輸出約120mV,量程為1.0bar,固有頻率200kHz.傳感器后采用EntranIEM-*/10/100R-WW型放大器對輸出壓力信號進行放大200倍.采用NIDAQ6009采集卡對信號進行采集,該采集卡采樣率為48KSample/s,采用差壓模式測量從而避免外界環(huán)境對壓力波動的干擾,實驗數(shù)據(jù)的采集和存儲通過商用軟件LabVIEW編寫的程序控制.3.1動態(tài)壓力信號統(tǒng)計方法分析方法為在某一段時間采集一段數(shù)據(jù),每秒采集4096個壓力值,在一段時間內(nèi)或者某一秒內(nèi)對動態(tài)壓力特性進行分析.3.2功率譜分析算法由于快速傅立葉變化算法(FastFourierTransform,FFT)數(shù)據(jù)跳躍特別厲害,甚至于掩蓋一些頻率信息,所以采用功率譜分析分析燃燒室內(nèi)的特征頻率.功率譜分析反映了喜好功率(能量)在頻域坐標(biāo)ω上的分布.采用對數(shù)坐標(biāo).功率密度是隨機過程二階統(tǒng)計量自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換,其功率譜定義表達為:其中Rx(m)是信號X(n)的自相關(guān)函數(shù):功率譜估計的方法很多,胡廣書對功率譜估計的方法做了總結(jié),本文采用自回歸(AR)模型來估計功率譜,該方法具有良好的方差性,并且不會損失峰值頻率,可以避免經(jīng)典功率譜分析法(周期圖法與自相關(guān)法)分辨率低與方差性差的問題.3.3tf的變換對燃燒室動態(tài)特性分析往往要持續(xù)一段時間的數(shù)據(jù)采集,這些信號可能為非平穩(wěn)信號,這些信號采用短時傅立葉(ShortTimeFT,STFT)變換來進行分析該方法結(jié)合了時域分析與頻域分析,可以看到信號頻率隨時間的變化.STFT給非平穩(wěn)信號p′(t)施加一個滑動窗函數(shù)w(t-τ),隨著τ的改變窗函數(shù)可以連續(xù)地截取信號,然后對于每一小段信號作傅里葉變換,從而可得到信號的聯(lián)合時頻分布,即式中,τ為移位因子,f為頻率.滑動窗的寬度越小,時域分辨率越好,同時局部平穩(wěn)性的假設(shè)越成立.本文在matlab下將上述算法實現(xiàn)為后處理程序.4空氣流場測試本文分別測量了該燃燒室在兩種空氣流量狀態(tài)下的熱聲振蕩情況,由計算可知,一定速度范圍內(nèi)燃燒室內(nèi)的流場是相似的,回流流量與入口空氣流量在空氣射流速度30至160m/s的范圍內(nèi)近似成正比.保持當(dāng)量比不變,改變空氣流量,分別測試燃燒室在兩種空氣射流速度下的動態(tài)特性.4.1空氣功率譜的影響首先對燃燒室在冷態(tài)下兩種射流速度下的工作頻率進行AR功率譜分析,如圖5所示.燃燒室中不加入燃料,只通過預(yù)熱后的空氣.燃燒室內(nèi)的壓力波動由空氣與燃燒室物理結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生,振蕩的最高頻率小于120dB.該特征頻率為燃燒室固有頻率,后面的分析以此功率譜為背景進行分析.4.2大流量工況下火焰的頻率特征值班噴嘴位置在頂部回流區(qū)域的中心,噴嘴結(jié)構(gòu)為簡單射流形式.當(dāng)燃燒室中只有值班火焰存在時,燃燒室內(nèi)的當(dāng)量比為0.09.兩種空氣流量下,火焰都在100Hz附近產(chǎn)生了一個雙峰的頻率.在大流量工況下(圖6(a)),燃燒室內(nèi)其他頻率峰值仍在存在并且變化不大.而小流量工況下(圖6(b)),550與750Hz頻率下兩個雙峰的頻率則變成一個單峰的頻率并且200與400Hz處頻率形態(tài)也發(fā)生變化.此時雖然當(dāng)量比很低,但是燃燒室內(nèi)污染物排放水平不盡人意,均在幾十ppm的量級.4.3燃料空氣射流速度的變化當(dāng)燃料氣射流速度達到一定值后,由于自點火延遲時間的存在,燃料在射流進入燃燒室后來不及附著在噴嘴或者在噴嘴附近發(fā)生燃燒,而是被值班火焰所加熱至超過著火點溫度并在燃燒室中部發(fā)生燃燒.在該種狀態(tài)下,值班火焰位于燃燒室的下方,而主燃火焰位于燃燒室的中部.此時燃燒室內(nèi)的當(dāng)量比為0.46,值班燃料占燃燒室內(nèi)當(dāng)量比約為0.09,主燃噴嘴占燃燒室內(nèi)當(dāng)量比為0.37.在燃燒室內(nèi)燃燒強度大幅增加的前提下,100Hz處附近振蕩頻率的峰值有所增加,由大約125μPa增加至130μPa,這樣的振動幅值能夠保持平穩(wěn)燃燒.如圖7(a)和(b)所示.當(dāng)燃料氣采用N2稀釋降低燃料熱值但是保持燃燒強度不變時,此時燃料射流速度增加.燃燒室在低流速的工況下伴隨著N2的摻入發(fā)生強烈振動(圖7(d)),圖7(e)為N2摻入過程動態(tài)壓力變化,在N2增加到一定值后,燃燒室內(nèi)的動態(tài)壓力波動達到了1.2×105Pa,此時可以聽到明顯的嘯聲,并且在該種振蕩功率下,燃燒室所采用的石英玻璃管損壞.圖7(f)所示的動態(tài)壓力功率譜則估計了該時間段內(nèi)燃燒室內(nèi)的頻率特性,圖7(f)為偽三維圖,橫坐標(biāo)為不同時刻,顏色的深淺對應(yīng)了不同頻率下振蕩的強弱.本文中的燃燒室流場是自模化的,回流流量與空氣射流速度幾乎是成正比的,當(dāng)燃燒室工作在低空氣流量狀態(tài)下,一方面由于空氣射流速度降低燃燒室內(nèi)湍流度減弱,流場結(jié)構(gòu)變得不夠穩(wěn)定從而容易誘發(fā)熱聲振蕩;另一方面由于燃料氣被稀釋熱值降低也會降低燃燒室穩(wěn)定性.在工作模式Ⅱ下,由于燃燒強度的提高,CO排放下降至20mg/Nm3@15%O2以下;然而由于值班火焰的存在,NOX排放值仍然無法達到20mg/Nm3@15%O2以下,不滿足超低污染排放的要求.4.4工作模式與ar功率譜分析第三種工作模式即為無焰燃燒狀態(tài),在該種工作模式下,只有主燃噴嘴工作,火焰在主燃噴嘴上方一段距離存在.燃燒室中無任何火焰穩(wěn)定器,燃料氣依靠回流的高溫燃氣來加熱到超過自點燃溫度的值,如此火焰可以在不需要值班火焰的條件下穩(wěn)定.由于燃氣的稀釋,所有的反應(yīng)物都在低氧濃度的氧化劑中反應(yīng),反應(yīng)物通過火焰的質(zhì)量流率比未稀釋的條件要更低,并且火焰面消失的趨勢被無焰燃燒所增強,另外氧氣濃度的降低造成了燃料自點燃時間的增加,燃料射流進入燃燒室后摻混的時間更長,所以形成了空間整體式火焰.此時NOX與CO的排放均在15mg/Nm3@15%O2以內(nèi),遠低于目前使用稀釋擴散技術(shù)的燃燒室.工作模式Ⅲ下,分別進行了連續(xù)功率譜與AR功率譜分析,分別如圖8與圖9所示.由于無焰燃