CO_H_2变化对合成气旋流燃烧火焰流动结构的影响

第 32 卷第 n 期 20 11 年 11 月 工 程 热 物 理 学 报 J O U R N A L O F E N G IN E E R IN G T H E R M O P H Y S IC S V b l.3 2 , N o .l l N o v ., 2 0 11 C O /H :变化对合成气旋流燃烧火焰流动 结构的影响 葛 冰 减述升 郭培卿 (上海交通大学机械与动力工程学院叶轮机械研究所 , 上海 200240) 摘 要 利用粒子图像速度场测量技术 (PI V ) 对不同 C O /H Z 下的合成气旋流燃烧流场进行了实验研究. 由所测合成气 旋流燃烧火焰的速度场可知:合成气旋流燃烧火焰中 , 轴向平均速度最大值出现在喷嘴中心轴线处 , 轴线两侧还会有个小 的峰值;随着与喷嘴面距离的增大 , 最大轴向平均速度不断减小 , 轴侧峰值与轴线距离不断增大.对比不同 C O /H Z 下 火焰内部的速度分布可知 , C O /H Z 是影响合成气旋流火焰流动结构的一个重要参数 , 随着 C O /H Z 比的增大: 旋流火焰 内部的燃料涡与喷嘴表面距离先增大后缓慢降低 , 与喷嘴轴线距离也是先增大后减小;轴向一平均速度最大峰值不断增加 , 轴侧峰值大小基本不变 关键词 旋流燃烧; 合成气燃烧; PI V 测量 中图分类号: T K 16 ; 0 357 文献标识码: A 文章编号: 0253 一23lX (2021)11一1969一04 E ffe et of C O /H Z M olar R atio on F low Struetu res of Syngas Sw irling F lam es G E B ing ZA N G Shu一Sheng G uo P ei一Q ing (几 rbo M aChjne理 Izj s亡jtu亡�, S力an劝aj 五ao亡ong Un jvers j奴 S力ang为ai 200240 , 幽 Ina) A b straet E xperim ents hav e been perfo rined to investigate tlle effe et of C O /H : m olar ratio on tlle fl o w stru e tu re s o f sy n g a s sw irlin g fl a n ie s. B y P IV tee h n iq lie , th e v e lo eity d istrib u tio n s o f th e syngas sw irling flam (:� w itll diffe rent C O /H : m olar ratios w ere observed. T he results show that tlie m a x ixxlu in s o f a x ia l m ea rz v e lo eity a re at th e e en te r o f a x ia l se etio n s , a n d tw o sm a ll P e a k s o f ax ia l iile a il ve lo eity a re o rl th e sid e o f ee n terlin e sy m m e trie a lly . FIJ rth erm o re , th e e x P e rim e n t irldieates that C O /H : m olar ratio 15 an iolportant param eter to the veloeity distributions and the struetures ofvortex in sw irling flam es. W ith the inerease ofC O /H : m olar ratio: the distanee betwe en tlze n o zzle a n d th e fu e l v o rte x in fl am e in e rea ses a t fi rst , a n d th e n red u ee slo w ly ; m ax im u m o f ax ia l ille a il v e lo e ity a d d s eo n tin u o u sly , b u t th e ax ia l v elo e ity p e a k s o n th e sid e o f ee n te rlin e eh a n g e little . K e y w o r d s sw irlin g e o m b u stio n ; sy n g a s eo m b u stio n : P IV m e a s, ire m e n t 0 引 言 目前国际上发展洁净煤发电技术主要有两条途 发 , 中 �低热值合成气燃烧技术就必须掌握. 径 : l) 带有烟气污染物排放控制的超超临界发电技 在 IG C C 系统中 , 燃气轮机所用的燃料为中低 术 ; 2)蔡体煤气化联合循环 (IG C c) 发电技术 �由 热值合成气 , 如何保证其燃烧时的安全性 �稳定性 � 于 IG C C 采用的燃气轮机 蒸汽轮机联合循环与超 高效率和低污染是 IC C C 系统面临的重要问题 [l] � 超临界机组的朗肯循环相比 , 在能量转化上具有更 合成气中的可燃成分主要为 H : 和 C O , 其热值虽然 高的效率 �同时 , 对于排放气体的处理相对容易 , 因 较低 , 但化学计算温度却要高于天然气 �在合成气 此 IG C C 将作为中远期燃煤发电技术的重要地位已 燃烧过程中, C O /H : 是一个重要参数 , 它对火焰温 得到国际上的公认 �当前 , 中 �低热值合成气燃气轮 度分布 �火焰尺寸 �燃烧稳定性及排放都会产生较 机燃烧技术是 IG C C 燃气轮机关键技术中的难点 , 大的影响 {2一4j�因此 , 了解合成气中 c o /H :变化对 而目前通过国家捆绑招标引进的燃气轮机技术中尚 燃烧火焰的影响是掌握中 �低热值合成气燃烧技术 未包括此项技术 �如要展开 IG C C 燃气轮机的自主研 的一个必要前提 �本文利用 PI V 技术对合成气旋流 收稿B 期: 2011一ox一11;修订日期: 2011一10一10 基金项目: 国家重点基础研究发展 (973) 资助项 目 (N o.Zo07 C B Z10 102) 作者简介:葛 冰 (19 77一), 男 , 江苏沐阳人 , 博士后 , 主要从事燃气轮机低污染燃烧技术研究 � 19 70 工 程 热 物 理 学 报 32 卷 扩散燃烧流场进行实验研究 , 对比分析了 C O /H :变 化对旋流火焰流动结构的影响 , 并与同流量下的夭 然气燃烧流场对比 , 为合成气燃烧技术的理论研究 和数值模拟提供了有益的实验依据 � P IV m e asu rC m en t 1 实验装置及方法 本实验测量的是不同 C O /H ; 下合成气旋流扩 散燃烧火焰的速度场 , 所用的实验装置及其布置如 图 1 所示 �本实验系统中 , 合成气通过 H Z �C O 和 N :三套气体管路系统配制 �实验中, 利用管道上的 质量流量计 , 控制 H Z �C O 和 N : 的流量 , 在保证合 成气热值不变的同时 , 改变实验气体的 CO /H Z�为 了与天然气燃烧流场相对比, 本实验还进行了等流 量天然气工况下的燃烧流场测量 �如图 2 所示 , 喷 嘴燃料孔直径为 4 m m , 表面直径 D B = 28 m m , 环流 空气管直径为 70 m m (D �), 旋流器为直叶片式 , 安 装角为 500 , 叶片厚度为 0. 6 m m �空气流过旋流器 后与喷嘴喷出的燃气在燃烧器下游区域混合扩散燃 烧 �P IV 测量区域为燃烧器下游 140 m m 又92 m m 的 矩形区域 , 具体位置及尺寸如图 2 所示 � 本实验使用了丹麦 D an 七ec 公司生产的 PI V 系 统 , 系统采用分辨率为 4000 x 2672 像素的 IP X - n M S一L c c D 相机 , 光源系统具体参数可参看文献 !5}�实验中 , 使用 64x 64 像素 , 25% 的查询区 �按 照文献 [0] � �7}, 这样的空间分辨率足以获得接近真 实的湍流统计值 �实验使用的示踪粒子为 1 卜m 的 M gO 粉末 � {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{���lllll 尸尸~�����]]]已已象象象才吕吕}}}留留留 11111111111一一一一一一一一一一一一一一一一��工工口口{ ��一 一一一一一一lll二二二二二二二二��二二 l_ 目目目 厂~~~ . ����巨巨巨巨巨巨巨巨巨巨巨巨 图 2 燃烧器结构及 PI V 测量区域图 F 19 . 2 N o z z le a n d P IV m e as lire m e n t fi e ld 2 实验结果与分析 实验中, 保持合成气流量不变 , 利用调节阀与 质量流量计得到不同C O /H :下的旋流燃烧流场 , 具 体工况如表 1所示 � 表 1 不同 C o /H Z 下的试验工况 T a b le 1 T h e o P e ra tio n eo n d it io n s o f d iffe re nt C o /H : (Q v,fuol= 1.6 8 m 3/ h , Q v,air= 164 m 3/h , L H V : 10 .0 6 M J /m 3) O peration eode 1 2 3 4 5 些 C O /H Z m ole ratio o滩 1 .0 1 .2 8 1 .7 2 .5 M o la r e o xn P o sitio n C O 2 5滩O 0 .7 3 3 6 .7 0 4 2 .9 7 4 7 .7 9 5 3 一0 3 5 9 3 4 4一q山川一16920一77一哪4937一629一404tl祝一� F lo w m ete 翻. 卜.T ran sd u to r F a n S ee d ers e o即 ressor~ F一�俪heter 图 1 P lv 流场测量实验系统图 F ig . 1 S e h e m at ie d ia g r a m o f th e e X p e r irn e n ta l se tu p 由于 P IV 测量的为瞬态速度场 , 为得到火焰内 部的平均速度场 , 需要进行多幅平均 �为提高实验统 计的精度 , 实验过程中对每一工况进行 650 次有效 拍摄 �图3 为不同 C O /H :下 , 旋流燃烧火焰内部的 流线图与矢量分布图 , 图中取喷嘴表面中心点为坐 标原点 , 燃料射流方向为 X 轴 �由图可以看出 , 在 燃烧器的下游会产生两对涡: 空气涡与燃料涡 , 其 中空气涡由环向空气回流产生 , 燃料涡由燃料射流 和回流空气作用产生 �随着 C O /H : 的变化 , 空气涡 与燃料涡的大小与位置会发生改变 � 取燃料涡中心与喷嘴表面距离为 D 二, 与喷嘴轴 线的距离为 D �(具体如图3(c)所示), 燃料涡位置随 c o /H : 比变化曲线如图 4 所示 �由图 4(a) 可以看 出:随着 C O /H : 比的增大 , 燃料涡的 D二值先增大 后缓慢降低 �与同流量下的天然气流场相比, 合成 气流场内燃料涡的 D 二值较小 �由图 4(b)可以看出 , 随着 C O /H Z 比的增加:燃料涡的 D �值也是先增大 后减小 �在低 c o /H : 比时 , 合成气流场内燃料涡的 D �值要高于天然气流场 � 11 期 葛 冰等:C O /H Z 变化对合成气旋流燃烧火焰流动结构的影响 19 7 1 ��之严严 二二 二 ;余娜 i{J;� 二二 日口�未��撬撬口目匕�卜 X/ m m X/ m m (a) C H ; �� 葬寥;;; ��二l雳耀翻膨麟黔{{{ 又已任 空气涡��羹豪��孰孰�黔份黔鳄�法奈弄;丁戳蔽 ��日日/卜 X/ m m 燃料涡 X/ m m (b)C O /H := 0刀3 冬冬I___ 又已日 on0�nUO八UC�O no八门z丈U亡41,�,�l 日日�卜 一10 X/ m m X/ m m (e) C O /H Z = l,00 80604070503020100 日日\卜 澎厂�知沐秘 护备一气 ~ � � :橄娜喇币一� 一]02 0 4 0 6 0 8 0 10 0 X/ m m 12 0 14 0 16 0 肛�昨吐滋淋跳胜昨艇吐醉勺卜--l 45765231 已日�卜 图 3 不同 C O /H Z F ig . 3 T 卜ze v e e to r X/ m m (d)C O /H := 2.5 下合成气燃烧火焰的流线图与矢量分布图 a n d s tre a m lin es P lo ts o f s w irlin g fl a m e s 0 3 0 (((b))) 八八 ���ddd \ /// \\\一一 中心回流区是旋流燃烧研究中的一个重点 �由 图 3(c )可以看出 , 旋流燃烧流场中心回流区的边界 可通过流场的矢量分布图标出 �定义回流区内边界 与喷嘴轴线的距离为 5 1, 外边界与喷嘴的距离为 So , 由此可得不同 C O /H : 下的回流区边界曲线 �由图 5(a) 可知 , 随着 x 的增加 , si 先增大后减小 , 合成气 流场内的 51值要高于天然气流场 �由图 5(b) 可知 , 随着 x 的增加 , 叹, 先增大后略有减小 , 合成气流场 内的 So 值与天然气流场很相近 � 图 6 为不同 C O /H : 下流场不同界面上的轴向 ��曰02,�0八U �口�自伙 (((a) C H �� ///// 仪仪狂\\\�q�省 0 .1 5 仓�哈 3 4 C O /H Z C O /H Z 图 4 不同 C O /H Z 下燃料涡中心位置变化曲线图 F ig . 4 T h e lo ea t io n v ar ia t io n o f th e in n er v o rt 以 fo r d iffe re n t C O /H Zm ole ra tios 19 72 工 程 热 物 理 学 报 32 卷 速度分布图�由图可以看出: 轴向平均速度最大值 出现在喷嘴中心轴线处 , 轴线两侧还会有个小的峰 值; 随着 C O /H :增加 , 轴向平均速度最大峰值不断 增加 , 轴侧峰值大小基本不变;随着与喷嘴表面距离 的增大 , 最大轴向平均速度不断减小 , 轴侧峰值与轴 线距离不断增大 � 产产产 ----日卜一C O /H Z0 4000一一 C O /H l 0 7 333厂厂厂.自\讨r�nU��一���n�老�几��,,饰乙,�1-1.�U..,.n八曰曰nU�11�Cll�n�自己\万 X/ D � (a) Inn er boun dary X/ D : (b) o ut er boundary 图 5 不同 C O /H Z 下逆流区边界曲线 F ig . 5 T h e p lo ts o f re e ir eu la tin g z o n e b o u n d a ry \s日�乙 � C O / H Z 0 .40 � C O / H Z � .0 0 � C O / H 2 2石0 - - 一 C H � C O /H Z 0 4 0 C O /H Z 1.0 0 C O /H 2 2石0 C H � 40205030100 的\日\劫 一10 0 ]0 20 3 0 4 0 50 60 70 80 Y /r口们n (a)X/ D �= 05 ��.卜, 节剔 二 门 一10 0 10 2 0 30 40 50 60 7 0 80 Y/ rD 加 (b) X/ D := 0.75 n�0八UnnUCU��4肉J,�15 0 4 0 S�日\劫 � C O / H Z 0 .4 0 � C O / H Z 1 00 � C O / H 2 2石0 - 一 C H4 � C O /H Z 0 4 0 � C O /H Z 1 0 0 � C O / H Z 2 5 0 C 比 OC曰n�,,份乙-之日\匀 兰认10 2 0 3 0 4 0 50 60 70 80 y/ rnn l 一10 0 10 20 3 0 4 0 5 0 60 7 0 80Y/ �n m 图 6 F ig (e)X/ Da = 1.0 (d)X/ Da = 2刀 不同 C O /H Z 下流场不同界面上的轴向速度分布图 6 R a d ial P ro fi le s o f ax ia l ve lo e ity fo r d iffe r en t C O /H Z m ole ratios 3 结 论 本文利用 PI V 技术对合成气旋流扩散燃烧流场 进行实验研究, 对比分析了 C O /H Z变化对旋流火焰 流动结构的影响 , 并与同流量下的天然气燃烧流场 对比�通过不同 CO /H :下合成气的流场结果可知: 1) C O /H : 对回流区旋涡位置影响较大 , 随着 C O /H :增大 , 燃料涡与喷嘴表面距离先增大后缓慢 降低 , 与喷嘴轴线距离也是先增大后减小 � 2) C O /H :变化对合成气燃烧流场的逆流区边界 影响不大 � 3) C O /H :变化影响流场速度分布 , 随着 C O /H Z 增大流场轴向平均速度最大峰值不断增加 , 轴侧峰 值大小基本不变 � 此外 , 由实验结果可知 , 与天然气流场相比, 合 成气燃烧流场燃料涡与喷嘴表面距离较小; 合成气 燃烧流场逆流区内边界 夙值较大 , 两者间的差异随 C O /H :增加而增加 � 参 考 文 献 �l] 徐纲 , 俞镇, 雷宇, 等.合成气燃气轮机燃烧室的试验研究 �J�, 中国电机工程学报, 2006 , 26(�一7): 100一105 X U G a n g , Y U B in , L E I � �1, et a l. E x p e rim e n t a l R e se ar e h on G as Tu rbine C om bustor fo r B urning Syngas �J�.pro- ceedings ofthe C SE E , 2006, 26(17): 100一105 �2�张永生, 穆克进, 张哲巅 ,等.不同空气和燃料旋流强度下合 成气稀释扩散火焰特性研究 [s] .中国电机工程学报, 20 09 , 29(2): 63一8 Z H A N G Yo n gsh eng , M U K ej in , Z H A N G Z hed ia n , et al- R e s ea r eh o n S y n g as D ilu t ed D iff u s e F la m e C h a r a et er is- ties U nder D iffe rent Sw irling Intensity of A ir and Fu el !J�. proceedings ofthe C SEE , 2009, 29(2): 63一65 �3} C as arsa L , M ieheli D , pediroda V , et al. Inve stigat ions o f P y ro ly s is S y n g as S w ir l F la m e s in a C o m b u st o r M o d e l �C �// p roeeedings of A SM E Tu rboE xpo 2009 , o rlando, F lo rid a , U S A : G T Z O 0 9一5 9 6 10 , 2 0 0 9 [4 �H as egaw a T , Sato M , N a喻 a T A Study of C om bustion C harac teristies of G as ified C oal Fu el IJ�. A SM E Journal o f E n g in e e rin g fo r G as 压�lrb in e s a n d P o w e r, 2 0 0 1 , 12 3 : 2 2 一3 2 �5� G E Bing , ZA N G Shusheng, G U X in. Experim ental Stu- d y o n Ve lo e ity C h a r a e ter is tie l) is trib u tio n in N o n一P r e- m ixed C ireular一D ise Stabilized F lam es {R �.A SM E paper,G T Z O O 7一2 7 0 9 8 , 2 0 0 7 [6} B raz a M , perrina R , H oar au Y .Tu rbulenee p roperties in the C ylinder W 目ke at H igh R eynolds N um bers �J�.J of F lu is a n d S t ru , 2 0 0 6 , 2 2 : 7 5 7一7 7 - �7� Perrin R , B raza M , C id E , et al N ear一�vake Tu rbulenee P ro P er tie s in th e H ig h R e y n o ld s N u m b e r In e o m P re ss ib le F lo w A ro u n d a C ire u la r C y lin d e r M e as u r e d b y T wo- A n d T hree一C om ponent p IV �J{. F low Tu rbulenee C om bust, 2 0 0 6 . 7 7 : 1 8 5 一2 0 4