搜档网
当前位置:搜档网 › 合成气预混燃烧回火特性的实验研究

合成气预混燃烧回火特性的实验研究

中国工程热物理学会燃烧学

学术会议论文编号:084297 合成气预混燃烧回火特性的实验研究宋权斌1,2房爱兵1徐纲1徐燕骥1黄伟光1

(1.中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所)2.中国科学院研究生院 北京 100080)

Tel: 010-******** E-mail: sqb@https://www.sodocs.net/doc/8914423434.html,

摘要:稀态预混燃烧技术可以兼顾NOx和CO的排放指标,已经成为各大燃气轮机公司大力研发的重点之一。将稀态燃料预混技术用于富氢合成气燃烧还需要解决热声振荡、回火、自动点火和贫态吹熄等技术难题。本文通过实验,测试和分析了各种组分模拟合成气在不同结构模型燃烧室中的回火特性,观测到在模拟合成气热值相同时,氢气含量越高,临界回火当量比越小,越容易回火。喷嘴结构的改变对回火特性有明显影响,完全回火发生时在动态压力的时域和频域上都有对应的特征。可以看出热声振荡越强烈,回火临界当量比越小,越容易回火,可以说热声振荡促进了回火。根据丕雷数模型对实验数据进行无量纲化分析,可以看出热声振荡使得回火数据点比较散乱,基本不成线性关系;而没有热声振荡或极其轻微时,其回火数据则基本成线性关系,可以用皮雷数模型表示。

关键词:回火热声振荡合成气预混燃烧皮雷数模型

1 引言

“煤的综合利用和洁净燃烧技术”是当前各工业发达国家十分重视的研究领域。我国在“十五”计划纲要和国家中长期发展规划中,明确提出了优化能源结构和清洁利用煤炭资源的战略,并把IGCC和以IGCC技术为核心的煤炭多联产技术作为重要发展方向。富氢合成气燃气轮机燃烧室技术是IGCC和联产这两大洁净煤技术发展方向的核心技术之一。富氢合成气的绝热火焰温度比天然气高,如果直接采用传统的扩散燃烧技术,会产生大量的热NOx。工程热物理研究所采用水蒸汽稀释合成气扩散燃烧的燃气轮机NOx排放达到119mg/Nm3,难以满足未来更加严格的排放标准。稀态预混燃烧技术可以兼顾NOx和CO的排放指标,可以改善燃烧室出口温度场品质。如今已经成为各大燃气轮机公司大力研发的重点之一。将稀态燃料预混技术用于富氢合成气燃烧有很多技术难点,如热声振荡、回火、自动点火、贫态吹熄等还有待解决。

针对回火问题国外已有学者进行了大量的实验研究。Plee和Mellor[1]对预混燃烧和预混预蒸发燃烧进行研究,总结了四种可能的回火机理。Jassin Fritz、Martin Kroner和Thomas Sattelmayer等[2,3,4]对旋流火焰的回火现象进行了研究,发现旋流火焰回火发生在中心流而不是边界层。中心流回火的条件是中心流的速度首先降下来,是燃烧诱发的旋涡破碎(Combustion Induced V ortex Breakdown CIVB)导致中心流速度下降,因此作者认为CIVB是旋流回火的主要原因,通过对相关参数对回火极限的影响,成功的用丕雷数模型表示了回火极限,这对研究旋流火焰的回火问题提供了一套很好的研究方法和思路。但是这些文献的研究主要是针对碳氢燃料或碳氢燃料和氢气混合物的回火特性,为深入研究富氢合成气的回火特性,田颖等[5]先对甲烷的回火特性进行实验和数值模拟研

资助项目:国家重点基础研究发展计划(No.2007CB210106)

究,找到适宜进行回火计算的数值模型,并采用同样的方法研究了富氢合成气的回火特性,成功的用丕雷数模型表示了多种结构燃烧室的回火极限。所以,本文通过实验,测试和分析了各种组分模拟合成气在不同结构模型燃烧室中的回火特性,希望为进一步合成气预混燃烧室的设计提供一些经验和指导。

2 实验装置和实验方法

2.1 模型燃烧室常压实验台

PMT

图1 模型燃烧室常压实验台的基本设施图

模型燃烧室常压实验台的基本设施如图1所示,主要包括模型燃烧室、动态火焰发光和动态压力测量系统、模拟合成气供给系统、压缩空气供给系统、氮气清吹系统和烟气分析系统(图中没有标出)等。压气机供给的压缩空气在电加热器中被加热,温度可以在100~350℃之间调节。一氧化碳、氢气和氮气由高压气瓶供给,通过流量控制器控制流量,经汇流排混合后供给系统不同组分的模拟合成气。燃烧室出口的烟气通过导管送到燃气分析仪进行实时成分分析。氮气经过一个控制阀和浮子流量计后进入扩散燃料通道,在预混燃烧时使得扩散燃烧燃料通道中充满惰性气体氮气,保证了燃烧的安全。在该实验台上,可以进行扩散燃烧实验或预混燃烧实验并可以随时切换,可以进行蒸汽稀释或氮气稀释的燃烧实验,除合成气外还可以进行甲烷、丙烷等气态燃料的燃烧实验等。实验台系统实验能力参数:空气量300L/min ,氮气、一氧化碳和氮气流量为50 L/min ,蒸汽量120g/min ,燃烧室入口绝对压力0.1MPa ,燃烧室入口空气温度可达270℃。

2.2 模型燃烧室

模型燃烧室主要由喷嘴(Burner )和燃烧室筒体(Chamber )两部分构成。燃烧室筒体有两种型号,分别标记为Ⅰ型和Ⅱ型。燃烧室筒体Ⅰ的横截面为68φmm 的圆形,长度约为240mm ,壁面为普通碳钢,中下部有段长度为60mm 的光学通透石英窗,石

英窗的下缘与喷嘴的出口位置持平。燃烧室筒体壁面上设计有引压管,引压管位于旋流

火焰的上游和下游。燃烧室筒体Ⅱ的横截面为120120×mm 2的正方形,

长度为280mm ,壁面为双层冷却水套。在燃烧室的左右两侧,对称镶嵌着密封滑块,滑块上设计了传感器的安装座,传感器可以随滑块沿轴向连续滑动。在燃烧室筒体的前后两侧,对称镶嵌

着光学通透石英窗(mm 2的矩形)

,可进行火焰的光学诊断。燃烧室出口为圆形收缩段,带冷却水套。

12008×

图2模型燃烧室筒体Ⅰ的照片 图3模型燃烧室筒体Ⅱ的照片图4 单旋流喷嘴 喷嘴结构如图4所示,在进行扩散燃烧实验时,燃料气预混路关闭,燃料气经过燃料扩散气路直径4mm 小孔喷入燃烧室,空气经过旋流器进入燃烧室形成回流区。在进行预混燃烧实验时,燃料气经过燃料气预混路由周向均匀布置的16个直径1mm 小孔垂直喷入空气路形成预混气,预混气经过旋流器进入燃烧室。旋流器布置在喷嘴的最外层通道内,叶片安装角为45度,旋流数约为0.94。旋流器出口端面和喷嘴出口端面的距离L 可以调节,本文实验选做了37mm 和17mm 两种情况作比较。这样,如表1所示,根据燃烧室筒体和L 的不同,组合成四种结构燃烧室1~4。

燃烧室1燃烧室2燃烧室3燃烧室4 燃烧室筒体 Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ

距离L (毫米) 17 37 17 37

表1 四种结构模型燃烧室

2.3 测试设备和方法

流量的测量和控制使用气体质量流量控制器(Mass Flow Controller ,MFC )。MFC 是七星华创生产的D07-9C/ZM 型,具有精度高、重复性好、便于与计算机联接实现自动控制等特点,MFC 可以直接控制和测量空气、H 2/CO/N 2的流量,MFC 的量程分为为50、200、250 升/分钟,精度为测量值的±2%,重复精度为±0.2%。温度信号、压力信号和MFC 的流量检测信号都被送到SCXI 的信号调理模块,调理后的信号被传输到计算机进行存储和显示;CO 、H 2和N 2流量的设定值由计算机输入,经SCXI 的控制模块将命令发送到MFC 进行流量控制。

2.4 实验方案设置与实验工况控制参数

体积百分数

序号氢气/一氧化碳体积比

H2 CO N2

8.78

0.00

1 100/0

91.22

10.36

8.96

80.68

2 90/10

11.88

17.62

3 80/20

70.49

13.36

25.99

60.65

4 70/30

14.78

34.09

51.13

5 60/40

16.16

41.92

6 50/50

41.92

49.50

17.50

33.00

7 40/60

表2 7种模拟合成气

实验条件是室温20℃,1atm,30% humidity。使用7种模拟合成气(如表2所示),

所以合成气具有相同的低位热值9.8MJ/ Nm3,气体的总流量保持200升/分钟。在进行

预混燃烧实验时,燃料气经过燃料气预混路由周向均匀布置的小孔垂直喷入空气路形成

预混气,预混气经过旋流器进入燃烧室筒体内。为了点火的安全和方便,先用扩散燃烧

完成点火过程,手动控制燃料和空气的流量到一适合的当量比(0.3~0.4),然后保持燃

料流量和空气流量恒定,逐渐打开燃料气预混路的调节阀,同时逐渐关闭燃料气扩散路

的调节阀,最后完成扩散燃烧和预混燃烧的切换过程。从一个适当的当量比开始,当量

比按照每秒0.002的速度增加(燃料逐渐增加,空气流量逐渐减少,保持总流量不变),

数据采集系统实时采集动态压力信号、动态火焰发光强度信号、实际的气体流量,并进

行实时的分析处理,如计算出当量比和实时功率谱分析。随着当量比的增加,火焰的长

度逐渐变短,火焰的锥形张角逐渐减小,最后到达临界当量比,火焰瞬间进入喷嘴中,

产生完全回火。当量比最大增加到0.85左右,主要是当量比太高,可能损坏燃烧器和

喷嘴,同时一般实际应用中是贫燃料预混燃烧,当量比不会特别高。

3 实验结果和讨论

3.1 实验现象描述

对于燃烧室1和燃烧室2,实验过程中某些状态产生很强烈的嗡嗡声(buzz),表现

出很强的热声振荡,而且随着当量比增加,声音可能增强;但到一定程度又会突然减弱

甚至消失。而完全的回火过程则可能发生在有强烈热声振荡的时候,而有时则发生在无

热声振荡或弱热声振荡的燃烧平稳期。在产生强烈热声振荡时,动态压力振幅很大,同

时观察到火焰也在振荡,不能看到连续清晰的火焰面(而平稳燃烧时能够看到),化学

发光的动态数据也可以验证这一点。对于燃烧室3和燃烧室4,燃烧一直比较平稳,

包括发生完全回火时,动态压力的振幅都佷小,没有听到强烈的低频嗡嗡声(buzz)。

图5表示了总流量固定、当量比连续增加时回火过程火焰形状变化的照片和示意

图。实验中观察到,随着当量比增加,火焰变短,同时逐渐有一部分的火焰根部沿着中

心体壁面进入喷嘴中,产生部分回火,如图5b和5c所示;随着当量比继续增加到某一

临界值Φc时,火焰突然全部进入喷嘴通道中,产生完全回火,如5d所示。对于完全回

火现象的判断,一是通过观察,看到火焰突然全部进入喷嘴通道中;另一方面,完全回火发生时在动态压力和动态热释放的时域和频域上都有对应的特征,这在文献[6]中有更深入的分析。由于本实验装置没有配置相关的设备来测量和研究部分回火,所以本文重点研究快速发生的完全回火现象。下面除特殊指明外,本文所提回火都是指这种快速发生的完全回火。

a. 没有回火

b. 部分回火

c. 部分回火

d. 完全回火

图5 回火过程火焰形状变化照片和示意图 3.2 完全回火临界当量比分析

四种燃烧室的临界当量比Φc 数据列在表3中,同时图6中。Comb1是燃烧室1三次测试结果(三次的测试结果还将在下面讨论)的平均,Comb2的是燃烧室2两次测试结果的平均。Comb3和Comb 4是燃烧室3和4一次实验的结果,这是因为对他们的某些工况重复测试,结果具有很好的重复性,所以没有全部重复测试。

合成气序号 Comb1Comb2Comb3Comb4

1

0.412 0.418 0.465 0.379 2

0.493 0.476 0.537 0.421 3

0.543 0.514 0.564 0.481 4

0.6 0.561 0.636 0.492 5

0.679 0.614 0.734 0.592 6

>0.8 0.71 >0.8 0.64 7 >0.8 >0.8 >0.8 0.829

表3 完全回火临界当量比 Φc

从表和图中可以看出:1、在模拟合成气的热值相同时,氢气含量对回火特性有明显的影响:氢气含量越高,临界回火当量比越小,即越容易回火;2、喷嘴结构的改变对回火特性有明显影响,L 从17mm 变到37mm ,就使得回火更容易发生。而L 对回火特性影响的规律和机理,还需要进一步的实验和理论分析;3、燃烧室筒体的改变,对于L 从17mm 和37mm 的燃烧室特性的影响效果却是相反的。当L 为17mm 时,筒体Ⅰ的燃烧室更加容易回火,对于L 为37mm 时候,筒体Ⅰ的燃烧室却更加不容易回火,目前还不能解释这一现象,还需要更多的实验和机理分析,去总结出哪些参数的改变可

以改善或恶化燃烧稳定性或回火特性。

30.040.050.060.070.080.090.0100.0

H2 Percentage

0.40

0.60

0.80E q u i v a l e n t R a t i o

图6 完全回火临界当量比 Φc

6.52 6.56 6.60 6.64 6.68 6.72 6.76 6.80

log PeJ 2.00

2.50

3.003.50

4.00

4.50l o g P e F

图7 完全回火临界点丕雷数

将表3和图6中的计算和实验得到的回火曲线进行无量纲化得到无量纲函数表示的回火关系见图7所示。图中的横、纵坐标分别表示基于来流速度的丕雷数(Peclet

Number)和基于火焰传播速度的丕雷数(Peclet Number)。根据Putnam [7]回火稳定极限

的Peclet 数模型,对于一定的燃烧器回火(熄火)时其参数间有如下关系:

2F J CPe Pe = (1)

式中

α/d u Pe J = (2)

表示回火(熄火)时基于来流平均速度的丕雷数,u 表示回火(熄火)时来流的平均速度,d 表示燃烧器特征尺寸,本文取旋流器后预混燃料环形通道的环缝距离。a 表示混合物的热扩散系数P C a ρλ/=,表示为一常数。

C α/d S Pe L F = (3)

F Pe 表示基于混合物层流火焰传播速度的丕雷数,表示混合物的层流火焰传播速度,d 和a 同(2)式。Peclet 数模型可以根据燃烧相似的邓侃勒(Damkohler)第一准则得到:

L S c f I D ττ/= (4) 式中 u d f /=τ表示特征流动时间,2L L L

c S a S ==δτ表示特征化学反应时间,L

δ表示层流火焰的厚度,表示层流火焰传播速度。因此燃烧的Peclet 数模型可以解释为燃烧相似。

L S 将测得的回火极限表示为图7中的log Pe J ~log Pe F 的函数关系,曲线的左上方为回火区,右下方为稳定区。从图中可以看出,对于方形燃烧筒Ⅱ的燃烧室3和4,log Pe J 和log Pe F 基本成线性关系(考虑到测试误差和层流火焰速度计算误差),可以拟合成两条直线,直线斜率基本相等。L 为17mm 的燃烧室比37mm 的燃烧室更易于回火,回火稳定性更好。对于圆形燃烧筒Ⅰ的燃烧室1和2,log Pe J 和log Pe F 不成线性关系,尤其是纯氢气(没有一氧化碳)火焰的临界回火当量比偏离线性较多。分析认为这主要是由于燃烧室1和2中产生了强烈的热声振荡,对燃烧室的回火特性产生了影响。下面对燃烧室1的回火特性三次重复测试的结果进行一个比较分析。

50.060.070.080.090.0100.0

H2 Percentage

0.40

0.60

0.80

C r i t i c a l E q u i v a l e n t R a t i o

图8燃烧室1完全回火临界当量比 Φc 图8 是燃烧室1的临界回火当量比Φc 在实验条件和实验过程基本相同的条件下,不同时间测试三次的结果。可以看出三次的结果并不一致,相差较大。将三次测得的回火极限表示图9的log Pe J ~log Pe F 图上,可以看出三次结果的点比较散乱,基本不成线性关系。这一方面说明临界回火当量比应当是一个范围,而不是一个确定的数;另一方面,通过分析可以看出动态压力和临界回火当量比的对应关系,说明热声振荡对回火有明显的影响。

6.52 6.56 6.60 6.64 6.68 6.72 6.76 6.80

log PeJ

2.00

2.50

3.003.50

4.00

4.50

l o g P e F

图9 完全回火临界点丕雷数 3.3 完全回火临界当量比与热声振荡

图10对三次测试(使用5号合成气)的燃烧室动态压力的时域和频域分析(更详

细的分析方法见文献[6],其主要使用的是4号合成气的实验结果)

。三列对应着三次测试的结果。10A 是当量比随时间的变化曲线,并标出了回火时的当量比。10B 是动态压力P2随时间的变化曲线,可以看到动态压力的幅值的变化。10C 是每秒的动态压力P2的均方根值随时间的变化曲线,反应了每个时刻热声振荡的平均幅值。10D 是动态压力P2的连续功率谱图。从图10可以看出产生完全回火时,动态压力时域图、频域图和均分根值图都有相应的突变,据此也可以准确的判断回火时刻点,而不完全是靠观察。对比三次测试回火点的动态压力和当量比,可以看出第一次和第二次测试回火时热声振荡比较轻微,回火临界当量比接近,热声振荡略大时回火的临界当量比略低;而第三次测试回火时有强烈的热声振荡,临界回火临界当量比则小得多。文献[6]分析的4号合成气的实验结果以及本文没有详细列出的2、3号合成气的实验结果,都表明回火时热声振荡越强烈,越容易回火,临界回火临界当量比则越低,即热声振荡促进了回火。而在某个确定的当量比时热声振荡的大小可能不同,这个跟运行的过程和初始条件的些微差异有关,如切换的初始状态、均匀增加当量比时的初始值、喷嘴的温度、燃烧室的壁温、控制阀的动作等。因为三次实验的条件基本相同,所以热声振荡的产生或消失及强度的大小有一定的随机性,相应的临界回火当量比也就不是一个常数。从以上分析可以看出,由于热声振荡的的产生、增强或减弱、消失都具有不确定性,使得回火的发生具有不确定性。如果在没有热声振荡时测得回火极限,并留下回火裕度,在现场实际复杂的环境下,极有可能因为产生一定强度的热声振荡,而导致完全回火。一旦进入回火状态,振荡的模式可能立即改变,而回火的工况是一个相对稳定的工况,其他参数的微量调整很

难让其迅速回到正常燃烧状态,机组的安全性也就得不到保障。

A1 A2 A3

B1 B2 B3

C1 C2 C3

D1 D2 D3

图10 三次测试的动态压力分析

4 结论

各种不同组分模拟合成气在不同结构模型燃烧室内预混燃烧的实验中,随着当量比

增加,观察到预混燃烧火焰变短,张角变小,火焰根部逐渐沿着中心体壁面进入喷嘴通

道内产生部分回火,随着当量比继续增加到某一临界值时,火焰突然全部进入喷嘴通道

中,产生完全回火。在模拟合成气热值相同时,氢气含量越高,临界回火当量比越小,

即越容易回火。喷嘴结构的改变对回火特性有明显影响,其影响规律还需要进一步的实

验和分析。完全回火发生时在动态压力的时域和频域上都有对应的特征,可以看出热声

振荡越强烈,回火临界当量比越小,越容易回火,也就是说热声振荡促进了回火。由于

热声振荡的产生或消失及强度的大小有一定的随机性,相应的临界回火当量比也就不是一个常数而是一个区间。根据丕雷数模型对实验数据进行无量纲化分析,可以看出热声振荡使得回火数据点比较散乱,基本不成线性关系;而没有热声振荡或极其轻微时,其回火数据成线性关系,可以用皮雷数模型表示。总之,合成气的预混燃烧中存在着热声振荡和回火问题,需要更多的实验测试和理论分析来进一步掌握其规律和控制方法,才可能将该技术应用于实际的燃气轮机。

参考文献

[1]S.L. Plee, A.M. Mellor, Review of Flashback Reported in Prevaporizing/Premixing Combustors,

Combustion and Flame, 1978, V ol.32:P193-203

[2]Jassin Fritz, Martin Kroner, Thomas Sattelmayer, Flashback in a Swirl Burner with Cylindrical

Premixing Zone, Proceedings of ASME TURBO EXPO 2001, 2001-GT-005

[3]Martin Kroner, Jassin Fritz, Thomas Sattelmayer, Flashback Limits for Combustion Induced V ortex

Breakdown in a Swirl Burner, Proceedings of ASME TURBO EXPO 2002, GT-2002-30075

[4]Frank Kieseweter, Christoph Hirsch, Jassin Fritz, Martin Kroner, Thomas Sattelmayer,

Two-Dimensional Flashback Simulation in Strongly Swirling Flows, Proceedings of ASME TURBO EXPO 2002, GT-2003-38395

[5]田颖,徐纲,宋权斌等,贫燃料预混燃烧的回火特性研究,工程热物理学报,2006.9

[6]Quanbin Song, Aibin Fang, Gang Xu, Yanji Xu, Weiguang Huang, Dynamic And Flashback

Characteristics Of The Syngas Premixed Swirling Combustors, ASME GT2008-50752, June 9-13, 2008, Berlin, Germany

[7]Putnam,A.A. and Jensen,R.A.. “Application of Dimensionless Numbers to FlashBack and Other

Combustion Phenomena”.Third Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena,

1949:P89-98, The Combustion Institute

相关主题