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预混燃烧DOC
一、
预混燃烧的基本介绍
1.贫燃预混燃烧的介绍
贫燃预混燃烧是在保证燃料充分燃烧的情况下,增大空气的供给量,从而降低燃烧
室的温度,满足较低的污染物排放标准(可以做到低NOx的排放)。
但是与常规的扩散燃烧技术相比,贫燃预混燃烧是在偏离正常化学当量比下进行的,这就会产生燃烧的不稳定性(主要包括回火以及振荡燃烧),严重阻碍了贫燃预混燃烧技术的发展。
维持贫燃预混燃烧室内的正常燃烧,其关键就在于避免火焰的吹熄与振荡燃烧。
火焰吹熄现象是因为燃烧室内当量比被控制在接近贫燃熄火极限,以便尽量降低火焰温度以及的排放,而在这种燃烧状况下,火焰传播速度很低,在相对高速的火焰流场中,会导致火焰的熄灭现象,这种现象发生的时间很短,被称为静态不稳定。
因此要避免火焰吹熄,维持预混火焰的稳定燃烧,关键就在于保持火焰燃烧速度与流场速度的平衡,可从以下两种方法着手:
①提高燃烧速度;②降低燃气供给速度。
提高燃烧速度可使用端流产生器提高火焰瑞流强度,而降低燃气平均速度可以通过减少燃气供给做到,但是燃机的总效率也会下降,通常采用在燃烧室内安装钝体稳焰器或在燃烧室避免加工凹槽形成局部低速区域,使火焰燃烧速率与流场速率均衡,以便维持火焰的燃烧。
另外除上述方法外,旋流因为其特殊的流动特性,也常用于稳定湍流火焰。
预混燃烧的不稳定受燃料种类、进气温度、燃料一空气过量空气系数、燃烧室几何参数、燃烧室温度以及压力等众多参数的影响。
按压力振荡频率可将燃烧不稳定分为:
低频振荡、中频振荡、高频振荡。
按照压力振荡涉及的燃烧系统部件可以将其定义为三类:
燃烧系统不稳定、燃烧室腔体不稳定以及固有燃烧不稳定。
根据燃烧系统内不同扰动间的相互关系,可将燃烧不稳定分为受迫燃烧不稳
定和自激燃烧不稳定,也可称为受迫振荡和自激振荡。
二、国内外研究现状及进展
Lieuwen等人对预混燃烧室内的燃烧不稳定性进行了理论和实验研宄,将预混燃烧室分为进口区域、燃烧区域以及燃烧产物区域三个部分,用“完全撞拌反应器”模型(WSR)对当量比波动引起燃烧热释放波动的机理进行了描述和分析。
Hirsch等人对旋流预混燃烧进行了研究并建立了火焰模型,流场模型结果如图1所示,将涡方程加入到火焰模型中,提出了一种新的预混旋流火焰的火焰传递函数描述方法,可以描述不同类型旋流燃烧室传热规律,并解释了热释放脉动与速度脉动间的关系。
Russ等人对预混旋流燃烧的火焰模型进行了研究,分析了燃气温度、燃气混合当量比波动以及燃烧室压力脉动等因素与燃烧热释放脉动之间的关系,提出了稳定燃烧的范围。
Cohen和Anderson以贫燃预混燃烧室为对象进行了实验研究。
研究发现:
预混气体当量比接近贫燃熄火极限时容易产生燃烧不稳定现象,对火焰的纹影图像发现此时火焰出现间歇性脉动,且脉动尺度较大。
另外还发现,流场中旋润会在轴向发生周期性脱落,导致燃烧不稳定的产生,且随当量比的减小,燃烧不稳定性加剧。
KTKim研究了贫燃预混旋流燃烧室(如图2所示)中瑞流火焰对进气速度的动态响应,建立火焰模型对不稳定燃烧进行了分析,预测了对应燃烧室热声振荡频率范围为220Hz和350Hz。
图2贫燃预混旋流燃烧室示意图
LeeHJ等人分别研究了燃烧室长度、当量比燃料喷射位置等对热声振荡特性的影响规律,研宄表明预混段长度对燃烧热释放强度影响很大,但是对声压脉动与速度脉动之间的相位关系影响不大,对压力信号及CH信号的分析处理确认了不稳定性机理的耦合。
J.C.Broda,S.Seo等人对预混旋流燃烧器(如图3所示)进行了不同条件下的实验研究,研究表明燃烧热释放脉动与压力振荡存在某种联系,可能是导致燃烧不稳定的原因。
图3实验装置示意图
Hardalupas等研究了预混气当量比以及预混效果对燃烧不稳定性的影响规律,实验发现火焰基部化学当量比波动幅度很大,范围从0.2-1.8波动。
Meier和Stopper等采用天然气为燃料对贫燃预混燃烧进行了实验研究,从不同当量比、燃烧热功率、燃烧室压力等条件进行研究,通过PIV技术观测到在剪切层层存在有不同尺寸的旋祸,并通过OH-PLIF手段对火焰面形状、位置进行分析,研究表明燃烧中主要过程在剪切层进行,反应区域受流场参数的影响,表明热声振荡燃烧时燃烧热释放脉动与预混气当量比、燃烧室压力、进气速度等参数的脉动有一定联系。
Barlow等对贫燃料预混条件下的燃烧特性进行了研究,研究表明控制空气与燃料的掺混比例可以有效调节燃烧温度,从而可以控制热力型NOx的形成,但是降低温度的同时又会增加CO的产生,温度控制1670K-1900K在左右时,NOx和CO的排放都比较低。
OTuncer等人以常压下的预混旋流燃烧室为研究对象,对冷态流场与火焰稳定间的关系以及贫燃媳火极限与当量比之间的关系进行了实验研宄,实验过程旋流数为0.74,研究发现,冷态流场也出现了中心回流区,表明反应流场与非反应流场具有相似性。
另外在接近贫燃极限,熄火-再燃的过程持续发生。
曹红加对预混火焰燃烧不稳定特性及其控制技术进行了研究(如图4),研究表明燃烧不稳定特性与预混燃气当量比有相当大的关系压力振荡的特征频率随当量比的增大而减小;而燃烧不稳定特性与进气流量的关系较为复杂,燃烧室内的平均压力对压力振荡的特征频率也有较大大的影响其特征频率随燃烧室平均压力的增大而减小。
图4实验装置和测量系统简图
李国能以Rijke预混燃烧器为实验研究对象进行了实验研究,研究表明预混气当量比对热声不稳定特性有重要影响,表明贫氧条件条更容易激发燃烧不稳定问题。
赵震等人对模型燃烧室在贫油预混条件下的燃烧不稳定性进行了实验研究。
实验主要研究了预混气当量比、喷射速度及燃烧室出口面积等因素对不稳定燃烧的频率和幅值的影响。
实验表明:
在很宽的当量比和速度范围内,均出现了燃烧不稳定现象,压力振荡的频率集中在之间;且随着预混气速度的增加,频率和幅值都随之增加;而随燃烧室出口面积的减小,压力振荡幅值增加而频率却随之减小。
郭志辉,王帅等人研究了常温和常压条件下贫燃预混燃烧的不稳定性,研究表明,随当量比的提高,燃烧经历了从稳定到不稳定的状态,并达到有限循环脉动状态。
流动脉动和火焰的相互稱合作用是激发和维持自激振荡燃烧的主要原因。
柳伟杰等人通过实验和数值模拟的方法研究了甲烷/空气预混低旋流燃烧的流场结构及当量比对甲焼低旋流燃烧的影响,研究表明,甲烧空气预混低旋流气流在喷嘴出口处扩张,形成有利于燃烧稳定的低速区;预混火焰“悬浮”于喷嘴上方。
刘联胜,李志勇等人利用噪声分析仪对预混燃烧的热声振荡进行了声场分析,实验结果表明预混气的组分浓度变化是火焰低频振荡产生的主要原因。
三、实验系统
1.系统组成
实验系统流程如图5所示,主要由空气进气系统、燃料进气系统、点火系统、燃
烧系统、测量系统、数据采集系统组成。
图5贫燃预混旋流燃烧室实验装置示意图
空气和丙烧分别经过减压阀、流量计计量后通入到预混段进行混合,在旋流器的作用下混合均勾后通入到燃烧室内进行点火燃烧,同时开始各部分数据采集及记录,燃烧产生的产物经过喷管段后排放到室外。
2.燃烧室的设计
燃烧室设计主要内容包括:
预混及燃料喷射部分设计、主燃烧室设计以及燃烧室出口喷管设计。
其中预混管和主燃烧室都为圆筒形结构,且与旋流器、中心钝体保持同心。
燃烧室中旋流器及预混段主要作用是使空气和燃烧充分预混,并在燃烧室入口处形成一个带有中心回流区和角回流区的稳定火焰。
为方便观测火焰形态变化,以及PIV观测流场,部分预混段和主燃烧室采用耐高温的石英玻璃制作,承受温度可达1300C,基本满足实验需要。
在燃烧室侧壁为压力传感器接口测量燃烧室内动态压力信号,以及两支热电偶,测量燃烧火焰温度变化。
2.1预混及燃料喷射部分
预混组件主要是为燃烧室提供充分预混的预混气,并以一定速度通入到燃烧室内点火燃烧,预混组件可分为燃料掺混,旋流器、音速喷嘴以及预混通道四个部分。
图6燃料喷射示意图
2.2旋流器
图7旋流器
3.参数测量系统
动态压力测量
燃烧压力测量方法是指测量燃烧室中压力随时间的变化并将测得的压力曲线经过分析处理,目前仍是预混瑞流燃烧研究领域中一种不可或缺的重要实验手段,燃烧内压力波动直接表征燃烧室的不稳定性,因此压力信号的采集至关重要。
图8压力测量结构
四、贫燃预混火焰形态及熄火极限分析
4.1火焰传播机理及火焰结构形态
气体燃料的燃烧根据燃烧前燃料和空气混合状态的不同和流动速度范围的不同,可以分为预混燃烧和扩散燃烧,层流火焰和溫流火焰。
传统的扩散燃烧方式,燃料燃烧所需要的氧化剂依靠空气扩散来提供,且燃料与空气的混合过程占据大部分燃烧时间,火焰面位于燃料与氧化剂的交界面上,燃烧较为缓慢,火焰温度很高,且稳定燃烧范围很宽。
与此不同,预混燃烧或部分预混燃烧方式为空气与燃料进入到燃烧室之前会进行部分预混或完全预混,部分预混火焰可分为两个部分:
内焰的预混火焰和外焰的扩散火焰。
经过部分预混的可燃气在内焰燃烧,剩余的未燃燃料则在外焰与外围空气进行燃烧。
随预混程度增加,内外焰体积和火焰也随之发生变化。
与层流火焰相比,由于湍流涡团脉动的影响,湍流火焰前锋不再光滑、规则,而是新鲜可燃气涡团、燃烧着的涡团与燃尽涡团交替存在着。
依然可以将火焰简单分为三个区域:
核心区域、燃烧区域以及燃尽区域,如图9所示。
核心区域内是新鲜的未参与反应的可燃预混气体;燃烧区即化学反应区,为可见的火焰前锋,可燃物大部分在此区域反应;剩余的可燃物在燃尽区域内被燃尽。
图9湍流火焰示意图
如图10所示,旋转射流的内外卷吸作用会使喷嘴出口处下游轴心位置的静压降低,在压差的作用下,会形成中心回流区。
其形成过程为:
当旋转射流进入筒状燃烧室时,形成空心的圆椎射流,存在内、外两个边界,外边界卷吸周围预混气体,而内边界抽吸下游高温烟气,产生回流。
回流的气体是燃烧后形成的高温产物,当新鲜预混燃气进入燃烧室时被回流的高温烟气加热,然后被点燃。
因此,可以利用此回流区作为持续点火源,使新鲜的预混可燃气体能够持续稳定的燃烧,起到稳焰的作用。
图10旋转射流流场示意图
图11旋流预混火焰图像与结构
旋流预混火焰也分为三个部分,如图11所示。
区域1为中心回流区,火焰颜色为蓝色,可用肉眼很明显的区分开来,左侧的黄色火焰的产生是向旋流火焰中投入细小的可燃物(如木块)用以观察回流区域;区域2为角回流区,位于中心回流区外侧下部的区域,火焰颜色呈更明亮的蓝色,火焰其余的部分为区域3。
而燃烧反应主要在中心回流区域1进行。
4.2当量比对火焰形态的影响
固定空气流量不变,调节燃料进气流量以达到改变预混气体当量比。
图12预混旋流火焰形态
第一幅图片中,当量比较小,火焰呈祸团状,隐约可见回流区轮廓,当量比继续增大到
时,明显出现回流区稳焰结构,在
时火焰图片中可以明显看到火焰有强烈的旋转,火焰为中空;继续增大当量比。
直至出现类似图11的结构,此时当量比为
,由图中可知回流区呈明亮的蓝色,上方区域由于高温显红色。
实验过程中当量比均小于1,可看出,在整个实验过程中,火焰均为蓝色,且燃烧过程无燃烧冒烟现象产生,火焰温度整体保持在较低的水平,说明燃气混合效果较好,且燃烧较为充分。
在增大当量比的过程中,燃烧火焰有如下变化:
1)当量比较低时,火焰传播速度较低,火焰很难维持在钝体周围,随当量比增加,火焰稳定性改善,能够稳定在钝体周围,且燃烧火焰变短,且火焰颜色越来越亮;继续增大当量比,火焰将维持在钝体周围,由于钝体的存在,燃烧室内未产生回火;
2)燃烧室内开始出现噪声,且随当量比的增大噪声加强,当量比增大到一定程度时,燃烧室内轰鸣的噪音己达到人耳难以忍受的程度,分贝值由62db增长到96db。
此时火焰很短,主要维持在钝体周围;
3)随当量比的增加,温度逐渐升高,温度未经福射修正,最高温度达1200C。
在当量比接近贫燃熄火极限时,继续减少燃料的供应,火焰变得极为狭长,完全脱离中心钝体,如图13所示。
此种现象仅在燃烧室长度足够的情况下产生.
图13接近贫燃熄火极限时火焰图像
4.2中心钝体的稳焰作用
钝体结构广泛用于航空发动机的加力燃烧室,用以提高火焰的稳定性,避免发生吹熄以及回火现象的发生。
中心钝体的存在扩大了旋流燃烧室的工作弹性,因为中心钝体能够阻止涡破碎诱发的回火,同时围绕钝体形成回流区。
所形成的回流区,一方面可以使回流的高温烟气加热未燃气体,另一方面可以提供一个局部的低速区,从而满足火焰稳定的流动条件。
图14安装钝体前后火焰形态
图15预混段回火过程示意图
在实验过程中,固定空气流量不变,加大燃料流量,会出现火焰向上游扩展到预混段,产生回火,然后新鲜预混气又被高温烟气继续点燃,火焰又回到燃烧室进口附近,整个过程在极短时间内完成,并依次反复,如图15所示。
第二篇:
平面激光诱导荧光技术(PLIF)作为一种非接触式激光光谱诊断技术逐渐发展起来。
PLIF技术具有信号强、光谱分辨率高、灵敏度高和抗干扰能力强等特点。
该燃烧诊断技术对燃烧过程没有干扰,其高精确度和高时空分辨率能够定量检测燃烧过程中燃烧中间产物二维组分聚集密度分布,同时,其形象直观的可视化图像能够可以有效的记录流场和火焰的瞬态结构,准确反映火焰结构和气动特性,为分析火焰燃烧中间过程产物的分布、燃烧火焰结构及了解火焰燃烧状况的影响组分提供依据。
激光诱导荧光技术是一个基于光谱分析的复杂技术。
荧光的发射取决于激发激光的不同细节(如波长、激光功率)等。
每个单独的激发过程都可能会导致不同的激发特性。
二、预混燃烧稳定性实验装置
2.1模拟燃气轮机单筒预混扩散燃烧实验系统
图1模拟燃气轮机单筒预混扩散燃烧实验系统示意图
图1为模拟燃气轮机单筒预混扩散燃烧实验系统示意图,该实验系统主要由平面激光诱导突光系统、燃烧模拟实验台、燃气空气供给系统、数据采集处理系统等组成,能够进行预混扩散燃烧实验,实现对火焰结构、燃烧稳定性以及燃烧中间产物OH基的检测诊断。
2.2预混火焰结构
图2不同当量比下层流预混火焰的结构
图2显示了燃料空气当量比变化下甲院与空气预混燃烧火焰的外焰和内锥的变化情况。
甲烷层流预混燃烧火焰的颜色和高度随着当量比而变化。
纯甲烷在预混空气的参与下燃烧产生单纯扩散火焰,由于灼热碳粒的发射而发淡蓝色光,如工况N-D1,该火焰内部稍暗、温度较低,燃烧区宽度最薄。
随着当量比变化,空气逐渐加入到甲烷燃烧中,如工况N-D2,火焰发光逐渐增强,蓝色区收缩,蓝紫色的外锥开始逐渐显现出来。
若再增加空气量,内外锥分别变得明显起来,内外锥分离,内锥呈蓝绿色,外锥蓝紫色加深。
继续增加空气量,当燃料空气当量比接近1时,燃烧速度加快,内外锥在气流作用下被拉长,发出青灰色亮光。
若继续增加空气量将会出现失稳,甚至将出现脱火及被吹熄的现象从而不能被点燃。
第三篇湍流预混火焰的实验研究方法及研究进展
由于预混燃烧火焰有助于控制反应区温度,从而大幅度降低产物中氮氧化物的排放量,提高燃烧效率,改善燃烧设备的热应力特性等优点,针对湍流预混火焰的研究已成为湍流燃烧领域的热点
1.预混湍流燃烧研究的主要实验研究方法介绍
目前关于预混火焰研究主要的实验方法有:
①压力测量方法;②火焰的可视化方法;③激光层析成像法;④离子探针法。
其中,火焰的可视化方法是利用可视化成像技术直接获得火焰信息的方法。
根据成像原理的不同,它又分为纹影法、阴影法和干涉法等。
燃烧压力测量方法是通过测量容弹中预混湍流燃烧压力随时间的变化,并通过将测得的压力曲线经过计算处理,以得到预混火焰的质量燃烧率、火焰半径、火焰燃烧速度以及传播速度等参数。
它是预混湍流燃烧实验研究方法中比较传统也是发展历史最早的实验方法,而且目前仍是预混湍流燃烧研究领域中一种不可或缺的重要实验手段。
激光层析成像法的原理是将颗粒极小的TiO2(或其他惰性物质)掺入可燃混合气中,当燃烧发生时,由于已燃区温度很高使得掺入颗粒的有效散射大大减小,因此可以通过掺入未燃区颗粒的米氏散射作用而将未燃区成像记录下来。
这种方法需配备高速摄像机与图像处理系统,可观察研究火焰前锋的细致结构,其空间分辨率可达0.2mm。
离子探针法根据离子探针的输出信号,可分为电压型和电流型2种,其工作原理是:
当火焰通过探针时,燃烧火焰中存在的离子与探针相碰,在相应的电路中便产生电压或电流信号,通过电压或电流信号即可获得预混火焰的特性信息。
其中,采用电压型离子探针时,须在探针传感器的根部和点火电极的外表面涂上绝缘层,从而避免干扰。
预混湍流燃烧的以上4种实验研究方法中,火焰的可视化方法和激光诊断技术是目前最先进最有效的研究方法。
而燃烧压力测量与火焰可视化技术并用,是目前国际上普遍常用的实验研究方法。
2预混湍流燃烧相关特性研究
2.1浮力效应对预混湍流火焰的影响
湍流预混火焰中的浮力效应有2方面:
①燃烧产物整体浮升,影响平均速度场和火焰的平均位置;②火焰前锋的褶皱和斜压性质引起气团翻转和小尺度漩涡,反过来影响火焰皱褶。
王岳等数值模拟研究了浮力对湍流预混V形火焰平均速度场的影响,吴晋湘等利用一种可产生离心力场的旋转燃烧室系统,实验研究了体积力场对预混火焰面的影响。
2.2多孔介质燃烧技术
多孔介质燃烧技术因为其独特的燃烧方式,具有燃烧效率高、稳定性能好、污染物排放少等优点。
目前,从多孔介质特性,到多孔介质的结构组织,到多孔介质中的燃烧过程都进行了大量的理论和实验研究。
王恩宇等分析了多孔介质中预混火焰的猝熄效应,试验测定了一系列工况下泡沫陶瓷的猝熄直径和自稳定范围,为多孔介质燃烧器的开发设计提供了依据。
吕兆华等通过对在多孔泡沫陶瓷中的甲烷/空气预混燃烧的燃速特性进行了实验研究,用一专用燃烧器(见图1)对2种材质不同孔径尺寸的多孔介质分别测定了它们的预混燃烧速率,研究了多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃烧速率问题。
图1一种多孔介质燃烧装置结构图
第四篇低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究
热值较低的可燃性气体燃烧面临着燃烧不稳定、燃烧效率偏低等问题。
国内外的研究学者常采用增加钝体和部分预混等方式,来增强煤层气与空气的混合效果,使之充分燃烧,进而提高燃烧效率。
Meier等对部分预混条件下的甲烷空气旋流燃烧火焰进行了实验研究。
Yan等对低热值气体在部分预混燃烧器的湍流燃烧进行了实验研究。
1 旋流燃烧器的设计
根据低甲烷浓度煤层气的特点,燃烧器的结构采用部分预混式旋流燃烧器,不仅可以有效提高低甲烷浓度煤层气的燃烧效率,还可以增加火焰的刚度。
燃烧器主要由燃气中心管、支撑管、空气入口管、腔体、蜗壳和扩散孔等构成。
图1燃烧器示意图
为了对比分析部分预混燃烧方式和加装钝体对低甲烷浓度煤层气燃烧特性的影响,选取了3种燃烧器结构,在甲烷体积分数为20%的煤层气、过量空气系数为1.05、直旋配风比为5∶5的工况下,研究了燃烧室内部温度场的分布情况。
其中S1为扩散式燃烧器,在燃气管壁面无扩散孔和钝体D1,在支撑管外也无钝体D2;S2为部分预混式燃烧器,在燃气管壁面开有扩散孔,但无钝体D1和D2;S3为优化设计的燃烧器,具有扩散孔和钝体结构D1和D2。
综合考虑流动特性、燃烧温度、燃烧效率,NOx排放量等因素,加装钝体结构的部分预混式旋流燃烧器燃用低甲烷浓度的煤层气,燃烧稳定,燃烧效率高,可以实现更好的燃烧。
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