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交叉射流生物質燃燒機中CH4柔和燃燒特性分析
搞要：柔和燃燒具備燃燒穩(wěn)定、煙氣出口溫度均勻、NO和CO排放低的特點，有望成為新一代燃氣輪機燃燒技術。因此，開展柔和燃燒技術應用于燃氣輪機燃燒室的探索研究非常必要。煙氣溫度、氧濃度及其與新鮮空氣的摻混對柔和燃燒的發(fā)生及燃燒性能有重要影響。為此，基于軸向分級概念建立生物質燃燒機，通過精確控制煙氣回流比例和當量比使得煙氣的流量、溫度，氧濃度連續(xù)可調，設計合適的生物質燃燒機結構型式使得煙氣在摻混區(qū)和燃料、空氣以交叉射流方式摻混。通過數(shù)值模擬結合實驗的方法，從流動、熱力學角度研究分析了回流比例、當量比對OH‘分布、火焰穩(wěn)定性、NO/CO排放等燃燒性能的影響規(guī)律和機制。實驗以甲烷為燃料，在回流比例r=0.5、當量比函=0.6工況下獲得最佳的污染物排放性能：NO為6m∥rri3，CO為5mg/m3。研究結果將為柔和燃燒在燃氣輪機燃燒室上的應用提供理論依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)。
0 引言
  燃氣輪機燃燒技術朝高燃燒效率、低污染物排放方向發(fā)展，富燃一淬熄一貧燃(richburn-quickquench-leanburn，RQL)、貧燃料直噴(leandirecinjection，LDI)、貧預混(leanpremixed，LPM)、干低NO。(drylowNO。，DLN)和旋流擴散是目前的成熟燃燒技術。RQL燃燒室的第1級發(fā)生富燃料燃燒，有利于燃料氮轉化為N2，是含氮燃料和含氨低熱值燃料的重要燃燒技術[i]LDI技術減小火焰尺寸、縮短反應物在燃燒室的停留時間，有利于減排NO。，用子富氫燃料‘2]，用于CH4燃料時，可能導致較高CO排放；LPM用于CH4燃料時，可促進NO。與CO的減排，但回火和熱聲震蕩限制了該技術的推廣應用；DLN是西門子、通用電氣公司(GeneralElectric，GE)、羅爾斯一羅伊斯公司(RollsRoyce，R-R)等燃機廠商成熟應用的天然氣燃燒技術‘3]，GE公司的MS9001H天然氣燃機采用該技術時NO。和CO排放分別為34mg/m3和19mg/m[3-41。旋流擴散燃燒[51的火焰尺寸大、反應時間長，有利于減排第8期  黃明明等：交叉射流分級生物質燃燒機中CH。柔和燃燒特性分析但對控制NO。排放不利。隨著排放法規(guī)的日益嚴格，有必要探索新型燃燒技術，進一步降低污物排放。
  柔和燃燒源于鍋爐領域的高溫空氣燃燒技術‘6]，反應物燃燒前經(jīng)回流煙氣稀釋和預熱，反應物初始溫度高于混合物自燃溫度、反應溫升低于自燃溫度是其基本要素‘7]，能實現(xiàn)NO。與CO雙低排放，具備燃燒穩(wěn)定、煙氣出口溫度分布均勻、低噪聲的特點，有望成為新一代燃氣輪機燃燒技術。
  利用回流煙氣稀釋、預熱反應物是實現(xiàn)柔和燃燒的手段。Gupta等先后基于同軸射流[8-9]、切向旋流[10]、交叉射流[11]結構設計CH4柔和燃燒模型生物質顆粒燃燒機，采用不同噴嘴布置形式組織生物質顆粒燃燒機內的氣流運動，使得燃料、空氣在反應前和煙氣充分摻混，實現(xiàn)反應區(qū)域分散的柔和燃燒，并根據(jù)0H+分布、N0和CO排放等特征比較同軸射流、切向旋流、交叉射流3種摻混方式的燃燒性能[12-13]，結果表明交叉射流模型生物質顆粒燃燒機有利于空氣和燃料反應前與回流煙氣充分摻混，熱強度為5.6xl0-4MW/m3_Pa[121和8.4xl0-4MW/m3_Pa[131時NOx排放均小于7mg/m3。
  Yu籌[14]和Wunning等[15]的研究表明煙氣回流比例是決定柔和燃燒實現(xiàn)與性能的重要參數(shù)。Dally等[16]基于50%H7+50%CH4燃料設計柔和燃燒分級生物質顆粒燃燒機，輔助生物質顆粒燃燒機產(chǎn)生一定比例的煙氣和空氣、氮氣摻混，形成溫度1300K、氧氣質量分數(shù)為3%～9%的氧化劑，燃料在該氧化劑氛圍中發(fā)生柔和燃燒，氧氣質量分數(shù)為3%時，NO排放僅7mg/m3。該分級生物質顆粒燃燒機可精確控制輔助生物質燃燒機產(chǎn)生的煙氣流量，但需利用氮氣稀釋空氣至一定氧濃度。實際柔和燃燒中空氣直接經(jīng)煙氣稀釋而非氮氣，因此采用煙氣直接稀釋空氣的分級生物質顆粒燃燒機能更真實模擬氣回流比例對柔和燃燒性能的影響。
  前期，作者所在實驗室針對柔和燃燒應用于燃氣輪機燃燒室的應用開展了大量研jL[17]，建立了分級生物質顆粒燃燒機f如圖11，研究了交叉射流、同軸射流等不同形式的煙氣與新鮮燃料、空氣的摻混結構型式，認為交叉射流摻混更加快速有效[17]。實驗對比[18]了CH4分級柔和燃燒和旋流擴散燃燒的NO排放，結果顯示前者的NO排放更低。當量比0.8時，分級柔和燃燒的NO排放相對旋流擴散低26%。文獻[18]主要分析了回流比例和當量比對柔和燃燒火焰形態(tài)的影響，文中墓于該分級生物質顆粒燃燒機深入研究了回流比例和當量比對OH*分布、NO和CO排放的影響，并開展了生物質顆粒燃燒機冷態(tài)摻混模擬，試圖從流動角度闡釋煙氣回流對柔和燃燒的影響機制。
1 生物質顆粒燃燒機和實驗手段
  如圖2(a)所示，實驗生物質顆粒燃燒機由煙氣發(fā)生區(qū)、摻混區(qū)和柔和燃燒區(qū)3部分構成。煙氣發(fā)生區(qū)的空氣和燃料以旋流擴散方式燃燒，產(chǎn)生的高溫煙氣在摻混區(qū)和新鮮未燃燃料、空氣以交叉射流方式摻混，進而在柔和燃燒區(qū)繼續(xù)燃燒。如圖2(c)所示，摻混區(qū)由圓形管道、2個燃料噴嘴和2個空氣噴嘴組成，其中燃料噴嘴內徑df為3mm，空氣噴嘴內徑da為5mm。為便于光學測量，柔和燃燒區(qū)采用內徑D=60mm、長度/=500mm、厚度d=3mm的石英玻璃罩，火焰、煙氣可通過導熱、對流、輻射等方式向外界散熱，導致反應區(qū)溫度下降，但并不影響煙氣回流比例、當量比對流場、燃燒特性影響的定性比較，本文對此作了忽略簡化。
  煙氣發(fā)生區(qū)入口新鮮燃料、空氣質量流量分別記為/Tlfl和垅。l，摻混區(qū)入口新鮮燃料、空氣質量流量分別記為/Tlf2和m。2，實驗中設定煙氣發(fā)生區(qū)和摻混區(qū)入口斯鮮燃料空氣的當量比薪目等，定義煙氣回流
  實驗以純度99.9%的CH4為燃料，工況如表1，根據(jù)前期實驗結果[18]設定4組工況的回流比例為0.4～0.7，結合燃機燃燒室運行特征，實驗中固定空氣流量，通過改變燃料流量調節(jié)當量比；燃料、空氣均為常溫，工作壓力為常壓。
  實驗中，柔和燃燒區(qū)出口布置水冷煙氣取樣探針，如圖2(b)，取樣煙氣引入Test0350加強型煙氣表1CH4柔和燃燒實驗工況柔和煙氣分析儀，電化學傳感器分析煙氣中02.NO、CO含量，待實驗工況穩(wěn)定、NO和CO排放波動不超過+1mg/m3時讀取數(shù)據(jù)。污染物排放分析誤差主要源于分析儀的系統(tǒng)誤差，儀器分析NO和CO排放的分辨率為1mg/m3，NO分析精度為+7mg/m3或讀數(shù)的+5%，CO分析精度為+6mg/m3或讀數(shù)的+5%。0H4是化學反應瞬間產(chǎn)生的自由基，可表征反應區(qū)位置與尺寸[19]，帶窄帶濾波片(BP307/10nm)的ICCD相機捕獲OH‘自發(fā)熒光信號，相機光圈設置f4.5，曝光時間0.6s，單工況連續(xù)拍攝100幅圖片，經(jīng)背景修正處理后得到平均圖。由于火焰抬升、反應區(qū)域分散程度是研究柔和燃燒的重要信息，OH*捕獲位置始于摻混區(qū)出口，具體位置見圖2(b)。
2計算方法
  采用商用CFD軟件Fluent計算了當量比0.6、回流比例0.4～0.7時的流場。煙氣發(fā)生區(qū)和摻混區(qū)入口新鮮燃料、空氣流量根據(jù)當量比0.6工況給定。實驗時，摻混區(qū)新鮮燃料、空氣和煙氣友生區(qū)的主流高溫煙氣摻混。模擬過程中，設置煙氣發(fā)生區(qū)燃料入口、空氣入口邊界條件時，組分和溫度根據(jù)Chemkin程序計算的當量比qL0.6時CH4和空氣完全燃燒的值給定，摻混區(qū)入口給定新鮮燃料和空氣。簡化模擬的流場可彌補實驗不足，為后續(xù)實驗結果的分析提供定性參考。模擬過程中采用穩(wěn)態(tài)、隱式、不可壓流動求解器；可實現(xiàn)尼一模型模擬湍流，近壁面采用標準壁面函數(shù)，生物質顆粒燃燒機的煙氣發(fā)生區(qū)生旋流，可實現(xiàn)k模型能更準確的模擬旋流特征[20]；入口和出口湍流強度設置5%壓力速度耦合采用算法，動量、能量、組分方程采用二階迎風格式；所有變量殘差小于10-4時計算收斂。開展網(wǎng)格無關性驗證時劃分3種密度網(wǎng)格。
空氣射流進入摻混區(qū)誘導產(chǎn)生漩渦。r=0.4時，摻混區(qū)空氣流量較大，空氣射流進入摻混區(qū)誘導產(chǎn)生強漩渦，并卷吸燃料射流，空氣和燃料直接摻混。隨著r的增加，摻混區(qū)空氣流量減小，空氣誘導漩渦的強度減弱；煙氣發(fā)生區(qū)主流對摻混區(qū)流場的作用增強，從rt0.5開始摻混區(qū)燃料射流發(fā)生偏斜，因為煙氣發(fā)生區(qū)高溫煙氣經(jīng)空氣旋流器進入生物質顆粒燃燒機，旋流高溫煙氣進入摻混區(qū)時使得燃料射流偏斜。r增加到0.7時，摻混區(qū)空氣誘導漩渦較小，集中在摻混區(qū)中心，燃料射流隨主流旋轉，即燃料先和煙氣摻混，經(jīng)煙氣預熱、稀釋后和空氣混合，有利于柔和燃燒的實現(xiàn)。
  圖5是摻混平面及下游23mm、43mm這2個橫截面上的溫度云圖。r=0.4時，摻混平面及下游平面溫度低且坰勻，幾乎看不到高溫煙氣區(qū)。隨著r的增加，摻混平面高溫煙氣區(qū)的面積逐漸增大，說明流在摻混區(qū)流動混合中的作用增強。r為0.6和0.7時，摻混平面上的高溫煙氣在空氣、燃料射流之間，說明此時空氣和燃料未直接摻混，而是先
分別和高溫煙氣摻混。該摻混特征為柔和燃燒機制的建立創(chuàng)造了條件，因為燃料、空氣先和煙氣摻混后，溫度升高而氧濃度降低，這種“高溫低氧”氛圍正是柔和燃燒所需的反應條件[17]。
3.2熱態(tài)實驗
3.2.2 柔和燃燒區(qū)的0H+分布
  圖6是不同工況柔和燃燒區(qū)的0H4分布，拍攝區(qū)域始于摻混區(qū)出口，寬60mm，高146mm(如圖2(b))。為定量比較不同工況的0H+強度，在0H8分布圖片上每隔一個像素高度選擇一條橫截線，Matlab程序計算得到每條橫截線的0H8強度峰值（以下簡稱OH+峰值1，0H4峰值沿軸向的分布如圖7。
  回流比例r為0.4和0.5工況的0H4分布較集中，尤其是qL0.5～0.6時，0H+集中在摻混區(qū)出口20mm以內，OH‘峰值高，說明火焰溫度高，呈現(xiàn)擴散燃燒特征。因為低回流比例時，摻混區(qū)空氣射流誘導產(chǎn)生強漩渦，和燃料射流直接摻混、燃燒。另外，r為0.4和0.5時，OH*分布隨當量比的變化趨勢類似：函從0.5增至0.8，0H+分布更加分散，反應區(qū)體積增大，0H+峰值降低，0H4峰值位置向下游移動。以r=0.4為例，痧認0.5變化到0.8，反