合成气稀释旋流扩散火焰燃烧特性研究

论文摘要

整体煤气化联合循环(IGCC)通过气化炉、燃气轮机、余热锅炉等共同作用,能够同时满足高效和低污染的要求,被认为是未来能源清洁高效利用重要的发展方向。合成气(syngas)在燃气轮机中的燃烧是IGCC中向外输出功的重要中间过程,出于安全和低污染的考虑,合成气稀释旋流扩散燃烧是燃气轮机中重要的燃烧方式,但目前这方面的应用基础研究还相当缺乏。本文的研究主要是围绕着应用于合成气燃气轮机中的旋流扩散火焰的燃烧特性而展开。通过对火焰形态、温度、混合特性及OH自由基浓度场的了解来分析燃烧的特性。研究方法上,混合特性通过激光可视化方法(LSV)来实现,OH自由基的特征通过平面激光诱导荧光方法(PLIF)来实现。实验方法上,首先对旋流扩散的混合特性进行了实验和分析,采用混合数来描述混合特性;然后对合成气旋流稀释扩散燃烧特性开展了研究;最后通过数值模拟方法分析和预测了难以通过实验了解的工况下的合成气旋流燃烧特性。结果表明,通过定义的混合数来描述燃料和空气的混合情况,能够说明燃料和空气的混合特性,而且这种表示方面弥补了动量比不能够区分相同速度下的混合特征和其数值的大小不能区分混合好坏的缺陷。在旋流扩散燃烧的稳定性方面,它至少受旋流产生的回流区和扩散混合两方面的因素控制,加强回流和加强混合都有利于燃烧稳定。旋流数较大时,燃料和空气同向旋流和反向旋流相比,它的总回流量较大,能够向回流区卷吸更多的活性自由基和热量,从而有利于燃烧稳定。当两者旋流数比较小时,混合对燃烧的稳定性会产生重要的影响,空气和燃料的反向旋流由于混合较为强烈从而稳定性比空气和燃料同向旋流时要好。通过对PLIF测量的OH自由基图像的分析,解释了小旋流数下容易发生熄火是由于混合较差,火焰面较薄,不连续的火焰面增多。小旋流数会导致该区域的温度值降低及OH自由基的量降低,并进一步容易诱发不稳定燃烧。本文主要从燃烧稳定性的角度考虑分析了几何结构对合成气旋流扩散火焰燃烧的影响,在所研究的范围内优选了燃料和空气旋向相反、空气旋流数为1、燃料旋流数为0.73、燃料通道径向倾角为40°、扩张段扩张半角为35°、扩张段高度为0.5～0.66D的结构。对碳氢比研究中,在碳氢比0.22～4.6的范围内,碳氢比的变化对合成气火焰高度的影响不明显。不同热值合成气的实验中,随着热值的进一步降低,燃烧稳定性变差,最终会导致燃烧熄火现象的发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 合成气旋流扩散燃烧研究及进展
• 1.1 研究意义
• 1.2 技术背景
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.4 激光诱导荧光综述
• 1.5 国内研究综述
• 1.6 研究内容
• 第二章 研究方法及无量纲数讨论
• 2.1 研究方法
• 2.1.1 实验系统介绍
• 2.1.2 LSV方法研究混合
• 2.1.3 PLIF方法研究OH自由基浓度分布
• 2.1.4 温度测量及修正
• 2.1.5 实验中的一些考虑
• 2.1.6 数值模拟简介
• 2.2 无量纲数讨论
• 2.2.1 雷诺数
• 2.2.2 旋流数讨论
• 2.3 小结
• 第三章 混合特性及其对燃烧稳定性影响
• 3.1 引言
• 3.2 混合数
• 3.3 混合特性研究
• 3.3.1 混合数和混合的对应关系分析
• 3.3.2 混合数和旋流数的关系
• 3.4 燃料和空气旋向及混合数对旋流燃烧的影响
• 3.5 小结
• 第四章 不同结构下合成气旋流燃烧特性
• 4.1 引言
• 4.2 几何结构对火焰的影响
• 4.2.1 燃料和空气旋向及旋流数
• 4.2.2 燃料倾角
• 4.2.3 扩张段扩张角度
• 4.2.4 扩张段高度
• 4.3 流量对火焰的影响
• 4.4 PLIF图像分析
• 4.5 温度分布
• 4.5.1 温度分布和PLIF的对应关系
• 4.5.2 燃料和空气旋向
• 4.5.3 不同旋流数下温度分布
• 4.6 吹熄特性
• 4.7 结论
• 第五章 碳氢比及热值对燃烧特性的影响
• 5.1 碳氢比的影响
• 5.2 不同热值的影响
• 5.3 吹熄特性
• 5.4 小结
• 第六章 合成气旋流扩散燃烧数值模拟
• 6.1 几何模型
• 6.2 物理模型
• 6.3 并行计算
• 6.4 影响计算的因素考虑
• 6.4.1 计算域的影响
• 6.4.2 网格对模拟的影响
• 6.5 模拟和实验的对比
• 6.6 模拟分析应用
• 6.6.1 空气旋流器到喷嘴出口距离的影响
• 6.6.2 扩张段高度优化
• 6.6.3 大流量情况下的模拟
• 6.6.3.1 不同倾角的对比
• 6.6.3.2 扩张段高度优化
• 6.7 小结
• 第七章 全文总结
• 博士后期间科研成果及参加项目
• 致谢