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天然氣平行射流柔和燃燒器擴展燃燒穩定性研究進展
发稿时间:2019-10-18         作者:文/曾洁玙 熊燕          来源:能源動力研究中心     【字号:

  柔和燃烧在高温低氧环境下因反应区弥散、燃烧峰值温度低,具有低排放、高效率、低噪声等优势。平行射流柔和燃烧器通过布置在燃烧器头部周围的射流喷嘴产生高速射流,从而引射、卷吸喷嘴周围的高温烟气与喷嘴中的未燃反应物快速混合,稀释反应物并提升反应物的温度,当稀释后的来流反应物温度高于自燃温度以上时可能形成柔和燃烧。高负荷工况下,柔和燃烧可实现稳定燃烧,低负荷工况下,喷嘴周围烟气温度低,回流比一定的情况下难以形成柔和燃烧实现条件,需要采取措施增强燃烧稳定。中國科學院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室前期的工作表明高速预混平行射流柔和燃烧器可实现低NOx排放柔和燃燒,但穩定燃燒當量比過高,預混模型下運行範圍比較窄。在前期工作基礎上通過改變燃燒器燃料/空氣摻混方式對柔和燃燒器的燃燒穩定範圍及燃燒特性進行了研究。 

  研究的柔和燃燒器采用了純燃料噴嘴和預混噴嘴間隔布置的設計,(見圖1),通過調節預混噴嘴燃料占比(fp=預混噴嘴燃料量/總燃料量)來改變燃料空氣摻混程度以應用部分預混燃燒來降低貧燃熄火當量比。通過在常溫常壓實驗台上各摻混模式下的燃燒實驗、反應區激光測量和流場結構數值模擬等手段對部分預混摻混模式的穩定性擴展能力和高穩定性下的燃燒區特點進行了研究。 

  結果表明相較于純預混模式(fp=100%),非純預混模式(fp<100%)所對應的貧燃熄火當量比得到了較大的擴展,當量比由0.62降低至0.12(見圖2),可滿足低負載下的穩定性需求。同時實驗也表明該平行高速射流燃燒器的燃料空氣預混均勻性對NOx排放影響顯著。在當量比0.5-0.8範圍內,整體NOx排放值隨著預混燃料占比的降低單調增加,排放上限由預混模式的6 ppm@15%O2增加到擴散模式的15 ppm@15%O2(見圖3)。由OH*OH-PLIF的激光測量和模擬流場可知隨著預混燃料占比fp的降低,回流區底端和最大負速度區向燃燒室上遊移動,初期相對彌散分布的反應區逐漸集中,廣泛發生在燃燒室中間區域的反應逐漸集中發生在預混噴嘴射流附近。高速率反應區的增多對應著NOx排放的增加。而擴散和混合模式下隨著當量比降低,純燃料出口回流區域收縮,反應區向純燃料射流靠近,純燃料射流出口存在著的局部低速高當量比反應區爲整體貧燃氛圍下提供了穩定的點火源,避免熄火發生。 

  研究表明,該平行高速射流柔和燃燒器通過引入純燃料射流,在部分預混摻混模式下可實現燃燒器熄火當量比的降低,燃料空氣的預混程度仍是控制排放的關鍵因素。上述工作爲後續的優化和柔和燃燒器擴穩的噴嘴布置提供了參考。 

图 1 燃烧器喷嘴布置

图 2 掺混模式对贫燃稳定性范围的影响

  图 3预混喷嘴燃料占比对污染物排放的影响

 
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