無(wú)壘燃燒技術(shù)的應(yīng)用

無(wú)壘燃燒技術(shù)的應(yīng)用

1富-貧區(qū)和更新區(qū)隨著機(jī)槍技術(shù)的發(fā)展，污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格。在下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，nox排放目標(biāo)小于10ppm（15%o2）（1ppm2.05mg，n3m）。在這個(gè)問(wèn)題上，來(lái)自國(guó)家科學(xué)家的研究了下一代汽機(jī)的低污染燃燒方法。目前，該項(xiàng)目的技術(shù)基礎(chǔ)包括燃料燃燒（ca）、富油燃燒（ql）和無(wú)火焰燃燒技術(shù)[1.3]。根據(jù)已有文獻(xiàn)發(fā)布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),無(wú)焰燃燒可以有效地將NOX與CO排放降低到10ppm(@15%O2以下,同時(shí)能夠保持燃燒的穩(wěn)定性.而且無(wú)焰燃燒與其他低NOX燃燒技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn):與稀釋擴(kuò)散燃燒相比,不需要增加額外的設(shè)備,也不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,或產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒以及燃燒效率下降的問(wèn)題;與貧預(yù)混燃燒相比,不會(huì)導(dǎo)致回火或者熱聲振蕩現(xiàn)象,具有很好的火焰穩(wěn)定性;與RQL相比,不需要在物理結(jié)構(gòu)上分成富-貧兩個(gè)區(qū),不需要專(zhuān)門(mén)冷卻;與催化燃燒技術(shù)相比,成本要更為低廉.通過(guò)總結(jié)文獻(xiàn),本文認(rèn)為應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的無(wú)焰燃燒技術(shù)正處在一個(gè)快速發(fā)展的階段.學(xué)者們均看到了無(wú)焰燃燒技術(shù)作為一種中期有希望解決燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放問(wèn)題的DLE(DryLowEmissions)燃燒技術(shù)的潛力,目前針對(duì)無(wú)焰燃燒主要的研究手段包括機(jī)理分析,基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),模型燃燒室性能測(cè)試與數(shù)值模擬.目前在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究方面,不約而同的方法是采用大量的惰性高溫反應(yīng)產(chǎn)物與未燃氧化劑進(jìn)行摻混,從而達(dá)到加熱燃料超過(guò)自點(diǎn)燃溫度與稀釋氧化劑氧氣濃度來(lái)形成無(wú)焰燃燒.機(jī)理分析方面,采用回流量來(lái)定義回流稀釋程度,從而進(jìn)行詳細(xì)分析成為通用的做法.伴隨著光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,激光誘導(dǎo)熒光(PLIF),粒子成像系統(tǒng)(PIV)成為了代表性的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)測(cè)量手段.數(shù)值模擬方面,目前的共識(shí)是:無(wú)論在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理分析軟件包內(nèi),還是CFD軟件中,必須采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的模型才能夠較為準(zhǔn)確的模擬無(wú)焰燃燒.目前不同結(jié)果的模型燃燒室均實(shí)現(xiàn)了低污染燃燒的目標(biāo),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也在逐步積累中.目前針對(duì)無(wú)焰燃燒的研究以天然氣為燃料為主,部分學(xué)者展開(kāi)了天然氣摻混氫氣等研究,下一步的工作應(yīng)為拓展無(wú)焰燃燒燃料適應(yīng)性,拓展無(wú)焰燃燒至輕柴油等燃料,在個(gè)別燃燒室中已有類(lèi)似嘗試.從2007年開(kāi)始,本文作者圍繞無(wú)焰燃燒展開(kāi)了研究,給出了不同組分合成氣無(wú)焰燃燒應(yīng)用范圍,影響無(wú)焰燃燒形成范圍的因素很多,包括燃料熱值,燃料氫含量,氧化劑稀釋后氧濃度,反應(yīng)溫度等.公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中,主要研究手段為利用PLIF與PIV等對(duì)無(wú)焰燃燒流場(chǎng)與出口污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量.針對(duì)燃燒室內(nèi)熱聲振蕩特性大多集中于現(xiàn)象描述,并無(wú)深入的測(cè)試與分析.對(duì)熱聲振蕩的研究由來(lái)已久,其基礎(chǔ)在于瑞利準(zhǔn)則:若聲學(xué)介質(zhì)在最稠密時(shí)吸入能量,在最稀疏時(shí)釋放能量,熱聲振蕩加強(qiáng)(熱能向聲能轉(zhuǎn)化);若聲學(xué)介質(zhì)在最稠密時(shí)釋放能量而在稀疏時(shí)吸收能量,則熱聲振蕩減弱.其中,p′和Q′分別表示壓力波動(dòng)和熱釋放波動(dòng),t和T分別表示時(shí)間和波動(dòng)周期.在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中,熱聲振蕩的發(fā)生遠(yuǎn)比理論模型研究的復(fù)雜,受到燃料種類(lèi),燃燒環(huán)境,當(dāng)量比與火焰穩(wěn)定方式等因素的影響.Dowling等人認(rèn)為燃燒室中的熱聲振蕩可以簡(jiǎn)化歸于一個(gè)如圖1所示的帶反饋的自激振蕩過(guò)程.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的宋權(quán)斌等針對(duì)合成氣的熱聲振蕩特性進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究.本文設(shè)計(jì)了一個(gè)使用無(wú)焰燃燒技術(shù)的模型燃燒室,并對(duì)該燃燒室工作在無(wú)焰燃燒狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量與分析.2模型燃燒介紹2.1火炬筒直徑的確定本文所提出的模型燃燒室為筒形逆流燃燒室(圖2),該燃燒室工作壓力為一個(gè)大氣壓.燃燒室主要包含頭部與火焰筒兩個(gè)部分.燃燒室頭部主要由燃料氣氣室與空氣氣室兩部分構(gòu)成.燃料氣噴嘴安裝在燃料氣氣室中,穿過(guò)空氣氣室進(jìn)入火焰筒.而空氣首先從燃燒室尾部進(jìn)入,通過(guò)兩層石英玻璃管之間的環(huán)形通道,進(jìn)入頭部的空氣氣室.通過(guò)空氣氣室中的整流罩整流后,再通過(guò)頭部環(huán)形均布的12個(gè)主燃噴嘴進(jìn)入燃燒室.所有的空氣均從頭部進(jìn)入燃燒室.反應(yīng)結(jié)束后的燃?xì)庾罱K從燃燒室尾部流出.其中火焰筒部分內(nèi)層石英玻璃管的內(nèi)徑為100mm;外層石英玻璃的內(nèi)徑為146mm石英玻璃承受溫度為1100°C.在燃燒室承壓測(cè)試中火焰筒為金屬材料.火焰筒中,頭部中心存在一個(gè)凹陷的筒形回流結(jié)構(gòu),當(dāng)所有反應(yīng)物射流進(jìn)入火焰筒后,利用環(huán)形均勻布置的主燃噴嘴與中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系以及粘性流體的剪切效應(yīng),形成大量的回流高溫?zé)煔馀c新鮮空氣摻混,提高空氣的溫度并且對(duì)空氣進(jìn)行稀釋,該經(jīng)稀釋的高溫空氣遇到燃料發(fā)生自燃,形成高度分散反應(yīng)區(qū),從而實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒圖3為冷態(tài)下數(shù)值模擬的速度場(chǎng),當(dāng)入口速度為100m/s時(shí),火焰筒內(nèi)最高的回流速度可以達(dá)到40m/s.通過(guò)CFD計(jì)算,該燃燒室在空氣射流速度30~160m/s范圍內(nèi)均能通過(guò)回流實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒.在無(wú)焰燃燒中,回流區(qū)存在的主要目的不是為了增加火焰穩(wěn)定而是為了稀釋氧化劑與反應(yīng)物的濃度,這是無(wú)焰燃燒技術(shù)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)所在.無(wú)焰燃燒并不需要回流來(lái)穩(wěn)定火焰.另外在該筒形回流結(jié)構(gòu)的中心布置一個(gè)值班燃料噴嘴,該噴嘴為直接射流形式,作用為點(diǎn)火與低當(dāng)量比下的穩(wěn)焰.燃料并非沿軸向射流進(jìn)入燃燒室,而是在空氣氣室的頭部從噴嘴側(cè)壁面小孔首先射流進(jìn)入空氣氣室頭部與空氣部分混合而后射流進(jìn)入燃燒室(圖2(b))所以該燃燒室的混合方式為部分預(yù)混,頭部單個(gè)噴嘴出口流道的形狀為環(huán)形,內(nèi)直徑為5.6mm,外直徑為12mm.2.2空氣流速度對(duì)燃燒的影響該燃燒室有3種工作模式(圖4).模式Ⅰ.主燃噴嘴供給燃燒室預(yù)熱過(guò)的空氣,只有頭部回流結(jié)構(gòu)頂端的值班噴嘴工作.模式Ⅱ.保持值班噴嘴燃料供應(yīng),值班噴嘴與主燃噴嘴共同工作.模式Ⅲ.關(guān)閉值班噴嘴,只保留主燃噴嘴供應(yīng)燃料,該工況即為無(wú)焰燃燒狀態(tài).實(shí)驗(yàn)中,點(diǎn)火過(guò)程依次按照工作模式Ⅰ至工作模式Ⅲ進(jìn)行.在空氣流量穩(wěn)定條件下首先點(diǎn)燃值班噴嘴,而后逐步在主燃噴嘴中加入燃料,待燃燒穩(wěn)定后,關(guān)閉值班噴嘴,達(dá)到無(wú)焰燃燒工況.本文實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)入燃燒室的空氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱,預(yù)熱后的空氣進(jìn)入燃燒室的入口溫度固定為530K.空氣射流速度決定了燃燒室的回流結(jié)構(gòu),本文分別采取了兩種不同的空氣流量.空氣流量分別為90與66Nm3/h,在530K下對(duì)應(yīng)空氣射流速度為35與25m/s,當(dāng)燃燒室工作時(shí),空氣在環(huán)形通道內(nèi)會(huì)被進(jìn)一步加熱,所以入口溫度應(yīng)該高于530K,同時(shí)射流速度也大于上述值.每種空氣流量下,通過(guò)改變?nèi)剂狭髁慷３之?dāng)量比不變,分析燃燒室在不同空氣射流條件下的動(dòng)態(tài)壓力特性.本文實(shí)驗(yàn)所采用的燃料氣為純甲烷與稀釋后的甲烷,在稀釋條件下,N2與CH4的體積比為1:1,值班火焰所采用的燃料為丙烷.進(jìn)入燃燒室的空氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱,預(yù)熱后的空氣進(jìn)入燃燒室的入口溫度固定為530K.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,該燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)在2.5atm下大于0.96,常壓下總壓恢復(fù)系數(shù)約為0.99.燃燒效率大于99%,燃燒熱強(qiáng)度為30MW/(m3·atm).3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集動(dòng)態(tài)壓力特性可以有效反映燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)特性.本文使用KuliteXCS-190(M)-15D動(dòng)態(tài)壓力傳感器對(duì)燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力特性進(jìn)行測(cè)量,該傳感器量程合適、頻響高、線性度好,滿(mǎn)量程輸出約120mV,量程為1.0bar,固有頻率200kHz.傳感器后采用EntranIEM-*/10/100R-WW型放大器對(duì)輸出壓力信號(hào)進(jìn)行放大200倍.采用NIDAQ6009采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集,該采集卡采樣率為48KSample/s,采用差壓模式測(cè)量從而避免外界環(huán)境對(duì)壓力波動(dòng)的干擾,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)通過(guò)商用軟件LabVIEW編寫(xiě)的程序控制.3.1動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)統(tǒng)計(jì)方法分析方法為在某一段時(shí)間采集一段數(shù)據(jù),每秒采集4096個(gè)壓力值,在一段時(shí)間內(nèi)或者某一秒內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)壓力特性進(jìn)行分析.3.2功率譜分析算法由于快速傅立葉變化算法(FastFourierTransform,FFT)數(shù)據(jù)跳躍特別厲害,甚至于掩蓋一些頻率信息,所以采用功率譜分析分析燃燒室內(nèi)的特征頻率.功率譜分析反映了喜好功率(能量)在頻域坐標(biāo)ω上的分布.采用對(duì)數(shù)坐標(biāo).功率密度是隨機(jī)過(guò)程二階統(tǒng)計(jì)量自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換,其功率譜定義表達(dá)為:其中Rx(m)是信號(hào)X(n)的自相關(guān)函數(shù):功率譜估計(jì)的方法很多,胡廣書(shū)對(duì)功率譜估計(jì)的方法做了總結(jié),本文采用自回歸(AR)模型來(lái)估計(jì)功率譜,該方法具有良好的方差性,并且不會(huì)損失峰值頻率,可以避免經(jīng)典功率譜分析法(周期圖法與自相關(guān)法)分辨率低與方差性差的問(wèn)題.3.3tf的變換對(duì)燃燒室動(dòng)態(tài)特性分析往往要持續(xù)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)采集,這些信號(hào)可能為非平穩(wěn)信號(hào),這些信號(hào)采用短時(shí)傅立葉(ShortTimeFT,STFT)變換來(lái)進(jìn)行分析該方法結(jié)合了時(shí)域分析與頻域分析,可以看到信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化.STFT給非平穩(wěn)信號(hào)p′(t)施加一個(gè)滑動(dòng)窗函數(shù)w(t-τ),隨著τ的改變窗函數(shù)可以連續(xù)地截取信號(hào),然后對(duì)于每一小段信號(hào)作傅里葉變換,從而可得到信號(hào)的聯(lián)合時(shí)頻分布,即式中,τ為移位因子,f為頻率.滑動(dòng)窗的寬度越小,時(shí)域分辨率越好,同時(shí)局部平穩(wěn)性的假設(shè)越成立.本文在matlab下將上述算法實(shí)現(xiàn)為后處理程序.4空氣流場(chǎng)測(cè)試本文分別測(cè)量了該燃燒室在兩種空氣流量狀態(tài)下的熱聲振蕩情況,由計(jì)算可知,一定速度范圍內(nèi)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)是相似的,回流流量與入口空氣流量在空氣射流速度30至160m/s的范圍內(nèi)近似成正比.保持當(dāng)量比不變,改變空氣流量,分別測(cè)試燃燒室在兩種空氣射流速度下的動(dòng)態(tài)特性.4.1空氣功率譜的影響首先對(duì)燃燒室在冷態(tài)下兩種射流速度下的工作頻率進(jìn)行AR功率譜分析,如圖5所示.燃燒室中不加入燃料,只通過(guò)預(yù)熱后的空氣.燃燒室內(nèi)的壓力波動(dòng)由空氣與燃燒室物理結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生,振蕩的最高頻率小于120dB.該特征頻率為燃燒室固有頻率,后面的分析以此功率譜為背景進(jìn)行分析.4.2大流量工況下火焰的頻率特征值班噴嘴位置在頂部回流區(qū)域的中心,噴嘴結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單射流形式.當(dāng)燃燒室中只有值班火焰存在時(shí),燃燒室內(nèi)的當(dāng)量比為0.09.兩種空氣流量下,火焰都在100Hz附近產(chǎn)生了一個(gè)雙峰的頻率.在大流量工況下(圖6(a)),燃燒室內(nèi)其他頻率峰值仍在存在并且變化不大.而小流量工況下(圖6(b)),550與750Hz頻率下兩個(gè)雙峰的頻率則變成一個(gè)單峰的頻率并且200與400Hz處頻率形態(tài)也發(fā)生變化.此時(shí)雖然當(dāng)量比很低,但是燃燒室內(nèi)污染物排放水平不盡人意,均在幾十ppm的量級(jí).4.3燃料空氣射流速度的變化當(dāng)燃料氣射流速度達(dá)到一定值后,由于自點(diǎn)火延遲時(shí)間的存在,燃料在射流進(jìn)入燃燒室后來(lái)不及附著在噴嘴或者在噴嘴附近發(fā)生燃燒,而是被值班火焰所加熱至超過(guò)著火點(diǎn)溫度并在燃燒室中部發(fā)生燃燒.在該種狀態(tài)下,值班火焰位于燃燒室的下方,而主燃火焰位于燃燒室的中部.此時(shí)燃燒室內(nèi)的當(dāng)量比為0.46,值班燃料占燃燒室內(nèi)當(dāng)量比約為0.09,主燃噴嘴占燃燒室內(nèi)當(dāng)量比為0.37.在燃燒室內(nèi)燃燒強(qiáng)度大幅增加的前提下,100Hz處附近振蕩頻率的峰值有所增加,由大約125μPa增加至130μPa,這樣的振動(dòng)幅值能夠保持平穩(wěn)燃燒.如圖7(a)和(b)所示.當(dāng)燃料氣采用N2稀釋降低燃料熱值但是保持燃燒強(qiáng)度不變時(shí),此時(shí)燃料射流速度增加.燃燒室在低流速的工況下伴隨著N2的摻入發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)(圖7(d)),圖7(e)為N2摻入過(guò)程動(dòng)態(tài)壓力變化,在N2增加到一定值后,燃燒室內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)達(dá)到了1.2×105Pa,此時(shí)可以聽(tīng)到明顯的嘯聲,并且在該種振蕩功率下,燃燒室所采用的石英玻璃管損壞.圖7(f)所示的動(dòng)態(tài)壓力功率譜則估計(jì)了該時(shí)間段內(nèi)燃燒室內(nèi)的頻率特性,圖7(f)為偽三維圖,橫坐標(biāo)為不同時(shí)刻,顏色的深淺對(duì)應(yīng)了不同頻率下振蕩的強(qiáng)弱.本文中的燃燒室流場(chǎng)是自模化的,回流流量與空氣射流速度幾乎是成正比的,當(dāng)燃燒室工作在低空氣流量狀態(tài)下,一方面由于空氣射流速度降低燃燒室內(nèi)湍流度減弱,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變得不夠穩(wěn)定從而容易誘發(fā)熱聲振蕩;另一方面由于燃料氣被稀釋熱值降低也會(huì)降低燃燒室穩(wěn)定性.在工作模式Ⅱ下,由于燃燒強(qiáng)度的提高,CO排放下降至20mg/Nm3@15%O2以下;然而由于值班火焰的存在,NOX排放值仍然無(wú)法達(dá)到20mg/Nm3@15%O2以下,不滿(mǎn)足超低污染排放的要求.4.4工作模式與ar功率譜分析第三種工作模式即為無(wú)焰燃燒狀態(tài),在該種工作模式下,只有主燃噴嘴工作,火焰在主燃噴嘴上方一段距離存在.燃燒室中無(wú)任何火焰穩(wěn)定器,燃料氣依靠回流的高溫燃?xì)鈦?lái)加熱到超過(guò)自點(diǎn)燃溫度的值,如此火焰可以在不需要值班火焰的條件下穩(wěn)定.由于燃?xì)獾南♂?所有的反應(yīng)物都在低氧濃度的氧化劑中反應(yīng),反應(yīng)物通過(guò)火焰的質(zhì)量流率比未稀釋的條件要更低,并且火焰面消失的趨勢(shì)被無(wú)焰燃燒所增強(qiáng),另外氧氣濃度的降低造成了燃料自點(diǎn)燃時(shí)間的增加,燃料射流進(jìn)入燃燒室后摻混的時(shí)間更長(zhǎng),所以形成了空間整體式火焰.此時(shí)NOX與CO的排放均在15mg/Nm3@15%O2以?xún)?nèi),遠(yuǎn)低于目前使用稀釋擴(kuò)散技術(shù)的燃燒室.工作模式Ⅲ下,分別進(jìn)行了連續(xù)功率譜與AR功率譜分析,分別如圖8與圖9所示.由于無(wú)焰燃