交叉射流生物质燃烧机中CH4柔和燃烧特性分析

交叉射流生物质燃烧机中CH4柔和燃烧特性分析
搞要：柔和燃烧具备燃烧稳定、烟气出口温度均匀、NO和CO排放低的特点，有望成为新一代燃气轮机燃烧技术。因此，开展柔和燃烧技术应用于燃气轮机燃烧室的探索研究非常必要。烟气温度、氧浓度及其与新鲜空气的掺混对柔和燃烧的发生及燃烧性能有重要影响。为此，基于轴向分级概念建立生物质燃烧机，通过精确控制烟气回流比例和当量比使得烟气的流量、温度，氧浓度连续可调，设计合适的生物质燃烧机结构型式使得烟气在掺混区和燃料、空气以交叉射流方式掺混。通过数值模拟结合实验的方法，从流动、热力学角度研究分析了回流比例、当量比对OH'分布、火焰稳定性、NO/CO排放等燃烧性能的影响规律和机制。实验以甲烷为燃料，在回流比例r=0.5、当量比函=0.6工况下获得较佳的污染物排放性能：NO为6m∥rri3，CO为5mg/m3。研究结果将为柔和燃烧在燃气轮机燃烧室上的应用提供理论依据和基础数据。
0  引言
    燃气轮机燃烧技术朝高燃烧效率、低污染物排放方向发展，富燃一淬熄一贫燃(rich burn-quickquench-lean burn，RQL)、贫燃料直喷(lean direcinj ection，LDI)、贫预混(lean premixed，LPM)、干低NO。(dry low NO。，DLN)和旋流扩散是目前的成熟燃烧技术。RQL燃烧室的*1级发生富燃料燃烧，有利于燃料氮转化为N2，是含氮燃料和含氨低热值燃料的重要燃烧技术[i]; LDI技术减小火焰尺寸、缩短反应物在燃烧室的停留时间，有利于减排NO。，用子富氢燃料‘2]，用于CH4燃料时，可能导致较高CO排放；LPM用于CH4燃料时，可促进NO。与CO的减排，但回火和热声震荡限制了该技术的推广应用；DLN是西门子、通用电气公司(GeneralElectric，GE)、罗尔斯一罗伊斯公司(Rolls Royce，R-R)等燃机厂商成熟应用的天然气燃烧技术‘3]，GE公司的MS9001H天然气燃机采用该技术时NO。和CO排放分别为34 mg/m3和19 mg/m[3-41。旋流扩散燃烧[51的火焰尺寸大、反应时间长，有利于减排*8期    黄明明等：交叉射流分级生物质燃烧机中CH。柔和燃烧特性分析但对控制NO。排放不利。随着排放法规的日益严格，有必要探索新型燃烧技术，进一步降低污物排放。
    柔和燃烧源于锅炉领域的高温空气燃烧技术‘6]，反应物燃烧前经回流烟气稀释和预热，反应物初始温度**混合物自燃温度、反应温升低于自燃温度是其基本要素‘7]，能实现NO。与CO双低排放，具备燃烧稳定、烟气出口温度分布均匀、低噪声的特点，有望成为新一代燃气轮机燃烧技术。
    利用回流烟气稀释、预热反应物是实现柔和燃烧的手段。Gupta等先后基于同轴射流[8-9]、切向旋流[10]、交叉射流[11]结构设计CH4柔和燃烧模型生物质颗粒燃烧机，采用不同喷嘴布置形式组织生物质颗粒燃烧机内的气流运动，使得燃料、空气在反应前和烟气充分掺混，实现反应区域分散的柔和燃烧，并根据0H+分布、N0和CO排放等特征比较同轴射流、切向旋流、交叉射流3种掺混方式的燃烧性能[12-13]，结果表明交叉射流模型生物质颗粒燃烧机有利于空气和燃料反应前与回流烟气充分掺混，热强度为5.6xl0-4 MW/m3_Pa[121和8.4xl0-4 MW/m3_Pa[131时NOx排放均小于7mg/m3。
    Yu筹[14]和Wunning等[15]的研究表明烟气回流比例是决定柔和燃烧实现与性能的重要参数。Dally等[16]基于50% H7+50% CH4燃料设计柔和燃烧分级生物质颗粒燃烧机，辅助生物质颗粒燃烧机产生一定比例的烟气和空气、氮气掺混，形成温度1300 K、氧气质量分数为3%～9%的氧化剂，燃料在该氧化剂氛围中发生柔和燃烧，氧气质量分数为3%时，NO排放仅7 mg/m3。该分级生物质颗粒燃烧机可精确控制辅助生物质燃烧机产生的烟气流量，但需利用氮气稀释空气至一定氧浓度。实际柔和燃烧中空气直接经烟气稀释而非氮气，因此采用烟气直接稀释空气的分级生物质颗粒燃烧机能更真实模拟气回流比例对柔和燃烧性能的影响。
    前期，作者所在实验室针对柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室的应用开展了大量研jL[17]，建立了分级生物质颗粒燃烧机f如图11，研究了交叉射流、同轴射流等不同形式的烟气与新鲜燃料、空气的掺混结构型式，认为交叉射流掺混更加快速有效[17]。实验对比[18]了CH4分级柔和燃烧和旋流扩散燃烧的NO排放，结果显示前者的NO排放更低。当量比0.8时，分级柔和燃烧的NO排放相对旋流扩散低26%。文献[18]主要分析了回流比例和当量比对柔和燃烧火焰形态的影响，文中墓于该分级生物质颗粒燃烧机深入研究了回流比例和当量比对OH*分布、NO和CO排放的影响，并开展了生物质颗粒燃烧机冷态掺混模拟，试图从流动角度阐释烟气回流对柔和燃烧的影响机制。
1  生物质颗粒燃烧机和实验手段
    如图2(a)所示，实验生物质颗粒燃烧机由烟气发生区、掺混区和柔和燃烧区3部分构成。烟气发生区的空气和燃料以旋流扩散方式燃烧，产生的高温烟气在掺混区和新鲜未燃燃料、空气以交叉射流方式掺混，进而在柔和燃烧区继续燃烧。如图2(c)所示，掺混区由圆形管道、2个燃料喷嘴和2个空气喷嘴组成，其中燃料喷嘴内径df为3 mm，空气喷嘴内径da为5 mm。为便于光学测量，柔和燃烧区采用内径D=60 mm、长度/=500 mm、厚度d=3 mm的石英玻璃罩，火焰、烟气可通过导热、对流、辐射等方式向外界散热，导致反应区温度下降，但并不影响烟气回流比例、当量比对流场、燃烧特性影响的定性比较，本文对此作了忽略简化。
    烟气发生区入口新鲜燃料、空气质量流量分别记为/Tlfl和垅。l，掺混区入口新鲜燃料、空气质量流量分别记为/Tlf2和m。2，实验中设定烟气发生区和掺混区入口斯鲜燃料空气的当量比薪目等，定义烟气回流
    实验以纯度99.9%的CH4为燃料，工况如表1，根据前期实验结果[18]设定4组工况的回流比例为0.4～0.7，结合燃机燃烧室运行特征，实验中固定空气流量，通过改变燃料流量调节当量比；燃料、空气均为常温，工作压力为常压。
    实验中，柔和燃烧区出口布置水冷烟气取样探针，如图2(b)，取样烟气引入Test0350加强型烟气表1CH4柔和燃烧实验工况柔和烟气分析仪，电化学传感器分析烟气中02. NO、CO含量，待实验工况稳定、NO和CO排放波动不**过+1 mg/m3时读取数据。污染物排放分析误差主要源于分析仪的系统误差，仪器分析NO和CO排放的分辨率为1 mg/m3，NO分析精度为+7 mg/m3或读数的+5%，CO分析精度为+6 mg/m3或读数的+5%。0H4是化学反应瞬间产生的自由基，可表征反应区位置与尺寸[19]，带窄带滤波片(BP 307/10 nm)的ICCD相机捕获OH‘自发荧光信号，相机光圈设置f4.5，曝光时间0.6 s，单工况连续拍摄100幅图片，经背景修正处理后得到平均图。由于火焰抬升、反应区域分散程度是研究柔和燃烧的重要信息，OH*捕获位置始于掺混区出口，具体位置见图2(b)。
2计算方法
    采用商用CFD软件Fluent计算了当量比0.6、回流比例0.4～0.7时的流场。烟气发生区和掺混区入口新鲜燃料、空气流量根据当量比0.6工况给定。实验时，掺混区新鲜燃料、空气和烟气友生区的主流高温烟气掺混。模拟过程中，设置烟气发生区燃料入口、空气入口边界条件时，组分和温度根据Chemkin程序计算的当量比qL0.6时CH4和空气完全燃烧的值给定，掺混区入口给定新鲜燃料和空气。简化模拟的流场可弥补实验不足，为后续实验结果的分析提供定性参考。模拟过程中采用稳态、隐式、不可压流动求解器；可实现尼一模型模拟湍流，近壁面采用标准壁面函数，生物质颗粒燃烧机的烟气发生区生旋流，可实现k模型能更准确的模拟旋流特征[20]；入口和出口湍流强度设置5%;压力速度耦合采用算法，动量、能量、组分方程采用二阶迎风格式；所有变量残差小于10-4时计算收敛。开展网格无关性验证时划分3种密度网格。
空气射流进入掺混区诱导产生漩涡。r =0.4时，掺混区空气流量较大，空气射流进入掺混区诱导产生强漩涡，并卷吸燃料射流，空气和燃料直接掺混。随着r的增加，掺混区空气流量减小，空气诱导漩涡的强度减弱；烟气发生区主流对掺混区流场的作用增强，从rt0.5开始掺混区燃料射流发生偏斜，因为烟气发生区高温烟气经空气旋流器进入生物质颗粒燃烧机，旋流高温烟气进入掺混区时使得燃料射流偏斜。r增加到0.7时，掺混区空气诱导漩涡较小，集中在掺混区中心，燃料射流随主流旋转，即燃料先和烟气掺混，经烟气预热、稀释后和空气混合，有利于柔和燃烧的实现。
    图5是掺混平面及下游23 mm、43 mm这2个横截面上的温度云图。r=0.4时，掺混平面及下游平面温度低且垧匀，几乎看不到高温烟气区。随着r的增加，掺混平面高温烟气区的面积逐渐增大，说明流在掺混区流动混合中的作用增强。r为0.6和0.7时，掺混平面上的高温烟气在空气、燃料射流之间，说明此时空气和燃料未直接掺混，而是先
分别和高温烟气掺混。该掺混特征为柔和燃烧机制的建立创造了条件，因为燃料、空气先和烟气掺混后，温度升高而氧浓度降低，这种“高温低氧”氛围正是柔和燃烧所需的反应条件[17]。
3.2热态实验
3.2.2  柔和燃烧区的0H+分布
    图6是不同工况柔和燃烧区的0H4分布，拍摄区域始于掺混区出口，宽60 mm，高146 mm(如图2(b))。为定量比较不同工况的0H+强度，在0H8分布图片上每隔一个像素高度选择一条横截线，Matlab程序计算得到每条横截线的0H8强度峰值（以下简称OH+峰值1，0H4峰值沿轴向的分布如图7。
    回流比例r为0.4和0.5工况的0H4分布较集中，尤其是qL0.5～0.6时，0H+集中在掺混区出口20 mm以内，OH'峰值高，说明火焰温度高，呈现扩散燃烧特征。因为低回流比例时，掺混区空气射流诱导产生强漩涡，和燃料射流直接掺混、燃烧。另外，r为0.4和0.5时，OH*分布随当量比的变化趋势类似：函从0.5增至0.8，0H+分布更加分散，反应区体积增大，0H+峰值降低，0H4峰值位置向下游移动。以r =0.4为例，痧认0.5变化到0.8，反应区体积增加近2倍(如图6(a))，OH*峰值从860降到740，0H+峰值位置从掺混区出口下游1.7 mm移至下游54.5 mm。0H+峰值的降低是0H+分布更加分散、反应区体积增大的结果，而反应区体积和混合物温度、氧摩尔分数相关[21】。利用Chemkin程序建立分级柔和燃烧模型，全混流反应器一(perfectly stirred reactor，PSRl)模拟烟气发生区，混合器(gas mixer，GM)模拟掺混区，全混流反应器二(PSR2)模拟柔和燃烧区，各反应器燃料、空气流量根据热态实验设定值给定。函从0.5增至0.8时，GM出口混合物温度正。从804 K增加到1039 K，
氧摩尔分数X02从0.16降到0.13。混合物温度升高、氧摩尔分数下降引起柔和燃烧区反应区体积的增大[21]，因此图6(a)和(b)中，随着函的增大反应区体积增大。科曾至0.75和0.8时，反应区根部开始有火焰抬升，因为@铰高时，X02偏低，导致反应物点火延迟时间的延长[21]。0H+峰值位置向下游移动也是反应物点火延迟时间增加的表现之一。
    柔和燃烧具备燃烧稳定、反应区分散、无局部高温点的特点。比校不同回流比例的OH#分布，认r=0.6、qL0.5～0.8时，燃烧方式较接近柔和燃烧，因为0H+分布均匀、峰值低，反应区根部有火焰抬升(如图6(c))，说明掺混区燃料、空气射入掺混区后未立即燃烧，而是先和烟气发生区的烟气掺混至一定温度和氧浓度，再多点同时着火，实现峰值火焰温度低的柔和燃烧。这与前述冷态掺混模拟结果一致。
    图6(d)显示r=0.7、qL0.65～0.8时，OH#分布均匀，0H4峰值低，说明反应区分散，火焰温度低。但r=0.7、qL0.5～0.6时，燃烧不稳定，可能是掺混区组分和温度分布不均匀所致。图5(d)为r=0.7、qL0.6工况主流高温烟气和未燃燃料、空气掺混后的温度云图，可以看出，高温烟气将燃料、空气隔开，延缓了燃料、空气的直接混合，ak0.6时，主流烟气温度相对qL0.6工况低，密度相对后者高，因此低当量比时燃料、空气射流速度会减小，不利于掺混区反应物的均匀掺混，致使反应物局部过富或过贫。另外，烟气发生区反应物贫燃燃烧，过量02进入掺混区和新鲜燃料空气掺混，柔和燃烧区实际当量比小于给定当量比，以r=0.7、W0.5工况为例，柔和燃烧区混合物实际当量比应低于0.5，实验中回流比例越高，实际当量比越小，当量比过低导致燃烧不稳定。
    图7(a)是qL0.65、r=0.4～0.7时的OH*峰值沿轴向的分布。r =0.4工况下的0H4峰值较高，r增加时，0H4峰值逐渐下降，OH4峰值沿轴向分布曲线趋于平坦，说明反应区OH'分布更加均匀，即回流比例
的增加有利于反应区温度的均匀分布。图7(b)一(e)对比了相同回流比例、不同当量比的OH*峰值轴向分布曲线，其特点将在下节结合NO排放分析。
3.2.2  总NO矛口CO排放
    烃类燃料燃烧主要通过热力型和快速型机制产生N0[22]。热力型NO的主导反应是N2+0：NO+N，该反应的速率常数需要很高活化温度(EA/R。=38 370K)‘231，火焰温度**1800 K时，热力型NO是总NO排放的主要来源[8]，主要受峰值火焰温度、高温区停留时间、氧浓度影响Ⅲ。快速型NO生成的初始反应是N2+CH=HCN+N[1】，主要在低温或富燃条件下生成[8]。柔和燃烧反应区域分散，无局都高温点，主要抑制热力型NO的生成。
    图8(a)给出了不同工况下的总NO排放，NO排放数值是先将烟气中NO摩尔分数折算到15%02基准工况，然后按照NO的分子量计算出每标准立方米烟气内的NO质量含量[24]。可以看出，相同当量比时，r =0.4工况下的NO排放较高，因为该工况下部分新鲜燃料和空气未经高温烟气充分稀释，而直接掺混燃烧，呈现扩散燃烧特征，致使反应区域存在局部高温区，导致NO排放相对较高。分级生物质颗粒燃烧机的烟气发生区和柔和燃烧区均生成NO，回流比例决定了掺混区的流场特征和柔和燃烧区的燃烧性能，也影响了进入烟气发生区发生扩散燃烧的燃料比重。r增加时，主流高温烟气和掺混区新鲜燃料、空气先充分掺混再燃烧，为实现柔和燃烧提供了有利条件，抑制了柔和燃烧区NO的生成，但进入烟气发生区发生扩散燃烧的燃料比重增大，促进了烟气发生区NO的生成。因此，NO排放随回流比例的变化趋势综合了回流比例对柔和燃烧区和烟气发生区NO生成的影响。以qL0.8工况为例，r从0.4增加到0.7时，NO排放先从14降至8 mg/m3，然后增加到12 mg/m3，较后下降到11 mg/m3，即r增加时，N0排放呈波动特征。
4结论
    为深入研究柔和燃烧的实现条件和燃烧性能，结合前期开展的柔和燃烧热力学条件研究基础，基于烟气回流量精确可调的分级生物质颗粒燃烧机，选用高温烟气与新鲜燃料、空气呈交叉射流的掺混型式，以甲烷为燃料，模拟研究了回流比例对冷态流场及掺混的影响，实验研究了回流比例、当量比对OH*分布、燃烧稳定性、NO/CO排放性能的影响。并获得如下结论：
    1)烟气回流比例和当量比决定了掺混区燃料、空气和主流高温烟气的掺混特性，燃料、空气先和高温烟气充分掺混然后燃烧有利于柔相燃烧机制的建立。
    2)回流比例的增加延缓了掺混区新鲜燃料、空气的直接掺混，降低了OH*峰值，OH*分布更均匀，但回流比例过高会导致燃烧稳定性下降。
    3)回流比例的增加，抑制了柔和燃烧区NO的生成，增加了总NO排放中烟气发生区扩散燃烧生成NO的比重，总NO排放随回流比例变化呈波动特征。
    4)对于本生物质颗粒燃烧机，在基于前期热力学条件分析结论设定的不同回流比例、当量比工况下均能获得较低的NO排放，尤其在回流比例r=0.5、当量比qL0.6工况下生物质燃烧机的污染物排放性能较佳：NO为6mg/m3, CO为5mg/m3。