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行业知识

生物质燃烧机热声不稳定特性

生物质燃烧机热声不稳定特性

摘要:为研究C02/02气氛下黎开(Rijke)型生物质燃烧机的热声不稳定机理,在Rijke型生物质燃烧机热声不稳定特性试验台架上测量了不同燃烧功率P。(氧化剂流率g。。=q。!+q。。,为83.3、116.7和150 mL/s)。


不同氧气浓度XO:(25%和30%)和不同化学当量比卿0.6、0.7、0.8、0.9和1.0)下的温度分布、燃烧完全性热声压力脉动特性。Rijke型预混生物质燃烧机下端封闭,上端开口,为直径40 mm,管长1066 mm的不锈


钢圆管。稳燃体位于生物质燃烧机1/4管长处,为致密堇青石材质的多孔介质,C02/02/CH4的预混气体在稳燃体上方燃烧。试验发现,Rijke型生物质燃烧机的燃烧温度与P。和痧阿重要关系,CH4未燃尽率呈现出良好


的线性度,随着函的增大而减小。CO?/O?气氛下的热声不稳定频率特性与空气气氛下存在明显区别,其共振频率低于空气气氛下的类似工况结果,当g。。= 83.3或116.7 mL/s时,西≤0.6的工况不能激


发热声不稳定;当q。。= 150 mL/s时,函≤0.7的工况不能激发气热声不稳定。

0  引言

    近年来,Oxy-fuel燃烧技术(即以C02/02的混合气代替空气进行燃烧的方式1日渐受到人们的关注[1-5]。该技术可方便地回收CO?,同时由于烟气的再循环燃烧以及燃烧气氛中没有N2,使烟气中的O


。的排放大为降低,因此,Oxy-fuel燃娆技术一

种新型的可以大规模推广应用的先进燃烧技术。

    热声不稳定性是现代燃气轮机的常见现象之一[6]。热声不稳定是燃烧室内燃烧的热释放与当地声场耦合造成的一种燃烧不稳定现象,其定性的物理机理解释为著名的瑞利准则:当燃烧热释放脉动与


燃烧室声场的相位一致时,燃烧室内的热能被不断转化为声能,最后形成低频大振幅的压力振荡波。燃烧热声不稳定的存在将导致此类燃烧设备的工作性能下降,增加NO。等污染物的排放,甚至会损坏


设备结构。国内外有大量的热声不稳定特性的研究工作。国外的研究文献很多,如Campos-Delgadoc71, Hantschk[81、Annaswamy[91等人的论文,详细的研究现状和文献列表参见论文[10-11]。在国内,


燃烧热声不稳定的研究工作尚处于起步阶段。

    燃气轮机与Oxy-fuel燃烧技术的组合具有较好的应用前景,通过气化技术获得合成气后,随后在燃气轮机中实现Oxy-fuel燃烧,不仅具有很高的能量转化效率,同时也便于控制C02。本文对C0 )/0’


气氛下Rijke型生物质燃烧机的燃烧特性进行了多工况研究。

1  试验装置

    图1为本文进行试验研究的Rijke型预混生物质燃烧机热声特性试验台架的系统图。02、CO)和CH4的气体流量得到了精确控制,精度为1%量程,控制仪器为Alicat系列质量流量控制器。试验生物质燃烧机为一根不


锈钢圆管,下端封闭,上端开口,内径为40 mm,管长为1066 mm,管壁厚度为4mm,外壁面不设保温层,裸露在空气中。生物质燃烧机的稳燃体位于生物质燃烧机1/4管长处,为致密堇青石材质的多孔介质。


C02/02/CH4的预混气体在稳燃体上方燃烧形成平面火焰。

    试验选用的动态压力传感器的频响范围为20 kHz,并采用半无限法测量生物质燃烧机内的压力振荡,以避免引压管的反射效应。数据采集模块为HPE1432A,其采样速度为51200 Hz,采样的精度为读数的


0.01%,使用了自行开发的高速并行的实时数据采集程序进行压力信号的采集,软件平台为Agilent VEE。试验采用测量精度为量程的1%的罗斯蒙特气体分析仪来测量烟气成分。试验开展了系列的工况研


究,如表1~3所示。

2  实验结果及分析

2.1  温度分布分析

    图2是氧化剂流率g。。= 83.3 mL/s,XO:=30%时不同化学当量比下各个工况的温度分布图。本文给出的温度测量结果为热电偶输出的原始数据,没有进行辐射效应的修正,只作为沿程烟气温度水平


的参考值。由图2可见,随着测点高度的增加,温度随之下降,这是由于稳燃体在0.266 5m的位置,离它趟远,温度越低。另外,固定氧化剂流率时,随着化学当量比的减小,燃烧功率不断减小,稳燃体


附近的最高温度不断下降。g。。= 83.3 mL/s,XO。=30%时,函=1.0的最高温度为1019.63 K,函=0.6的最高温度为865.26K,下降了154.37K,约下降了15.14%。从图2中可以看到Ti.o> T0.9>To.8>T0.7> 


T0.6,在相同的氧化剂流率时,化学当量比为1.0的时候,由于C02/02的混合比使得没有多余的燃料或氧化剂成为冷却气体,所以CH4的燃烧最为充分,从而获得了最高的管内温度水平。当化学当比的减


小时,未参与燃烧的C02和02成为多余的冷却气体,降低了管内的温度水平。    图3给出了g。。= 150 mL/s,XO,=30%时不同化

学当量比下各个工况的温度分布图,其变化规律与图2-致。在g。。= 150 mL/s,Xo:=30%时,函=1.0的最高温度为1180.67K,函=0.6时的最高温度为512.01 K,下降了668.66K,约下降了56.6%。另外,


当化学当量比为0.6时,稳燃体附近火焰的温度有个急剧的下降,这是由于燃烧火焰上移造成的,继续降低化学当量比系统将不能维持持续燃烧。与图2相比,图3的温度水平更高,图3中化学当量为1.0时


候稳燃体附近测点的温度为1180.67K,图2中相同位置的温度为1019.63 K,高了161.04K,约15.8%。这是由于增加了进气量,从而提高了燃烧功率,进而提高了管内的温度水平。

    图3温度分布图(g。,- 150 mL/s.XO:-30%)

    Fig.3Temperature distribution (qox =150 mL/s,

    XO:=30%)

2.2  CH4未燃尽率分析

    图4给出了Xo:=30%各工况烟气中的残余氧气浓度,由图4可见,在相同氧气浓度下,当化学当量比增加时,烟气中残余氧气浓度不断下降,燃烧就越充分。当化学当量比函= 0.6时,氧气残余浓度最


高,达13%;当函=1.0时,残余氧气浓度为0.0%。另外,同一氧气浓度下各工况的残余氧气浓度呈现出良好的线性度,在不同氧化剂流率下(qox= 83.3 mL/s,  qox= 116.7 mL/s和qox= 150 mL/s),相同化


学当量比的工况的残余氧气浓度相差很小,3条线基本重合;这说明残余氧气浓度的大小和参加反应的氧化剂流率关系不大,但与化学当量比有重要的关系。图5给出了氧气浓度为25%时各工况的残余氧气


浓度,由图5可见,相同氧气浓度下各工况的残余氧气浓度连线的线性度也都非常好,因g。。= 150 mL/s时系统不能维持工作,因此图5仅给出了2种氧化剂流率下的测量结果。

    Fig.5  0xygen concentration (X02= 25%)

    考察CH4的燃烧完全性时,应该从化学反应式进行研究。基于测量烟气中02的浓度,同时忽略CO产量(10-6量级),对于CH4燃烧反应有如下的化学反应公式:CH4+02+C02+ C02+H20+(残02+(残余)CH4, 


 当XO,=25%时,  得1/2 Qa CH4+a 02+ 3a C07 +C07+H20+02+ CH4,设氧气流率为口/(mL/s),那么C02的流率为3 a/(mL/s),CH4流率为1/2 0a/(mL/s)。同时设x为烟气中的02残余量,则参加反应的氧


气为a-x,烟气中甲烷的含量为1/2 0a - 1/2函∽-x)= l/2Qx,CO)的含量为3a+ 1/2函∞-x),假设{为烟气中的氧气浓度,则可通过烟气中测量得到的氧气浓度计算出未参加反应的甲烷1/2函x,如式(1)


所示,同理可得氧气浓度第26期    周吴等:  C02/02气氛下黎开型生物质燃烧机热声不稳定特性    33为30%时的计算公式。

    Fig.7  Methane un burn-off rate (Xo:-25%)

    对图6~7中的试验数据进行线性拟合,其结果如表4所示,拟合结果获得的相关系数超过了0.99,这一个结论具有实际参考价值:在相同的XO:时,CH4的未燃尽率仅与化学当量比成线性关系,而与


燃烧功率无关,这为设计脉动生物质燃烧机提供了重要的参考。

2.4  热声不稳定特性的分析

    图11给出了氧气浓度为30%时所有试验工况能否激发起热声不稳定的区域划分图。图11中每个点代表一个工况,在固定化学当量比时,纵坐标大表示燃烧功率越大。如图11所示,区域I中没

有发生热声不稳定,区域II激发了热声不稳定。由图11可见,在C02/02气氛下,Rijke型生物质燃烧机激发热声不稳定时存在着明显的区域差别,在g。。=83.3 mL/s和口。。=116.7 mL/s的时候,化学当量比从


0.7到1.0的工况均激发了热声不稳定,而在化学当量比为0.6的时候没有激发起热声不稳定。当g。。= 150 mL/s时,化学当量比从0.8到1.0的工况发生了热声不稳定,化学当量比为0.6和0.7的工况没有


激发起热声不稳定。因此,在C02/02气氛下,对于本文采用的Rijke型生物质燃烧机,并非燃烧功率高就能产生热声不稳定,如当日。。= 116.7 mL/s,XO:-30%,函=0.7时,系统的燃烧功率为416W,激发起了


疆烈的热声不稳定;当g。。= 150 mL/s,XO:=30%,函=0.7时,系统的燃烧功率为536W,Rij ke型生物质燃烧机没有激发起热声不稳定。C02/02气氛下Rijke型生物质燃烧机产生热声不稳定与化学当量比、氧化剂流


率和氧气浓度均存在相互依赖关系,与空气作为氧化剂的情况有很大区别,其共振频率约为400 Hz,远低于空气气氛下的共振频率[20-21],对于本文所采用的Rijke型生物质燃烧机,空气气氛下激发起的热声


不稳定共振频率约为460 Hzllsl。区域I中的工况没有发生热声不稳定,其内在的物理化学机理仍需要进一步进行深入的研究,如采用更先进的测试手段和计算流体力学方法等。

    设计了Rijke型预混生物质燃烧机热声特性台架,Rij ke型生物质燃烧机内径为40 mm,管长为1066 mm,热源位置位于1/4管长处。试验进行了系列C02/02气氛下的燃烧工况研究,获得了以下结论:

    1) Rijke型生物质燃烧机的燃烧温度与燃烧功率及化学当量比均有重要关系,CH4未燃尽率呈觋出良好的线性度,随着化学当量比的增大而减小;另外,CH4未燃尽率与系统的燃烧功率无关。

    2)对于热声不稳定得以激发的试验工况,其主峰不稳定的频率约为400 Hz,振动幅值约为第26期周吴等

    3) C02/02气氛下的热声不稳定的激发特性与空气气氛下的类似工况存在较大差别,其共振频率低于空气气氛下的试验结果。另外,当g。。= 83.3或116.7 mL/s时,函≤0.6时的工况不能激发起热不


稳定;当g。。= 150 mL/s时,函≤0.7的工况不能激发起热声不稳定。


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点击次数:  更新时间:2017-02-09 21:05:18  【打印此页】  【关闭