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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工况下获得最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(richburn-quickquench-leanburn，RQL)、贫燃料直喷(leandirecinjection，LDI)、贫预混(leanpremixed，LPM)、干低NO。(drylowNO。，DLN)和旋流扩散是目前的成熟燃烧技术。RQL燃烧室的第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(RollsRoyce，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34mg/m3和19mg/m[3-41。旋流扩散燃烧[51的火焰尺寸大、反应时间长，有利于减排第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，反应物初始温度高于混合物自燃温度、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5.6xl0-4MW/m3_Pa[121和8.4xl0-4MW/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1300K、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7mg/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3mm，空气喷嘴内径da为5mm。为便于光学测量，柔和燃烧区采用内径D=60mm、长度/=500mm、厚度d=3mm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排放波动不超过+1mg/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1mg/m3，NO分析精度为+7mg/m3或读数的+5%，CO分析精度为+6mg/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(BP307/10nm)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0.6s，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23mm、43mm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60mm，高146mm(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20mm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