交叉射流生物質(zhì)燃燒機(jī)中CH4柔和燃燒特性分析
搞要：柔和燃燒具備燃燒穩(wěn)定、煙氣出口溫度均勻、NO和CO排放低的特點(diǎn)，有望成為新一代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)。因此，開展柔和燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的探索研究非常必要。煙氣溫度、氧濃度及其與新鮮空氣的摻混對(duì)柔和燃燒的發(fā)生及燃燒性能有重要影響。為此，基于軸向分級(jí)概念建立生物質(zhì)燃燒機(jī)，通過精確控制煙氣回流比例和當(dāng)量比使得煙氣的流量、溫度，氧濃度連續(xù)可調(diào)，設(shè)計(jì)合適的生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)型式使得煙氣在摻混區(qū)和燃料、空氣以交叉射流方式摻混。通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法，從流動(dòng)、熱力學(xué)角度研究分析了回流比例、當(dāng)量比對(duì)OH‘分布、火焰穩(wěn)定性、NO/CO排放等燃燒性能的影響規(guī)律和機(jī)制。實(shí)驗(yàn)以甲烷為燃料，在回流比例r=0.5、當(dāng)量比函=0.6工況下獲得最佳的污染物排放性能：NO為6m∥rri3，CO為5mg/m3。研究結(jié)果將為柔和燃燒在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
0 引言
  燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)朝高燃燒效率、低污染物排放方向發(fā)展，富燃一淬熄一貧燃(richburn-quickquench-leanburn，RQL)、貧燃料直噴(leandirecinjection，LDI)、貧預(yù)混(leanpremixed，LPM)、干低NO。(drylowNO。，DLN)和旋流擴(kuò)散是目前的成熟燃燒技術(shù)。RQL燃燒室的第1級(jí)發(fā)生富燃料燃燒，有利于燃料氮轉(zhuǎn)化為N2，是含氮燃料和含氨低熱值燃料的重要燃燒技術(shù)[i]LDI技術(shù)減小火焰尺寸、縮短反應(yīng)物在燃燒室的停留時(shí)間，有利于減排NO。，用子富氫燃料‘2]，用于CH4燃料時(shí)，可能導(dǎo)致較高CO排放；LPM用于CH4燃料時(shí)，可促進(jìn)NO。與CO的減排，但回火和熱聲震蕩限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用；DLN是西門子、通用電氣公司(GeneralElectric，GE)、羅爾斯一羅伊斯公司(RollsRoyce，R-R)等燃機(jī)廠商成熟應(yīng)用的天然氣燃燒技術(shù)‘3]，GE公司的MS9001H天然氣燃機(jī)采用該技術(shù)時(shí)NO。和CO排放分別為34mg/m3和19mg/m[3-41。旋流擴(kuò)散燃燒[51的火焰尺寸大、反應(yīng)時(shí)間長，有利于減排第8期  黃明明等：交叉射流分級(jí)生物質(zhì)燃燒機(jī)中CH。柔和燃燒特性分析但對(duì)控制NO。排放不利。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，有必要探索新型燃燒技術(shù)，進(jìn)一步降低污物排放。
  柔和燃燒源于鍋爐領(lǐng)域的高溫空氣燃燒技術(shù)‘6]，反應(yīng)物燃燒前經(jīng)回流煙氣稀釋和預(yù)熱，反應(yīng)物初始溫度高于混合物自燃溫度、反應(yīng)溫升低于自燃溫度是其基本要素‘7]，能實(shí)現(xiàn)NO。與CO雙低排放，具備燃燒穩(wěn)定、煙氣出口溫度分布均勻、低噪聲的特點(diǎn)，有望成為新一代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)。
  利用回流煙氣稀釋、預(yù)熱反應(yīng)物是實(shí)現(xiàn)柔和燃燒的手段。Gupta等先后基于同軸射流[8-9]、切向旋流[10]、交叉射流[11]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CH4柔和燃燒模型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，采用不同噴嘴布置形式組織生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，使得燃料、空氣在反應(yīng)前和煙氣充分摻混，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)區(qū)域分散的柔和燃燒，并根據(jù)0H+分布、N0和CO排放等特征比較同軸射流、切向旋流、交叉射流3種摻混方式的燃燒性能[12-13]，結(jié)果表明交叉射流模型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)有利于空氣和燃料反應(yīng)前與回流煙氣充分摻混，熱強(qiáng)度為5.6xl0-4MW/m3_Pa[121和8.4xl0-4MW/m3_Pa[131時(shí)NOx排放均小于7mg/m3。
  Yu籌[14]和Wunning等[15]的研究表明煙氣回流比例是決定柔和燃燒實(shí)現(xiàn)與性能的重要參數(shù)。Dally等[16]基于50%H7+50%CH4燃料設(shè)計(jì)柔和燃燒分級(jí)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，輔助生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)產(chǎn)生一定比例的煙氣和空氣、氮?dú)鈸交欤纬蓽囟?300K、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～9%的氧化劑，燃料在該氧化劑氛圍中發(fā)生柔和燃燒，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，NO排放僅7mg/m3。該分級(jí)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)可精確控制輔助生物質(zhì)燃燒機(jī)產(chǎn)生的煙氣流量，但需利用氮?dú)庀♂尶諝庵烈欢ㄑ鯘舛取?shí)際柔和燃燒中空氣直接經(jīng)煙氣稀釋而非氮?dú)猓虼瞬捎脽煔庵苯酉♂尶諝獾姆旨?jí)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)能更真實(shí)模擬氣回流比例對(duì)柔和燃燒性能的影響。
  前期，作者所在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)柔和燃燒應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的應(yīng)用開展了大量研jL[17]，建立了分級(jí)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)f如圖11，研究了交叉射流、同軸射流等不同形式的煙氣與新鮮燃料、空氣的摻混結(jié)構(gòu)型式，認(rèn)為交叉射流摻混更加快速有效[17]。實(shí)驗(yàn)對(duì)比[18]了CH4分級(jí)柔和燃燒和旋流擴(kuò)散燃燒的NO排放，結(jié)果顯示前者的NO排放更低。當(dāng)量比0.8時(shí)，分級(jí)柔和燃燒的NO排放相對(duì)旋流擴(kuò)散低26%。文獻(xiàn)[18]主要分析了回流比例和當(dāng)量比對(duì)柔和燃燒火焰形態(tài)的影響，文中墓于該分級(jí)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)深入研究了回流比例和當(dāng)量比對(duì)OH*分布、NO和CO排放的影響，并開展了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)冷態(tài)摻混模擬，試圖從流動(dòng)角度闡釋煙氣回流對(duì)柔和燃燒的影響機(jī)制。
1 生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)和實(shí)驗(yàn)手段
  如圖2(a)所示，實(shí)驗(yàn)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)由煙氣發(fā)生區(qū)、摻混區(qū)和柔和燃燒區(qū)3部分構(gòu)成。煙氣發(fā)生區(qū)的空氣和燃料以旋流擴(kuò)散方式燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠趽交靺^(qū)和新鮮未燃燃料、空氣以交叉射流方式摻混，進(jìn)而在柔和燃燒區(qū)繼續(xù)燃燒。如圖2(c)所示，摻混區(qū)由圓形管道、2個(gè)燃料噴嘴和2個(gè)空氣噴嘴組成，其中燃料噴嘴內(nèi)徑df為3mm，空氣噴嘴內(nèi)徑da為5mm。為便于光學(xué)測(cè)量，柔和燃燒區(qū)采用內(nèi)徑D=60mm、長度/=500mm、厚度d=3mm的石英玻璃罩，火焰、煙氣可通過導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射等方式向外界散熱，導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)溫度下降，但并不影響煙氣回流比例、當(dāng)量比對(duì)流場(chǎng)、燃燒特性影響的定性比較，本文對(duì)此作了忽略簡化。
  煙氣發(fā)生區(qū)入口新鮮燃料、空氣質(zhì)量流量分別記為/Tlfl和垅。l，摻混區(qū)入口新鮮燃料、空氣質(zhì)量流量分別記為/Tlf2和m。2，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定煙氣發(fā)生區(qū)和摻混區(qū)入口斯鮮燃料空氣的當(dāng)量比薪目等，定義煙氣回流
  實(shí)驗(yàn)以純度99.9%的CH4為燃料，工況如表1，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果[18]設(shè)定4組工況的回流比例為0.4～0.7，結(jié)合燃機(jī)燃燒室運(yùn)行特征，實(shí)驗(yàn)中固定空氣流量，通過改變?nèi)剂狭髁空{(diào)節(jié)當(dāng)量比；燃料、空氣均為常溫，工作壓力為常壓。
  實(shí)驗(yàn)中，柔和燃燒區(qū)出口布置水冷煙氣取樣探針，如圖2(b)，取樣煙氣引入Test0350加強(qiáng)型煙氣表1CH4柔和燃燒實(shí)驗(yàn)工況柔和煙氣分析儀，電化學(xué)傳感器分析煙氣中02.NO、CO含量，待實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定、NO和CO排放波動(dòng)不超過+1mg/m3時(shí)讀取數(shù)據(jù)。污染物排放分析誤差主要源于分析儀的系統(tǒng)誤差，儀器分析NO和CO排放的分辨率為1mg/m3，NO分析精度為+7mg/m3或讀數(shù)的+5%，CO分析精度為+6mg/m3或讀數(shù)的+5%。0H4是化學(xué)反應(yīng)瞬間產(chǎn)生的自由基，可表征反應(yīng)區(qū)位置與尺寸[19]，帶窄帶濾波片(BP307/10nm)的ICCD相機(jī)捕獲OH‘自發(fā)熒光信號(hào)，相機(jī)光圈設(shè)置f4.5，曝光時(shí)間0.6s，單工況連續(xù)拍攝100幅圖片，經(jīng)背景修正處理后得到平均圖。由于火焰抬升、反應(yīng)區(qū)域分散程度是研究柔和燃燒的重要信息，OH*捕獲位置始于摻混區(qū)出口，具體位置見圖2(b)。
2計(jì)算方法
  采用商用CFD軟件Fluent計(jì)算了當(dāng)量比0.6、回流比例0.4～0.7時(shí)的流場(chǎng)。煙氣發(fā)生區(qū)和摻混區(qū)入口新鮮燃料、空氣流量根據(jù)當(dāng)量比0.6工況給定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，摻混區(qū)新鮮燃料、空氣和煙氣友生區(qū)的主流高溫?zé)煔鈸交臁ＤM過程中，設(shè)置煙氣發(fā)生區(qū)燃料入口、空氣入口邊界條件時(shí)，組分和溫度根據(jù)Chemkin程序計(jì)算的當(dāng)量比qL0.6時(shí)CH4和空氣完全燃燒的值給定，摻混區(qū)入口給定新鮮燃料和空氣。簡化模擬的流場(chǎng)可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)不足，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提供定性參考。模擬過程中采用穩(wěn)態(tài)、隱式、不可壓流動(dòng)求解器；可實(shí)現(xiàn)尼一模型模擬湍流，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的煙氣發(fā)生區(qū)生旋流，可實(shí)現(xiàn)k模型能更準(zhǔn)確的模擬旋流特征[20]；入口和出口湍流強(qiáng)度設(shè)置5%壓力速度耦合采用算法，動(dòng)量、能量、組分方程采用二階迎風(fēng)格式；所有變量殘差小于10-4時(shí)計(jì)算收斂。開展網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證時(shí)劃分3種密度網(wǎng)格。
空氣射流進(jìn)入摻混區(qū)誘導(dǎo)產(chǎn)生漩渦。r=0.4時(shí)，摻混區(qū)空氣流量較大，空氣射流進(jìn)入摻混區(qū)誘導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)漩渦，并卷吸燃料射流，空氣和燃料直接摻混。隨著r的增加，摻混區(qū)空氣流量減小，空氣誘導(dǎo)漩渦的強(qiáng)度減弱；煙氣發(fā)生區(qū)主流對(duì)摻混區(qū)流場(chǎng)的作用增強(qiáng)，從rt0.5開始摻混區(qū)燃料射流發(fā)生偏斜，因?yàn)闊煔獍l(fā)生區(qū)高溫?zé)煔饨?jīng)空氣旋流器進(jìn)入生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，旋流高溫?zé)煔膺M(jìn)入摻混區(qū)時(shí)使得燃料射流偏斜。r增加到0.7時(shí)，摻混區(qū)空氣誘導(dǎo)漩渦較小，集中在摻混區(qū)中心，燃料射流隨主流旋轉(zhuǎn)，即燃料先和煙氣摻混，經(jīng)煙氣預(yù)熱、稀釋后和空氣混合，有利于柔和燃燒的實(shí)現(xiàn)。
  圖5是摻混平面及下游23mm、43mm這2個(gè)橫截面上的溫度云圖。r=0.4時(shí)，摻混平面及下游平面溫度低且坰勻，幾乎看不到高溫?zé)煔鈪^(qū)。隨著r的增加，摻混平面高溫?zé)煔鈪^(qū)的面積逐漸增大，說明流在摻混區(qū)流動(dòng)混合中的作用增強(qiáng)。r為0.6和0.7時(shí)，摻混平面上的高溫?zé)煔庠诳諝狻⑷剂仙淞髦g，說明此時(shí)空氣和燃料未直接摻混，而是先
分別和高溫?zé)煔鈸交臁Ｔ摀交焯卣鳛槿岷腿紵龣C(jī)制的建立創(chuàng)造了條件，因?yàn)槿剂稀⒖諝庀群蜔煔鈸交旌螅瑴囟壬叨鯘舛冉档停@種“高溫低氧”氛圍正是柔和燃燒所需的反應(yīng)條件[17]。
3.2熱態(tài)實(shí)驗(yàn)
3.2.2 柔和燃燒區(qū)的0H+分布
  圖6是不同工況柔和燃燒區(qū)的0H4分布，拍攝區(qū)域始于摻混區(qū)出口，寬60mm，高146mm(如圖2(b))。為定量比較不同工況的0H+強(qiáng)度，在0H8分布圖片上每隔一個(gè)像素高度選擇一條橫截線，Matlab程序計(jì)算得到每條橫截線的0H8強(qiáng)度峰值（以下簡稱OH+峰值1，0H4峰值沿軸向的分布如圖7。
  回流比例r為0.4和0.5工況的0H4分布較集中，尤其是qL0.5～0.6時(shí)，0H+集中在摻混區(qū)出口20mm以內(nèi)，OH‘峰值高，說明火焰溫度高，呈現(xiàn)擴(kuò)散燃燒特征。因?yàn)榈突亓鞅壤龝r(shí)，摻混區(qū)空氣射流誘導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)漩渦，和燃料射流直接摻混、燃燒。另外，r為0.4和0.5時(shí)，OH*分布隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)類似：函從0.5增至0.8，0H+分布更加分散，反應(yīng)區(qū)體積增大，0H+峰值降低，0H4峰值位置向下游移動(dòng)。以r=0.4為例，痧認(rèn)0.5變化到0.8，反