弱旋湍流火焰合成纳米二氧化钛的机理研究

湍流效应在火焰合成纳米TiO_2颗粒工业化规模放大中具有重要影响。本文基于一种内加环形旋流片的弱旋火焰开展了合成TiO_2纳米颗粒的实验研究。对于内径12 mm管式燃烧器,加入旋片后火焰贫燃极限大幅度降低16%～33%,火焰高度也从9.0 cm减少到3.0 cm,焰区温度约减少20%～30%。研究表明,弱旋湍流火焰具有流速大、可燃当量比低和温度低的特点,使其相对无旋火焰可以合成粒径较小、烧结程度较低的TiO_2纳米颗粒。

新型低NO_x浓淡型双调风旋流燃烧器的研究

对新型低ＮＯｘ 浓淡型双调风旋流燃烧器的结构及特点进行了理论分析，并利用冷态等温模化技术进行了气固两相流动模拟实验；对沿周向的浓淡煤粉分布和稳燃环的工作机理进行了实验研究和理论分析，初步了解了低ＮＯｘ 燃烧和低负荷稳燃的机理。

低旋流CH_4/H_2火焰的燃烧特性及稳定性机制研究

为了研究低旋流CH_4/H_2火焰在不同H_2占比(体积分数)条件下的燃烧特性及稳定机制,对当量比为0.7的CH_4/H_2预混气体进行了数值模拟,分析了CH_4/H_2火焰的自相似特性、流场结构及火焰特性,研究了旋流数对富氢燃料回火性的影响。结果表明:随H_2占比增加,CH_4/H_2火焰仍保持自相似特性,其剪切层强度逐渐增加,内剪切层逐渐向中心低速区移动,火焰锋面逐渐向喷嘴移动,火焰形状由"碗"型逐渐变为"W"型,最后变为"V"型,而轴向、径向速度延伸率以及虚拟原点几乎不受H_2占比影响。在H_2占比从80%增加到95%时,燃料的层流火焰速度变化较大,使得流场结构和火焰锋面位置发生剧烈变化。对于中心低速区的CH_4/H_2火焰,当火焰传播速度等于当地气流速度时,火焰稳定;对于内剪切层区的CH_4/H_2火焰,速度梯度产生的旋流使得当地气流产生向下和向中心低速区移动的趋势,从而火焰产生向上移动的趋势,实现火焰稳定。适当减小旋流数,有利于减小富氢燃料回火发生的可能性。

气流入口条件对低旋流燃烧火焰稳定性的影响

为了研究低旋流燃烧器在喷嘴出口气流平均速度为10.12~19.12m/s、入口温度为300~500K、入口压力为101.325~8×101.325kPa条件下的火焰稳定性,对当量比为0.7的甲烷空气预混气体进行了数值模拟,分析了低旋流燃烧器的流场结构及火焰特性,揭示了燃烧稳定的根本原因。结果表明：低旋流燃烧器流场结构受气流入口条件的影响较小,且能够保持自相似特性;轴向和径向速度延伸率以及虚拟原点的位置基本不受气流入口条件的影响;低旋流燃烧器流场随喷嘴出口气流平均速度、入口压力的增加,回火的可能性减小,随入口温度的提高,回火的可能性增大。综合而言,低旋流燃烧器能够在较宽气流入口条件下保持火焰锋面稳定,有利于燃烧器的稳定工作。

浓淡型双调风旋流燃烧器低NOx特性分析

利用冷态等温模化技术对浓淡型双调风旋流燃烧器进行了模拟实验研究。根据实验结果,对双调风旋流燃烧器的结构及特点进行了分析,研究了此种燃烧器的分级送风和浓淡燃烧技术的特点以及稳燃环所起的重要作用。

同心旋流分层预混火焰的动力学模态分析

为了探究同心旋流分层火焰的不稳定燃烧问题,需要对火焰的动态脉动特性进行分析。采用高速摄像捕捉了自激和外激条件下同心旋流分层预混火焰的CH*化学发光动态图像,利用动力学模态分解(DMD)方法研究其主导脉动模态,提取出了相关模态的空间形态和脉动幅值,证明燃烧组织方式的改变会对火焰脉动的形态和规律产生影响。研究发现:模态分解可以反映分层旋流火焰的动态响应特征,并能解析脉动空间结构,验证火焰形态和外激频率对火焰动态响应的影响,其规律和火焰传递函数结果符合,且在分层比0.5~2内提高分层比使释热中心转移到预燃级和主燃级的剪切层内,300Hz^400Hz释热脉动将加强。验证了DMD方法适用于处理分析复杂分层旋流火焰的脉动特征,可为燃烧振荡控制提供参考。

甲烷-空气低旋流火焰中自由基的辐射特性

为了研究低旋流火焰中CH*和OH*自由基的辐射特性,设计了开放式低旋流火焰燃烧器,对旋流数为0.45~0.60,甲烷流速为0.33m/s^0.83m/s的甲烷-空气低旋流火焰进行了实验研究。利用ICCD相机和相应滤光片获取了CH*和OH*的化学发光图像,对CH*中的背景光干扰进行了消除,并研究了旋流数和气流速度对两种自由基辐射发光的影响。结果表明,CH*和OH*都主要分布在火焰锋面上,OH*更能表征化学反应的存在;旋流数对燃烧的反应程度、反应位置以及火焰的结构有明显影响,OH*的轴向峰值和旋流数的线性相关系数为0.975,要强于CH*;随气流速度增大,CH*的发光强度减小,而OH*的发光强度明显增大。

低旋流燃烧室燃烧特性及NOx排放研究

为了进一步了解单筒型低旋流燃气轮机燃烧室特性,对燃烧室内气流低旋流流动、燃烧和污染物排放特性开展了数值模拟研究。自行设计了单筒型低旋流燃烧室,建立了燃烧室内流动和燃烧全三维数值模型,应用商用CFD软件Fluent进行求解。数值模拟结果显示,低旋流燃烧室均能形成典型的"W"形火焰。低旋流燃烧室燃用甲烷和掺氢甲烷时,在低旋流S≤0.575范围内,其污染物排放明显低于高旋流燃烧室,并随着旋流数的增加而降低,当S=0.575时,NOx排放量最低。

预燃室旋流煤粉燃烧器低负荷运行燃烧特性试验研究

预燃室旋流燃烧器的燃烧特性与运行条件和操作参数密切相关,直接影响煤粉燃尽度和污染物排放,一直是工业锅炉系统关注研发的重点。为了探讨预燃室旋流燃烧器在低负荷运行下的燃烧特性及合理操作参数,以14 MW煤粉燃烧试验台架为基础,通过高温热电偶、烟气分析仪和高速摄像机对预燃室内的温度分布、组分体积分数分布及预燃室外的火焰形态进行测量,分析煤粉在预燃室内、外的燃烧过程,同时对其关键操作参数内外二次风量比进行优化。试验结果表明:低负荷运行下预燃室旋流燃烧器可实现煤粉稳定燃烧,同时预燃室内形成中心高温无氧强还原性气氛区域和边壁低温空气层,沿径向出现“风包火、火包粉”的燃烧状态,有利于抑制燃烧初期NO生成和保障燃烧器低负荷长期稳定运行;预燃室外形成稳定性较高的湍流扩散火焰,较长火焰行程及火焰锋面强烈热质交换有利于煤粉后续在炉膛内燃尽,且预燃室出口可避免高温腐蚀;同时在内外二次风量比为1∶2的工况下无氧区域半径最大R=171 mm与其他工况差异较小,而平均温度峰值为1 122℃,强还原性气氛中平均CO体积分数峰值为13.713%,明显优于其他工况,以及火焰行程中火焰长度为4 473 mm优于其他工况,有利于进一步降低NO含量和提高煤粉燃尽率,可作为预燃室旋流燃烧器在46%负荷、过量空气系数1.63,内二次风旋流数1.6运行条件下的最优工况。

双调风旋流燃烧器在W火焰锅炉低氮改造中的应用

针对英国巴布科克公司的300 MW"W"锅炉运行现状,通过采用双调风旋流燃烧器对W火焰锅炉低氮改造,经过动力场模拟试验及燃烧运行优化调整,在保证锅炉效率和运行安全的前提下,大大降低了锅炉原烟NO_x排放浓度,减轻了脱销脱硫系统运行压力,达到了预期效果,为同类型机组超低运行改造、提高机组经济效益将提供有益借鉴,可在同类型锅炉上推广和应用。

同心旋流分层火焰的外激脉动特性统计学分析

为了更深入地理解民用航空发动机低排放燃烧室中的同心旋流分层火焰脉动机制,以丙烷为燃料,在100Hz频率的外激条件下对该类旋流火焰的CH~*化学发光图像进行高频采样,重点通过本征正交分解法(POD)的统计学分析,提取其时间和空间域内的脉动特征。分析结果表明,旋流火焰中4个最主要的脉动模态分别是轴向振荡、径向振荡、火焰脱落和非对称螺旋运动,并且模态1轴向振荡和模态2径向振荡之间具有显著相关性。POD分析方法可作为中心分级贫油预混燃烧不稳定性机理探索的有效手段。

低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。

低热值煤层气燃烧器结构优化的实验研究

对一种低热值煤层气燃烧器进行优化设计,在燃气管内设置导流叶片,并在旋流空气管和燃气管之间增加一根直流空气管,对此燃烧器进行冷态和热态实验,结果表明:改进后的燃烧器旋流强度沿中心轴线比原燃烧器下降平缓,在中心轴线相同位置处大于原燃烧器,改进后的燃烧器旋流强度最大值为0.53;改进后的燃烧器燃烧温度沿中心轴线比原燃烧器上升快,在中心轴线0.55 m处,温度达到最大值1 440 K;在相同热负荷下,温度峰值比原燃烧器更靠近喷口,且比原燃烧器大。原燃烧器火焰尾部温度高,火焰长,局部容积热强度低。

声激励下低旋流火焰动态响应特性研究

针对声激励下甲烷/空气预混低旋流火焰动态响应特性开展实验研究。声激励频率为55∼295 Hz,相对幅值为0.1∼0.3。采用光电倍增管记录火焰自发OH∗荧光信号,采用双麦克风法测量入口气流速度脉动,采用高速相机捕获火焰结构动态响应过程。实验结果表明,小幅值激励下火焰时均结构变化不明显,大幅值低频激励下火焰长度明显增加,推举高度明显减小。低旋流火焰描述函数存在两个波峰和一个局部最小点,65 Hz时火焰增益最大,105 Hz时为局部增益最小点。随着激励幅值的增大火焰出现非线性响应特性,不过激励幅值对火焰描述函数相位基本没有影响。声激励下火焰长度和推举高度发生周期性脉动,低频激励下火焰主要发生轴向跳动,高频激励下火焰主要发生径向脉动。

燃气锅炉低氮燃烧器高速旋流稳焰结构

介绍燃气锅炉低氮燃烧器中常见的稳焰结构,指出其强化混合及稳焰效果都不充分。提出高速旋流稳焰结构,从稳焰效果、空气流量稳定性、加速燃气和空气的混合、抑制氮氧化物形成、对燃烧器调节比影响方面进行性能分析。高速旋流稳焰结构能够较好地实现燃气和空气的高效混合,保证燃烧稳定并抑制氮氧化物形成,但是存在阻力大、影响燃烧器调节比的问题。