低甲烷濃度煤層氣部分預(yù)混式旋流燃燒器燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究

楊仲卿 楊 鵬 張 力 楊 鑫 郭名女，2

1.低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院

對于甲烷體積分?jǐn)?shù)為30%左右的低甲烷濃度煤層氣，由于其熱值較低，在實(shí)際工程中被大量排放，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時加劇了大氣溫室效應(yīng)［1－3］。因此，開展低甲烷濃度煤層氣的有效利用研究具有非常重要的意義。

熱值較低的可燃性氣體燃燒面臨著燃燒不穩(wěn)定、燃燒效率偏低等問題［4－6］。國內(nèi)外的研究學(xué)者常采用增加鈍體和部分預(yù)混等方式，來增強(qiáng)煤層氣與空氣的混合效果，使之充分燃燒，進(jìn)而提高燃燒效率［7－9］。張海軍、郭雪巖等［10］采用不同湍流模型與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對加裝鈍體結(jié)構(gòu)的燃燒器出口流場進(jìn)行了研究分析。賈瓊、劉鳴等［11］采用雙旋結(jié)構(gòu)對焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣以及天然氣的混燒進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)分析。Meier等［12］對部分預(yù)混條件下的甲烷空氣旋流燃燒火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Yan等［13］對低熱值氣體在部分預(yù)混燃燒器的湍流燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本課題組在前期開展了大量有關(guān)低熱值氣體燃燒的研究工作，張力、王炯等［14］對燃燒用低甲烷濃度煤層氣的氣體輔助燃燒器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在滿負(fù)荷工況下，存在火焰偏長、傾斜率較高、射流剛性較差、噴口附近煤層氣與空氣的混合效果不理想以及爐膛內(nèi)溫度上升緩慢分布不均等問題。針對這些問題，筆者采用在燃?xì)夤芡獗诤椭喂艹隹谠黾逾g體的形式加以改進(jìn)，并通過實(shí)驗(yàn)研究了CH4體積分?jǐn)?shù)為20%的低甲烷濃度煤層氣在部分預(yù)混旋流燃燒器的燃燒特性，分析了速度分布、旋流強(qiáng)度及溫度場的分布情況，研究結(jié)果可為低熱值氣體在工業(yè)實(shí)踐中的轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 旋流燃燒器的設(shè)計

筆者設(shè)計的燃燒器熱負(fù)荷為150kW，其結(jié)構(gòu)示意圖和剖面尺寸圖如圖1、2所示。根據(jù)低甲烷濃度煤層氣的特點(diǎn)，燃燒器的結(jié)構(gòu)采用部分預(yù)混式旋流燃燒器，不僅可以有效提高低甲烷濃度煤層氣的燃燒效率，還可以增加火焰的剛度［15］。燃燒器主要由燃?xì)庵行墓?、支撐管、空氣入口管、腔體、蝸殼和擴(kuò)散孔等構(gòu)成。在距離燃?xì)夤軘U(kuò)散中心孔8cm處加裝一個圓環(huán)形鈍體（D1），一次風(fēng)空氣通過該鈍體后，將在擴(kuò)散孔附近形成中心回流區(qū)；在支撐管后端增加一個漸擴(kuò)型鈍體（D2），燃?xì)夂鸵淮物L(fēng)空氣在噴口前端的預(yù)混度提高，而且燃?xì)獬隹诘妮S向速度將會減少，火焰形狀得以控制。在燃?xì)夤?、一次直流風(fēng)管和二次旋流風(fēng)蝸殼的進(jìn)氣口分別安裝一段直管（16mm×2mm），方便空氣進(jìn)入管道與燃?xì)忸A(yù)混。其中加裝的鈍體D1外徑為39mm，厚度為1mm，D2的圓錐角為34.21°，長度為25mm。

圖1 燃燒器示意圖

圖2 燃燒器剖面尺寸圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。低甲烷濃度煤層氣由管道天然氣和壓縮空氣配制而成，CH4的體積分?jǐn)?shù)為20%～30%，配制好的低甲烷濃度煤層氣進(jìn)入燃?xì)夤埽瑏碜詨嚎s機(jī)的空氣分別進(jìn)入一次直流風(fēng)空氣管和二次旋流風(fēng)蝸殼。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計燃燒器額定熱負(fù)荷的要求，100%熱負(fù)荷運(yùn)行時，甲烷體積分?jǐn)?shù)為20%的燃?xì)饬髁繛?5.2m3／h。燃燒器噴口與一個直徑為600mm、長度為2 000mm臥式布置的圓柱形燃燒室相連接。該燃燒室的入口直徑為148mm；煙氣出口直徑為200 mm，采用電子點(diǎn)火方式引燃低甲烷濃度煤層氣；在燃燒器的上部開有4排共24個測溫孔和4個測壓孔，在距離煙氣出口100mm處，布置有孔徑為4mm的煙氣采集孔。采用S形熱電偶測量了燃燒室溫度場分布；采用熱線風(fēng)速儀測量了燃燒室不同部位的軸向及切向速度分布，并分析了旋流強(qiáng)度的變化規(guī)律。

為了便于描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立圓柱坐標(biāo)系，其中燃燒器噴口與燃燒室的接觸面中心為原點(diǎn)，沿爐膛中心軸線指向煙氣出口為Z軸正方向，垂直于Z軸指向爐壁上方為R軸正方向。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及燃燒特性分析

3.1 燃燒器結(jié)構(gòu)影響

為了對比分析部分預(yù)混燃燒方式和加裝鈍體對低甲烷濃度煤層氣燃燒特性的影響，選取了3種燃燒器結(jié)構(gòu)，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為20%的煤層氣、過量空氣系數(shù)為1.05、直旋配風(fēng)比為5∶5的工況下，研究了燃燒室內(nèi)部溫度場的分布情況。其中S1為擴(kuò)散式燃燒器，在燃?xì)夤鼙诿鏌o擴(kuò)散孔和鈍體D1，在支撐管外也無鈍體D2；S2為部分預(yù)混式燃燒器，在燃?xì)夤鼙诿骈_有擴(kuò)散孔，但無鈍體D1和D2；S3為優(yōu)化設(shè)計的燃燒器，具有擴(kuò)散孔和鈍體結(jié)構(gòu)D1和D2。

3種燃燒器的爐內(nèi)溫度隨Z軸的變化規(guī)律如圖4所示，從圖4可以發(fā)現(xiàn)S3升溫速率最快，但峰值最小，距離燃燒器噴口最近；而S1升溫速率最慢，峰值最大，距離噴口最遠(yuǎn)。這是由于3種燃燒器不同的燃燒方式所造成的，S1屬于旋流擴(kuò)散式燃燒器，相比S2和S3，燃燒火焰長度偏長；S3加裝有鈍體D1和D2，使得燃燒的火焰長度變短，出口保持良好的射流剛性，中心回流區(qū)根部形成高溫分布。對比S2和S3燃燒器的溫度分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)加裝鈍體，可以有效降低燃燒器出口的火焰長度，增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性；但是S3燃燒器的溫度峰值低于S2，說明加裝鈍體，雖然能夠增強(qiáng)射流剛性，降低火焰長度，但也會略微降低溫度峰值，這主要是由于加裝鈍體D2后，鈍體的壁面形成一個流體的滯止區(qū)域，降低了中心軸線上燃?xì)馀c空氣的混合效果。

在當(dāng)前工況下，3種燃燒器滿負(fù)荷運(yùn)行時，在不同橫截面上，溫度沿R軸分布情況如圖5所示。從圖5可以看出由于采用了部分預(yù)混的燃燒方式，在S2和S3橫截面上，距離圓心200mm的范圍內(nèi)，各點(diǎn)溫度均比S1高，這是由于部分預(yù)混燃燒器工作過程中，沿軸向噴射出多股高速高溫燃?xì)?，形成較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，大量下游氣體被卷吸回流，形成中心回流區(qū)。對比Z＝50mm和Z＝150mm橫截面上的溫度分布可知，隨著距離Z軸原點(diǎn)距離的增加，在垂直于Z軸的橫截面內(nèi)，S1和S2型燃燒器的高溫燃燒區(qū)變寬，而S3型燃燒器的高溫燃燒區(qū)變化較小。這說明通過加裝鈍體，可以使得火焰長度變短，偏斜率降低，射流剛性增強(qiáng)，火焰形狀穩(wěn)定，回流區(qū)內(nèi)的逆軸向速度梯度提高，更多高溫?zé)煔獗痪砦脸隹诟?，從而單位容積內(nèi)的放熱強(qiáng)度提高，更利于燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行。

對于低甲烷濃度煤層氣，S3部分預(yù)混式并裝有D1，D2鈍體的燃燒器表現(xiàn)出較好的燃燒性能。下面就針對該型燃燒器，探討其速度分布特性、旋流強(qiáng)度及甲烷濃度變化對溫度分布的影響規(guī)律。

圖4 不同燃燒器結(jié)構(gòu)下爐內(nèi)溫度沿Z軸的分布圖

圖5 不同燃燒器結(jié)構(gòu)下爐內(nèi)不同截面上溫度沿R軸的分布圖

3.2 速度分布特性

燃燒器的旋轉(zhuǎn)射流特性是影響燃燒穩(wěn)定性和效率的關(guān)鍵因素，軸向和徑向速度直接影響到旋轉(zhuǎn)射流的強(qiáng)弱。在過量空氣系數(shù)為1.05、S3燃燒器滿負(fù)荷運(yùn)行的工況下，Z軸的軸向速度隨直旋配風(fēng)比的變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯?，在直旋配風(fēng)比為2∶8時，速度上升最快，峰值距離原點(diǎn)最近，之后延軸線迅速下降，射流剛性較差；在直旋配風(fēng)比為8∶2時，速度上升緩慢，峰值距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)，逆向軸向速度梯度（軸向速度沿Z軸正方向的速度梯度正值）范圍較大，所形成的回流區(qū)較長，能保持一定的射流剛性。這不僅有助于燃?xì)馀c空氣的充分混合，同時促使燃料迅速著火，保持火焰穩(wěn)定。燃?xì)鈬娚渌俣仁怯绊懟亓鲄^(qū)速度大小的關(guān)鍵因素，周圍空氣的流動速度以及噴口的形狀對回流區(qū)也有一定的影響，3種工況下，燃?xì)饬髁亢蛧娚渌俣认嗤S向速度峰值基本相同。因此，隨著直旋配風(fēng)比的增加，沿Z軸的逆軸向速度梯度提高，燃燒器出口氣流的射流剛性得到增強(qiáng)，中心回流區(qū)卷吸高溫?zé)煔獾哪芰μ岣?，有利于燃燒的高效穩(wěn)定進(jìn)行。

圖6 不同直旋配風(fēng)比下S3燃燒器沿Z軸的軸向速度分布圖

圖7 不同截面上S3燃燒器沿R軸的徑向速度分布圖

在過量空氣系數(shù)為1.05、S3燃燒器滿負(fù)荷運(yùn)行的工況下，3個不同位置的橫截面上徑向速度分布規(guī)律如圖7所示。在Z＝50mm與Z＝100mm橫截面上，均存在逆軸向速度梯度；在Z＝200mm橫截面上，逆軸向速度梯度消失。逆軸向速度梯度的存在，有利于高溫?zé)煔獾幕亓鳎纬煞€(wěn)定的高溫區(qū)，從而保證燃燒的穩(wěn)定性，提高燃燒效率。當(dāng)距離燃燒器噴口的距離逐漸增加時，旋轉(zhuǎn)射流影響減弱，沿R軸方向的逆軸向速度梯度變化范圍逐漸減小直至消失。從圖7可以看出，距離噴口一定距離橫截面上的軸向速度都會有波谷產(chǎn)生，這主要是由于中心回流區(qū)影響比較強(qiáng)烈，隨著軸向距離的增加，影響范圍逐漸減小，在Z＝200mm處主流波谷已經(jīng)消失。在3個橫截面處，軸向速度的最小值均分布在爐膛中心軸線上，但截面上其他位置的軸向速度并不是以Z軸對稱分布，主流區(qū)域略偏向上半部，主要是因?yàn)榭諝馔ㄟ^蝸殼將會發(fā)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，具有較大的旋轉(zhuǎn)射流動量，導(dǎo)致上半部軸向和徑向的逆向速度梯度大于下半部。

3.3 旋流強(qiáng)度分析

旋流強(qiáng)度隨著中心回流區(qū)和外圍回流區(qū)的增大而增加，當(dāng)兩者的范圍逐漸增大時，將會導(dǎo)致更多的高溫?zé)煔饣亓?，形成穩(wěn)定的高溫區(qū)，保證燃燒高效穩(wěn)定進(jìn)行。筆者考察了在不同熱負(fù)荷、過量空氣系數(shù)變化以及直旋配風(fēng)比改變的工況下，S3燃燒器噴口中心處旋流強(qiáng)度的變化規(guī)律。在不同直旋配風(fēng)比工況下，燃燒器熱負(fù)荷對旋流強(qiáng)度的影響情況如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)直旋配風(fēng)比保持一定時，旋流強(qiáng)度隨著熱負(fù)荷的增加逐漸增大，這是因?yàn)槿細(xì)夤軞饬鲊娚涮匦詫χ行妮S向氣流影響較大，熱負(fù)荷增加，燃?xì)饬髁侩S之增大，在支撐管出口加裝鈍體能夠提高噴口處回流區(qū)卷吸高溫?zé)煔獾哪芰Γ?5］。在直旋配風(fēng)比為2∶8、燃燒器滿負(fù)荷運(yùn)行的工況下，旋流強(qiáng)度可達(dá)到0.75，這是因?yàn)楫?dāng)熱負(fù)荷保持一定時，燃?xì)饬髁繛槎ㄖ担淮沃绷黠L(fēng)軸向速度遠(yuǎn)大于切向速度，當(dāng)二次旋流風(fēng)量比例增加，旋流強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)直旋配風(fēng)比較小時，旋流強(qiáng)度隨熱負(fù)荷基本呈線性變化規(guī)律。

圖8 不同直旋比下熱負(fù)荷對S3燃燒器旋流強(qiáng)度的影響示意圖

在不同熱負(fù)荷工況下，過量空氣系數(shù)對S3燃燒器噴口中心處旋流強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖9所示。從圖9可以看出，當(dāng)熱負(fù)荷較低時，旋流強(qiáng)度隨過量空氣系數(shù)的增加而緩慢增大；當(dāng)熱負(fù)荷增加到一定程度，隨著過量空氣系數(shù)的增加，旋流強(qiáng)度發(fā)生小幅度波動。這是因?yàn)殡S著過量空氣系數(shù)的增加，進(jìn)入燃燒器的空氣量增大，但是氣流的切向速度和軸向速度增加幅度差別不大。因此，過量空氣系數(shù)的增加導(dǎo)致空氣流量增大所引起的效應(yīng)并不顯著，旋流強(qiáng)度變化不大。當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.05～1.25，熱負(fù)荷達(dá)到100%時，旋流強(qiáng)度可達(dá)到最大值0.55。這是由于燃?xì)夤軞饬鲊娚涮匦詫χ行妮S向氣流影響比較大，隨著熱負(fù)荷的提高，燃?xì)饬髁恐饾u增大，在燃?xì)馔ㄟ^軸向?qū)Я魅~片時，旋轉(zhuǎn)動量顯著提高。因此，隨著熱負(fù)荷的增加，旋流強(qiáng)度逐漸增大。

圖9 不同熱負(fù)荷下過量空氣系數(shù)對S3燃燒器旋流強(qiáng)度的影響示意圖

圖10 不同甲烷濃度下S3燃燒器的爐膛軸向溫度分布圖

3.4 甲烷體積濃度影響

低甲烷濃度煤層氣在抽采過程中常因開采條件變化而發(fā)生濃度變化，實(shí)驗(yàn)研究了煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為20%、25%、30%，距離爐膛入口不同位置處軸向和徑向溫度的分布規(guī)律。

在不同甲烷濃度工況下，S3燃燒器爐膛中心軸線上的溫度隨軸向距離的變化如圖10所示，從圖10可以看出，隨著煤層氣中甲烷濃度的增加，溫度達(dá)到峰值的位置，距離燃燒器噴口越近，且峰值也逐漸增大。當(dāng)煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為20%時，溫度上升緩慢，且峰值較小，距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)，著火過于滯后，導(dǎo)致燃燒不充分，著火不集中，且燃燒器出口溫度接近700K。因此，在燃用較低甲烷濃度煤層氣時，燃燒不充分，效率降低。當(dāng)煤層氣中甲烷濃度為30%時，溫度急劇上升，到達(dá)峰值距離原點(diǎn)的位置最近，且數(shù)值最大，之后溫度下降較快；主流核心面積雖小，但是局部容積放熱強(qiáng)度較高，燃燒高效穩(wěn)定；且出口溫度維持在1 000 K，可以有效避免燃燒器噴口被燒壞。因此，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)煤層氣中甲烷濃度增加時，燃燒器出口的火焰長度變短，形成穩(wěn)定的高溫區(qū)域，燃燒穩(wěn)定，燃燒效率提高。

S3燃燒器在燃用不同甲烷濃度煤層氣時，在Z＝50mm與Z＝100mm兩個橫截面上，溫度隨徑向距離的變化情況如圖所示。從圖11可以看出，溫度的峰值并不是位于該圓截面的中心位置，隨著煤層氣中甲烷濃度的增加，溫度峰值的位置越靠近圓心，燃燒器出口的火焰長度逐漸縮小，高溫?zé)煔饣亓髁吭黾?，單位容積內(nèi)的放熱強(qiáng)度增大，有利于未燃煤層氣的燃燒。對比Z＝50mm和Z＝150mm兩個圓截面內(nèi)的溫度分布，火焰溫度沿Z軸正方向逐漸增大，距離圓截面中心越近，溫度上升更為明顯，到達(dá)峰值后，溫度沿徑向緩慢下降，當(dāng)距離中心超過250mm時溫度的變化趨于平緩。

圖11 不同甲烷濃度下S3燃燒器爐內(nèi)溫度沿R軸的徑向分布圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過測試燃燒室進(jìn)出口甲烷濃度可獲得低甲烷濃度煤層氣的燃燒效率，在所開展的實(shí)驗(yàn)中，燃燒效率超過99%。通過對燃燒室出口煙氣的測定分析，NOx生成量的最大值為20mg／m3，而且部分預(yù)混式氣體燃燒器的火焰長度略短，NOx的生成也可以得到抑制，生成量減少，有利于環(huán)境保護(hù)。

4 結(jié)論

1）通過對3種燃燒器的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)分析，加裝鈍體的燃燒器在燃用甲烷體積分?jǐn)?shù)為20%的煤層氣時，火焰長度短，偏斜率低，射流剛性增強(qiáng)，火焰形狀穩(wěn)定，回流區(qū)內(nèi)的逆軸向速度梯度提高，更多高溫?zé)煔獗痪砦脸隹诟?，從而單位容積內(nèi)的放熱強(qiáng)度提高，有利于燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行。

2）隨著直旋配風(fēng)比的增大，Z軸的逆軸向速度梯度范圍增大，射流剛性增強(qiáng)，中心回流區(qū)域變大；R軸的逆軸向速度梯度范圍隨著距離噴口距離的增加逐漸減小直到消失，回流區(qū)域變小，卷吸高溫?zé)煔獾哪芰ο陆?，不利于燃燒的高效穩(wěn)定。

3）燃燒器噴口中心處的旋流強(qiáng)度隨熱負(fù)荷的增加而逐漸增大；當(dāng)燃燒器熱負(fù)荷達(dá)到50%以后，旋流強(qiáng)度隨過量空氣系數(shù)的增加發(fā)生小幅度的波動。

4）在燃用甲烷體積分?jǐn)?shù)為20%～30%的煤層氣時，隨著甲烷濃度的增加，燃燒室內(nèi)的火焰形狀變短變窄，形成穩(wěn)定的高溫區(qū)域，燃燒高效穩(wěn)定，且噴口附近溫度保持不超過1 000K，可以有效避免噴口被燒壞。

5）綜合考慮流動特性、燃燒溫度、燃燒效率，NOx排放量等因素，加裝鈍體結(jié)構(gòu)的部分預(yù)混式旋流燃燒器燃用低甲烷濃度的煤層氣，燃燒穩(wěn)定，燃燒效率高，可以實(shí)現(xiàn)更好的燃燒。

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