在旋流稳定的氨-甲烷-空气燃烧器中通过二次空气注入减弱热声不稳定性

  导读:随着对无碳或碳中性能源需求的增加,氨作为零碳燃料受到关注。上海交通大学吕兴才教授团队研究了二次空气注入对NH3-CH4-空气燃烧器中热声不稳定性的影响。成果以“Attenuation of thermoacoustic instabilities in a swirl‑stabilized NH3–CH4–air combustor with secondary air injection”为题发表于期刊“ Experiments in Fluids”

 

  研究背景

 

  近年来,电力和能源部门对无碳或碳中性能源的需求不断增加。氨(NH3)具有更高的体积能量密度,并且比氢更容易生产、运输和分配,现在作为可再生和可持续的零碳燃料,吸引了学术界和工业界的兴趣。不过,NH3的低位热值和低反应性使其在燃气轮机中的应用面临挑战。现在通常建议使用NH3-CH4混合物而不是纯NH3,以实现可接受的能量释放密度、点火性能和燃烧效率。然而,纯NH3和混合NH3燃料在燃气轮机中的应用仍面临严峻挑战。其中一个最关键的挑战是实现稳定燃烧和低NOx排放。

 

  本研究探讨了二次空气注入对NH3-CH4-空气燃烧器中热声不稳定性的影响。实验结果表明,二次空气注入能有效抑制热声不稳定性,并减少未燃烧的NH3和CO排放,同时在特定条件下降低NOx排放。二次空气注入通过改变主燃烧区下游的速度和压力分布,影响涡流结构的形成和演化,从而减轻热声耦合。

 

  实验装置及方法

 

  实验装置:

 

  实验使用了一个实验室规模的燃气轮机模型燃烧器。空气流量由质量流量控制器控制,空气被预热至373±5 K。NH3和CH4的流量分别由两个质量流量控制器控制。燃料和预热空气通过蜂窝状结构进入燃烧室,然后通过轴向旋流器进入。旋流器由八个叶片组成,安装在直径为19.5 mm的中心轴上,与喷射器轴线的倾斜角为40°。燃烧器中的压力振荡通过一个高灵敏度压力传感器测量,并采用了一个20m长的半无限长管减轻声波反射并保护传感器免受高温的影响。一个光电倍增管(PMT)与一个带通滤光片(310nm ± 10nm)耦合,用于量化火焰OH*基团发光强度,作为纯烃火焰热释放率的指标。

 

  图1 燃烧器示意图

 

  实验方法:

 

  压力传感器和PMT同时以20kHz的采样率记录,数据通过NI采集卡采集并通过LabVIEW程序保存。二次空气注入系统位于燃烧器入口下游70 mm处,由两个方形管道组成,管道上覆盖有直径为2mm的孔。火焰OH和NH-CL(Chemi-Luminescence, 化学发光)成像,以及粒子图像测速(PIV)诊断组成火焰燃烧诊断系统。使用傅里叶变换红外(FTIR)气体分析仪分析燃烧器排气中的未燃烧NH3、NOx和CO排放。

 

  火焰OH和NH-CL图像由两台高速相机配备增强器(EyeiTS-D-HQB-F)捕获。每个图像增强器都附有105 mm焦距的镜头。两个高透射率带通滤波器(310 ± 10 nm和343 ± 10 nm)分别安装在两个镜头前,以捕获OH和NH–CL信号。在实验过程中,PIV、OH和NH–CL成像、PMT和压力传感器同时触发。

 

  需要注意的是,PIV和火焰CL相机以2000fps的速度捕获图像,每个时间分辨系列中的图像都根据PMT测量的信号对准特定相位。

 

  实验条件:

 

  燃烧器在所有测试中始终以20 kW运行。混合物的体积速度U范围为5.76-13.02 m/s。NH3比例XNH3定义为NH3-CH4混合物中的体积分数,从0变化到80%,间隔为20%。二次空气注入率η设置为10%、20%和40%。主当量比ϕpri,测试涵盖了从0.7到1.4,间隔为0.05的主当量比。

 

  图2 (a)二次空气注入系统、(b)火焰燃烧区域定义、(c)燃烧诊断系统示意图

 

  实验结果

 

  图3展示了有无二次空气注入的火焰的宽带图像和反演Abel变换的OH和NH图像。无二次空气注入时,伴随NH3比例的增加,火焰颜色从蓝色变为橙黄色,火焰高度也随NH3含量增加而增加;有二次空气注入时,火焰结构更紧凑,OH和NH信号主要分布在火焰剪切层和燃烧室壁附近。二次空气注入改变了下游边界条件,影响了主燃烧区的流动结构。

 

  图3 火焰图像和反演Abel变换的OH和NH图像

  图4 在ϕpri =1时,20% NH3火焰无二次空气注入(a-c)和40%二次空气注入(d-f)时压力和OH*波动的时间序列、光谱分析和三维相空间

 

  图4 展示了无/有二次空气注入的动态压力时间序列、频谱和三维相空间。无二次空气注入时,观察到大振幅压力和OH*周期性振荡;有40%二次空气注入时,不稳定性以两个主导时间尺度为特征,系统达到了双稳态振荡。

  图5 无二次空气注入(a)和40%二次空气注入(b) 20% NH3火焰在ϕpri= 1(左)的自激发火焰和流动动力学、振荡周期中压力和OH*波动的时间序列(右)

 

  图5 展示了图4两个相位状态的无二次空气注入(a)和有40%二次空气注入(b)的自激火焰和流动动力学(左)。振荡周期内压力和OH*波动的时间序列(右)。无二次空气注入时,火焰的轴向振荡显著,火焰根部大小有显著横向变化;有40%二次空气注入时,火焰的轴向振荡较弱,火焰根部大小基本保持稳定,流动场中出现明显的涡流脱落现象。

 

  总结

 

  本文同时研究了二次空气注入对NH3富集的预混合旋流稳定CH4-空气燃烧器中的热声不稳定性及排放的影响。通过火焰和流场结构、相位平均火焰和流场演化以及POD分析了二次空气注入影响热声不稳定性的机制。此外,使用FTIR进行了排放测量,以研究二次空气注入对排放的影响。研究证实二次空气注入可以显著减轻热声耦合并减少NH3-CH4燃料燃气轮机燃烧器中的污染物排放。这些发现有助于更好地理解二次空气注入如何影响热声不稳定性,并为NH3-CH4燃料燃烧系统的设计和优化提供了实验验证。

 

  论文链接:

 

  https://doi.org/10.1007/s00348-024-03826-9

 

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2024-12-20