中智科仪EyeiTS高速像增强模组助力研究烟气内部再循环对非预混甲烷燃烧不稳定性的表征

  导读:贫燃预混(LPM)燃烧是一种有效降低NOx排放的技术,但存在燃烧不稳定性的问题。上海同济大学机械与能源工程学院朱彤教授团队通过数值模拟和实验,探讨内部烟气再循环喷嘴结构和全局当量比对非预混甲烷燃烧中燃烧不稳定性的影响。成果以“Characterizing combustion instability in non-premixed methane combustion using internal flue gas recirculation”为题发表于期刊“Applied Energy”。

 

  研究背景

 

  为了消除氮氧化物(NOx)排放以满足法规要求,贫燃预混(LPM)燃烧似乎是燃气轮机燃烧系统中最可靠的技术。在LPM燃烧中,燃料和空气的反应物在燃烧器上游完全混合。注入过量空气以降低火焰温度并消除NOx形成,因此系统通常在接近贫燃熄火极限(LBO)的贫燃条件下运行,存在燃烧不稳定性的问题。

 

  尽管LPM燃烧中的燃烧不稳定性已被广泛研究。但关于使用内部烟气再循环(IFGR)的非预混甲烷燃烧中的燃烧不稳定性的研究较少。本研究旨在通过实验和数值模拟,探讨IFGR喷嘴结构和全局当量比对非预混甲烷燃烧中燃烧不稳定性的影响。这项研究有助于理解IFGR技术在非预混燃烧中的作用,并为进一步研究低NOx燃烧技术提供理论基础。

 

  实验装置及方法

 

图1 (a)燃烧器系统全览示意图 (b)非预混甲烷IFGR喷嘴结构

  图2 喷嘴结构(a)喷嘴0(b)带有还原空气管的IFGR喷嘴

 

  实验在一个实验室规模的非预混甲烷燃烧系统中进行,如图1所示。系统配备了可更换的IFGR喷嘴结构。IFGR喷嘴由五个主要部件组成:燃料管、还原空气管、烟气管、90度钝体和30度旋流器。还原空气管包含一个比空气入口小的空气出口,以增加空气出口附近的流速并实现再循环。

 

  实验通过改变IFGR喷嘴结构(图2)和全局当量比Φ进行。全局当量比定义为表征燃料-空气比的参数。

 

  使用两个质量流量控制器控制燃料流量和空气流量。使用两个齐平安装的麦克风收集压力振荡的变化。使用光电倍增管和带通滤波器测量火焰CH*化学发光发射。使用搭载带通滤波器和像增强器(EyeiTS-S-HQB-F)的高速摄像机捕捉火焰的CH*自由基发射。

 

  所有实验条件下的热负荷保持在4.5kW。实验中使用了多个测量工具以收集和记录燃烧过程中的各种数据。

 

  实验结果

 

  如图3所示,图中对比了实验中火焰的时间平均CH*自由基发射与雷诺平均纳维尔-斯托克斯(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)数值模拟中燃烧室横截面的预测归一化进展变量。结果显示,不同喷嘴结构下火焰形状的变化趋势与预期一致。然而,由于RANS预测的局限性,喷嘴4、5结构中的未混合反应物和不稳定燃烧未能被准确预测。总体而言,数值模拟能够显著捕捉到火焰形状的缩短,但某些喷嘴结构因燃烧不充分而不被视为研究重点。

 

  图3 模型验证结果

  图4 所有喷嘴结构的可燃性极限和稳定性图。给出了喷嘴5在整体当量比Φ为0.7时的时间平均火焰形状

 

  图4描述了不同IFGR喷嘴结构对燃烧系统可燃性极限和稳定性的影响。随着IFGR强度的增加,贫燃熄火极限(LBO)提高,且喷嘴出口速度增加导致火焰长度缩短。热声振荡更易在接近贫燃极限的条件下发生。

 

  图5 全部喷嘴的时间平均火焰形状,全局当量比0.7

 

  图5展示了所有喷嘴结构在全局当量比Φ为0.7时的时间平均火焰形状。观察到随着IFGR强度的增加,火焰长度从喷嘴0的32毫米缩短到喷嘴 5的18毫米。在喷嘴 4和喷嘴 5中,火焰逐渐显示出明显的非对称热释放率区域,表明反应物混合不完全,难以形成稳定燃烧。

 

  图6 有无IFGR喷嘴下,不同全局当量比下的时间平均火焰形状

 

  图6展示了不同全局当量比下有无IFGR的喷嘴结构的时间平均火焰形状。无论喷嘴结构类型如何,降低全局当量比都会导致火焰长度减少。在高全局当量比下,火焰需要更多的反应空间,因为紧凑燃烧室内氧化剂混合物不足。随着全局当量比的降低,火焰反应范围更加缩短。

 

  接下来进一步研究了不同的火焰燃烧模式和分岔现象(稳定燃烧、间歇振荡、极限环)。

 

  图7展示了喷嘴 1中不稳定性周期内火焰和流动形状的动态信息。观察到强烈的热释放波动。当燃烧系统处于间歇振荡模式(Φ = 0.5)时,火焰因流场波动而强烈卷曲,导致火焰表面积的快速破坏。对于极限周期模式(Φ = 0.46),这种波动在更切向减小的波动区域内显著加强。火焰在更低的全局当量比(Φ = 0.42和0.4)的准周期模式中进一步切向减小。空间反应范围随着热释放强度的增加而减少。局部点火和吹熄区域(用白色虚线标出)说明了为什么燃烧不稳定性会在接近LBO的贫燃条件下发生。

 

  图7 喷嘴1相位平均火焰的演化

  图7 喷嘴1相位平均火焰的演化

 

  图8展示了喷嘴 0在不同全局当量比下的CH*化学发光的周期性运动。这些图像揭示了在超贫燃条件下(Φ = 0.29),火焰的局部点火和吹熄现象,这些现象用白色虚线圈标记出来。这些观察结果有助于理解在不同燃烧条件下火焰动态的变化,特别是在接近极限燃烧条件时火焰的稳定性和反应性。通过分析CH*化学发光,可以对火焰内部的热释放率和反应区域的分布有更深入的认识,这对于研究燃烧不稳定性的特征和控制策略至关重要。

 

  总结

 

  本研究通过实验方法研究了非预混甲烷燃烧中IFGR技术的燃烧不稳定性,发现IFGR结构和全局当量比对燃烧极限和稳定性有显著影响。研究揭示了不同燃烧模式和分岔现象,并建立了对流时间的计算方法,证实了对流时间在燃烧不稳定性中的关键作用。研究结果强调了IFGR结构和操作条件对燃烧系统动态特性的影响,为低NOx燃烧技术的发展提供了理论依据。

 

  论文链接:

 

  https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123602

 

  免责说明:中智科仪(北京)科技有限公司公众号发布的所有内容,包括文字和图片,主要基于授权内容或网络公开资料整理,仅供参考。所有内容的版权归原作者所有。若有内容侵犯了您的权利,请联系我们,我们将及时处理。

 

  解决方案

 

  由中智科仪自主研发生产的EyeiTS像增强模组适用于灵敏度要求以及高速采集速度要求较高的实验:

 

 

  01、单光子探测灵敏度:

 

  在火焰燃烧诊断实验中,选用Hi-QE Blue 光阴极,在紫外波段的量子效率高达30%以上;更高增益的双层MCP可选,最高增益高达15万倍,支持单光子信号探测。

 

  02、超高采集频率:

 

  EyeiTS高速像增强模组最高可支持百万帧高速成像采集。

 

  03、精准的时序控制:

 

  EyeiTS高速像增强模组可选择D410时序同步控制器,具有3路独立输入输出的时序同步控制器,最短延迟时间为10ps;

 

  04、高通量紫外镜头:

 

  F/2超大通量紫外镜头专为火焰燃烧优化设计。

2025-01-10