同熱值不同成分低熱值燃料燃燒特性試驗(yàn)研究

何敏，馮大強(qiáng)，楊靈，吉洪湖

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇南京210016；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

同熱值不同成分低熱值燃料燃燒特性試驗(yàn)研究

何敏1，2，馮大強(qiáng)2，楊靈2，吉洪湖1

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇南京210016；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

針對(duì)低熱值氣體燃料，在保證熱值相同的前提下，采用天然氣摻混氮?dú)夂鸵谎趸細(xì)怏w兩種不同組分的燃料進(jìn)行燃燒特性試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：一氧化碳的燃燒效率比天然氣摻混氮?dú)獾娜紵矢撸粶p小或增大燃料量，天然氣摻混氮?dú)獾娜紵视忻黠@變化，而一氧化碳所得的燃燒效率基本保持不變；在試驗(yàn)件、測(cè)試方法及燃燒室進(jìn)口參數(shù)都相同時(shí)，燃燒室出口溫度分布趨勢(shì)相同。本研究結(jié)果可為低熱值燃料燃燒室試驗(yàn)提供技術(shù)參考。

低熱值燃料；雙燃料噴嘴；雙燃料燃燒室；燃燒特性；試驗(yàn)研究

experimental study

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求不斷增加，使得能源供給日益緊張。各國(guó)在積極開發(fā)新能源的同時(shí)，也在努力開展能源的再利用工作，最大限度地節(jié)約能源。燃燒低熱值燃料的燃?xì)廨啓C(jī)，將鋼廠排放的高爐煤氣、化工廠排放的低熱值尾氣等作為燃料，不僅提高了能源的利用率，而且降低了對(duì)原生能源的需求，減小了大氣污染，越來(lái)越受到人們的廣泛重視。

國(guó)內(nèi)外對(duì)低熱值燃料的燃燒特性作了一定研究，但主要采用數(shù)值計(jì)算[1，2]，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行的研究不多[3～6]。如徐綱等[1]對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒天然氣和燃燒低熱值煤氣進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)原本燃燒天然氣的燃燒室直接改燒低熱值煤氣，會(huì)產(chǎn)生燃料射流速度太快的問(wèn)題，使阻燃孔失效，火焰太長(zhǎng)，高溫燃?xì)庵苯記_擊下筒壁出口；Yamamoto[3]曾對(duì)低熱值燃料的燃燒進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，但對(duì)同熱值不同成分低熱值燃燒特性的差異沒有提及；南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司與美國(guó)通用電氣公司合作研制的PG6561B-L型高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)，采用多管燃燒室，在無(wú)助燃條件下，實(shí)現(xiàn)了含氫量為10.38%、熱值為5 577 kJ/m3的低熱值氣體的穩(wěn)定燃燒[6]。

本文在保證熱值相同的前提下，采用天然氣摻混氮?dú)夂鸵谎趸細(xì)怏w兩種不同的方法，對(duì)低熱值氣體燃料的燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)件及試驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件為某型發(fā)動(dòng)機(jī)的單管燃燒室。原型燃燒室以航空煤油為燃料，其燃燒機(jī)理與燃燒氣體燃料時(shí)有很大不同，尤其是燃燒低熱值氣體燃料時(shí)，要求燃料噴射速度低、燃料在燃燒區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng)。降低燃料噴射速度，可通過(guò)增大噴嘴供應(yīng)管道流通面積及噴口面積(比燃油噴嘴大近百倍)來(lái)實(shí)現(xiàn)；延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，可通過(guò)加大主燃區(qū)長(zhǎng)度、增大主燃區(qū)高度以降低參考速度來(lái)達(dá)到。因此燃燒室改燒低熱值氣體燃料后，為保證扣除燃機(jī)及燃料壓縮系統(tǒng)功率消耗后仍具有足夠的功率輸出，在對(duì)原型火焰筒結(jié)構(gòu)不做大改動(dòng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)如下：適當(dāng)增加主燃區(qū)長(zhǎng)度，延長(zhǎng)燃?xì)庠诨鹧嫱矁?nèi)的停留時(shí)間，以提高燃燒效率；將原燃料噴嘴重新設(shè)計(jì)為雙燃料噴嘴(按負(fù)荷情況切換)，以解決低負(fù)荷狀態(tài)下可能發(fā)生的火焰吹熄現(xiàn)象和滿足所需的流量，并可靠點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒，保障機(jī)組安全運(yùn)行。改進(jìn)后的燃燒室及雙燃料噴嘴如圖1、圖2所示。

圖1 改進(jìn)后的單管燃燒室示意圖Fig.1 Schematic drawing of improved single-tubular combustor

圖2 雙燃料噴嘴示意圖Fig.2 Schematic drawing of dual fuel nozzle

2.2 試驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)裝置如圖3所示，主要由空氣系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)及燃燒室試驗(yàn)件等組成。燃燒室試驗(yàn)件由前后測(cè)量轉(zhuǎn)接段、燃燒室機(jī)匣、燃燒室、雙燃料噴嘴、高能點(diǎn)火系統(tǒng)等主要部件構(gòu)成。前測(cè)量轉(zhuǎn)接段上設(shè)置了進(jìn)口氣流總壓、靜壓和總溫測(cè)點(diǎn)；后測(cè)量轉(zhuǎn)接段上設(shè)置了位移機(jī)構(gòu)，測(cè)量燃燒室出口溫度。

圖3 某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室低熱值氣體燃料試驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic diagram of low calorific value gas fuel experiment system in an aero-engine combustor

采用同一試驗(yàn)件對(duì)兩種燃料進(jìn)行燃料特性試驗(yàn)。第一種是天然氣和氮?dú)獾幕旌先剂稀Ｌ烊粴鈴奶烊粴夤艿婪忸^引出，經(jīng)DI15質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量流量后進(jìn)入混合器。氮?dú)庥蓛?chǔ)液氮罐流出，經(jīng)蒸發(fā)器變?yōu)閴毫s1.6 MPa的常溫氮?dú)猓ㄟ^(guò)緩沖罐穩(wěn)壓后進(jìn)入DI25質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量流量，再進(jìn)入混合器。天然氣與氮?dú)庠诨旌掀髦谐浞只旌?，并由混合器自帶的絲網(wǎng)除沫器過(guò)濾雜質(zhì)，混合后的天然氣與氮?dú)饨?jīng)電動(dòng)閥11進(jìn)入試驗(yàn)件。第二種是一氧化碳?xì)怏w。一氧化碳?xì)怏w從儲(chǔ)氣鋼瓶引出，通過(guò)匯流排匯集到一起后，經(jīng)減壓閥2、手動(dòng)閥3進(jìn)入DI25質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量流量，再經(jīng)電動(dòng)閥7進(jìn)入混合器，最后經(jīng)電動(dòng)閥11供入試驗(yàn)件。為防止空氣混入一氧化碳進(jìn)入試驗(yàn)件引發(fā)危險(xiǎn)，試驗(yàn)前用氮?dú)馔ㄟ^(guò)電動(dòng)閥11排出管道內(nèi)空氣。

3 試驗(yàn)方法

天然氣摻混氮?dú)庠囼?yàn)時(shí)，首先將空氣加溫至設(shè)計(jì)狀態(tài)，然后直接對(duì)天然氣進(jìn)行點(diǎn)火，待天然氣穩(wěn)定燃燒后再向試驗(yàn)件供氮?dú)猓刺烊粴夂偷獨(dú)鈸交毂壤{(diào)節(jié)到試驗(yàn)狀態(tài)(天然氣與氮?dú)獾膿交毂壤秊?.00：3.87，對(duì)應(yīng)的熱值約10 000 kJ/kg)。一氧化碳試驗(yàn)時(shí)，先向試驗(yàn)件供煤油在常壓下點(diǎn)火，著火后調(diào)節(jié)試驗(yàn)件進(jìn)口空氣狀態(tài)至試驗(yàn)狀態(tài)，向試驗(yàn)件內(nèi)供一氧化碳進(jìn)行燃燒(一氧化碳?xì)怏w純度大于99.5%，熱值約10 000 kJ/kg)，同時(shí)降低燃油供應(yīng)直至停止供油，再次進(jìn)行試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試方法及燃燒室進(jìn)口參數(shù)相同。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 燃燒效率

對(duì)兩種燃料進(jìn)行試驗(yàn)研究，在熱值相同條件下，其燃燒效率η與余氣系數(shù)α的關(guān)系如圖4所示。燃燒效率可根據(jù)溫升法計(jì)算，即實(shí)際溫升與理論溫升的比值，其表達(dá)式為：

式中：Tt4為實(shí)際燃燒室出口平均溫度；Tt3為燃燒室入口平均溫度；Tt4th為理論計(jì)算(完全燃燒時(shí))的燃燒室出口平均溫度，利用燃燒過(guò)程前后焓值守恒計(jì)算得到[7]。

從圖中可見，雖熱值相同，但其燃燒效率相差很大。當(dāng)余氣系數(shù)約為7.0時(shí)，天然氣摻混氮?dú)庠囼?yàn)的燃燒效率約0.72，一氧化碳試驗(yàn)的燃燒效率約0.96。減小或增大燃料量，天然氣摻混氮?dú)庠囼?yàn)的燃燒效率有明顯變化，而一氧化碳試驗(yàn)的燃燒效率基本保持不變。

圖4 燃燒效率隨余氣系數(shù)的變化Fig.4 Variation of combustion efficiency with excess air coefficient

原因?yàn)?，利用天然氣摻混氮?dú)獾姆椒m能保證混合物熱值降低，等同于一氧化碳?xì)怏w的熱值，但同時(shí)帶入了氮?dú)?，降低了反?yīng)物濃度，使得反應(yīng)速度下降[8，9]。另外，摻混氮?dú)?惰性物質(zhì))后，一方面直接影響燃燒溫度，進(jìn)而影響燃燒速度；另一方面，將通過(guò)影響混氣的物理性質(zhì)來(lái)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣萚10]。因此，天然氣摻混氮?dú)夂?，其火焰?zhèn)鞑ニ俣仁艿搅擞绊?，燃燒效率降低。由于一氧化碳?xì)怏w未摻混惰性物質(zhì)，因此仍然保持著很高的化學(xué)反應(yīng)速率。

當(dāng)混氣中摻混惰性組分時(shí)，雖然化學(xué)反應(yīng)速度受到了影響，但最大反應(yīng)速度仍發(fā)生在化學(xué)恰當(dāng)比處。因此當(dāng)余氣系數(shù)5.0時(shí)，減小或增大燃料量，天然氣摻混氮?dú)庠囼?yàn)方法所得的燃燒效率明顯降低；當(dāng)余氣系數(shù)為8.5時(shí)，減小或增大燃料量，一氧化碳燃燒特性試驗(yàn)所得的燃燒效率變化不明顯，這是由于當(dāng)氧濃度大于一定值時(shí)，其燃料濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響不明顯[11]。

4.2 出口溫度場(chǎng)

圖5(a)為余氣系數(shù)5.0時(shí)天然氣摻混氮?dú)庠囼?yàn)的燃燒室出口溫度分布云圖，圖5(b)為余氣系數(shù)8.5時(shí)一氧化碳出口溫度分布云圖?？梢?，兩種試驗(yàn)的燃燒室出口截面都存在三塊高溫區(qū)，不同余氣系數(shù)下出口截面的溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)相同。由此可得，試驗(yàn)件、測(cè)試方法及燃燒室進(jìn)口參數(shù)都相同時(shí)，其燃燒室出口溫度分布趨勢(shì)相同。

圖5 燃燒室出口溫度場(chǎng)分布云圖Fig.5 Exit temperature field contours of combustor

5 結(jié)束語(yǔ)

在保證熱值相同的前提下，采用兩種不同的方法進(jìn)行低熱值氣體燃料的試驗(yàn)研究，一是天然氣摻混氮?dú)獾姆椒ǎ抢靡谎趸細(xì)怏w的方法。結(jié)果表明：燃料熱值相同時(shí)，利用一氧化碳?xì)怏w的方法比通過(guò)天然氣摻混氮?dú)獾姆椒ǐ@得的燃燒效率高；減小或增大燃料量，天然氣摻混氮?dú)夥椒ǖ娜紵视忻黠@變化，而一氧化碳方法的燃燒效率基本保持不變；兩種方法的燃燒室出口溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)相同。

另外，研究結(jié)果還表明，燃燒室的燃燒速率與燃料的組分直接相關(guān)，在進(jìn)行燃機(jī)燃燒室低熱值性能試驗(yàn)時(shí)，不能通過(guò)模擬熱值的方法開展燃燒性能試驗(yàn)，必須采用模擬成分的方法進(jìn)行。

[1]徐綱，聶超群，黃偉光，等.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒天然氣和燃燒低熱值煤氣的比較[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(1)：141—144.

[2]朱彤，張毅勐，劉敏飛，等.低熱值煤氣高溫空氣燃燒數(shù)值模擬[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，8(8)：932—937.

[3]Yamamoto T.Low Heating Value Fuel Combustion：Flame?let Combustion Model and NO Formation Model[J].Jour?nal of Propulsion and Power，2006，22(1)：136—144.

[4]Arai N，Yamamoto T.Numerical Simulation of Low Heat?ing Value Fuel Turbulent Diffusion Combustion[C]//.Inter?national Joint Power Generation Conference.2002.

[5]Novick A S，Troth D L.Low NOx Heavy Fuel Combustor Concept Program Addendum:Low/Mid Heating Value Gas?eous Fuel Evaluation[R].NASA CR-165615，1982.

[6]王松嶺，董君，陳海平，等.高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2005，18(4)：22—24.

[7]金如山.航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[M].北京：宇航出版社，1988：17.

[8]傅維標(biāo)，衛(wèi)景彬.燃燒物理學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981：23—24.

[9]岑可法，姚強(qiáng)，駱仲泱，等.高等燃燒學(xué)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002：18—21.

[10]張松壽.工程燃燒學(xué)[M].上海：上海交大學(xué)出版社，1988.

[11]許晉源，徐通模.燃燒學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980：7—8.

Experimental Investigation on Combustion Characteristics of Low Calorific Value Fuel

HE Min，F(xiàn)ENG Da-qiang，YANG Ling，JI Hong-hu
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

To study the combustion process of low calorific value gas fuel,two kinds of gas fuel’substitutes which have the same calorific values were researched in combustion experiment.One was the mixture of nat?ural gas and nitrogen,the other was carbon monoxide.Experimental results show that carbon monoxide's combustion efficiency is better than that of the mixture of natural gas and nitrogen which varies as fuel flow increases or decreases,while that of monoxide basically remains the same;but both of their exit gas temper?ature field distribution is similar when parameters of test specimen,method and combustor inlet conditions are same.The research results provide a valuable technological reference for the experiment of the combus?tor of low calorific value gas fuel.

low calorific value fuel；dual fuel nozzle；dual fuel combustor；combustion characteristic；

V231.2

A

1672-2620(2013)01-0043-04

2012-06-12；

2013-01-24

何敏(1976-)，男，陜西山陽(yáng)人，工程師，博士研究生，主要從事燃燒試驗(yàn)及零部件強(qiáng)度試驗(yàn)研究。