燃燒誘發(fā)熱聲不穩(wěn)定特性及控制研究.pdf

1、在動(dòng)力領(lǐng)域，燃?xì)廨啓C(jī)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和功率輸出范圍大等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)的成熟，燃?xì)廨啓C(jī)將被大量使用。隨著人們對(duì)環(huán)保要求的日益提高，燃?xì)廨啓C(jī)普遍采用了貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)來(lái)降低NOx的排放水平，但是這種技術(shù)往往使得燃?xì)廨啓C(jī)在工作中激發(fā)起燃燒熱聲不穩(wěn)定，即大振幅的低頻壓力振蕩。當(dāng)熱聲不穩(wěn)定足夠強(qiáng)烈時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備疲勞損傷，降低燃燒效率，增加污染物排放，甚至產(chǎn)生事故熄火等。本文主要研究燃燒誘發(fā)的熱聲不穩(wěn)

2、定特性及其控制方法。在Rijke型燃燒器和旋流燃燒器上，分別采用了試驗(yàn)研究手段和數(shù)值模擬方法，研究了化學(xué)當(dāng)量比、進(jìn)氣速度、旋流強(qiáng)度等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)這兩種燃燒器的熱聲不穩(wěn)定特性的影響；進(jìn)而在旋流燃燒器上采用了橫向射流的湍流擬序結(jié)構(gòu)干預(yù)燃燒過(guò)程激發(fā)的熱聲不穩(wěn)定，研究其控制效果以及對(duì)煙氣排放特性和燃燒效率的影響。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴研究了Rijke型燃燒器的熱聲不穩(wěn)定特性。Rijke型燃燒器內(nèi)熱聲不穩(wěn)定達(dá)到極限周期振蕩時(shí)的壓力信

3、號(hào)為時(shí)不變信號(hào)，類似正弦波；起振過(guò)程包括了初始激發(fā)、振幅劇烈增長(zhǎng)和壓力波形微調(diào)3個(gè)階段。熱聲不穩(wěn)定的主峰振幅隨著化學(xué)當(dāng)量比的增加而增加，在化學(xué)當(dāng)量比為1.1時(shí)激發(fā)了最大的熱聲不穩(wěn)定振幅，然后隨著化學(xué)當(dāng)量比的增加而降低。另外，熱聲不穩(wěn)定的主峰振幅隨著進(jìn)氣速度的增加而迅速增大，在uRijke<0.1 m/s時(shí)，其變化規(guī)律接近線性，但是其線性規(guī)律受化學(xué)當(dāng)量比的影響很大。
　　 ⑵采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法研究了Rijke管自激熱聲

4、不穩(wěn)定，模擬得到的聲壓級(jí)為156 dB，共振頻率為294 Hz；與試驗(yàn)聲壓級(jí)147 dB，共振頻率269 Hz基本一致；在考慮管壁散熱后，模擬得到的聲壓級(jí)為157 dB，共振頻率為269Hz。Rijke管的起振溫差與進(jìn)口的邊界條件有重要關(guān)系，臨界起振溫差在240 K到290 K之間，共振頻率隨著進(jìn)氣溫度的上升不斷增加。工質(zhì)種類對(duì)熱聲不穩(wěn)定的起振速度影響不大，但對(duì)振幅和頻率均有重要的影響，CH4作為工質(zhì)時(shí)獲得的熱聲不穩(wěn)定共振頻率最大，為3

5、91 Hz，振幅最低，為159 dB；SO2作為工質(zhì)時(shí)獲得的熱聲不穩(wěn)定的共振頻率最小，為195 Hz，振幅最大，為164 dB。進(jìn)氣速度的大小對(duì)Rijke管熱聲不穩(wěn)定起振速度有重要的影響，越大的進(jìn)氣速度，熱聲不穩(wěn)定的起振速度越慢。
　　 ⑶研究了旋流燃燒器的熱聲不穩(wěn)定特性。旋流燃燒器激發(fā)的熱聲不穩(wěn)定的最大振幅發(fā)生在貧燃區(qū)域內(nèi)的某個(gè)化學(xué)當(dāng)量下，繼續(xù)增大或減小化學(xué)當(dāng)量比時(shí)，熱聲不穩(wěn)定的振幅都將下降，但燃燒效率隨著化學(xué)當(dāng)量比的增加而不

6、斷增加。隨著進(jìn)氣速度的增加，熱聲不穩(wěn)定的有效壓力振幅和共振頻率不斷增加。當(dāng)進(jìn)氣速度為39.81m/s，化學(xué)當(dāng)量比為0.9時(shí)，系統(tǒng)激發(fā)起166.4dB的熱聲不穩(wěn)定。另外，隨著旋流強(qiáng)度的減小，熱聲不穩(wěn)定的主峰壓力振幅和有效壓力振幅迅速下降，燃燒效率隨之下降。
　　 ⑷研究了橫向射流(JICF)在旋流燃燒器熱聲不穩(wěn)定的控制效果，試驗(yàn)的空氣流率QAir為1333.3 ml/s，化學(xué)當(dāng)量比()為0.9，旋流強(qiáng)度SW為0.77。JICF能夠

7、大幅度降低旋流燃燒器的熱聲不穩(wěn)定強(qiáng)度，所占用的空氣流率比例XJICF小。當(dāng)XJICF=6％時(shí)，熱聲不穩(wěn)定的有效壓力振幅從1712 Pa降到185 Pa，降低了89.2％；控制前的熱聲不穩(wěn)定的共振頻率為233Hz，控制后的共振頻率為254Hz，稍微有所提高。在沒(méi)有加入JICF時(shí)，系統(tǒng)的燃燒效率為81.68％；當(dāng)XJICF=6％時(shí)，系統(tǒng)的燃燒效率為96.69％，提高了15.01％。JICF的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于橫向火焰射流(JFCF)，JFCF

8、需要在燃料流率比例XJFCF>50％時(shí)，其有效壓力振幅才能獲得大于32.5％的控制效果。
　　 ⑸采用數(shù)值模擬方法研究了旋流燃燒器的燃燒過(guò)程和熱聲不穩(wěn)定特性，模擬得到的主要?dú)怏w組分和污染物排放水平與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。模擬得到的NOx排放濃度為23.4ppm，比試驗(yàn)結(jié)果高出3.92 ppm。熱聲不穩(wěn)定共振頻率為273Hz，主峰壓力振幅為1191 Pa，而共振頻率的試驗(yàn)結(jié)果是222Hz，主峰壓力振幅為1108 Pa，數(shù)值模擬結(jié)果與試