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锥形稳燃装置头部回流结构及贫熄性能初步研究

锥形稳燃装置头部回流结构及贫熄性能初步研究

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作者：申小明中国科学院研究生院(工程热物理研究所)

学位级别：硕士

我国厂矿企业每年产生大量中低热值可燃气体,其中很多或被直接排入大气,或未被高效清洁利用,这不仅带来严重的环境污染问题,而且造成大量能源资源的浪费。燃气轮机燃烧具有燃烧效率高、污染物排放低的特点,这些中低热值可燃气体有可能... 详细信息

我国厂矿企业每年产生大量中低热值可燃气体,其中很多或被直接排入大气,或未被高效清洁利用,这不仅带来严重的环境污染问题,而且造成大量能源资源的浪费。燃气轮机燃烧具有燃烧效率高、污染物排放低的特点,这些中低热值可燃气体有可能应用于燃气轮机系统中。为此,本文在锥形稳燃装置中进行了几种气体燃料的贫熄性能实验,对几种典型实验工况的头部回流结构进行了数值模拟分析,特别是分析和讨论了中心燃气管射流对燃烧室贫熄性能具有很大影响的原因。研究成果可为高炉煤气等中低热值气体燃烧室的设计提供参考。主要研究结果如下：1.在贫熄性能实验方面：(1)中心燃气管流量对锥形稳燃装置的贫熄性能有重要影响,中心燃气管流量的提升能显著提升贫熄性能。(2)锥形稳燃装置燃烧CH4+CO和CH4+CO+N2燃料时,其熄火余气系数大于以热值更高的CH4为燃料时,这表明该锥形稳燃装置可以适合以CO为主要可燃成分的燃料的稳定燃烧。(3)近贫熄工况下,随着燃烧室中加入的燃料热值的增大,燃烧室的贫熄性能得到很大提高,但增大作用随着燃料热值的继续增大越来越小;实验过程中,随着中心燃气管CH4流量的逐渐增大,单位时间内加入燃烧室中的总能量越来越少;当中心燃气管喷入较多CH4时,不仅使锥形稳燃装置的贫熄性能得到很大改善,而且此时花费的总能量最少,中心燃气管流量对于以CO为主要可燃成分的燃料的燃烧稳定性具有非常重要的作用。2.在数值模拟分析方面：(1)锥形稳燃装置的回流区在火焰筒中心轴线上的总长度约为250mm,回流区最大宽度约为55mm左右,约占整个火焰筒高度的2/3左右,并且上下回流区结构不完全对称。(2)在锥形稳燃装置中,中心燃气管形成的射流和两侧燃气管形成的旋流联合对火焰燃烧起到了稳定作用,中心燃气管的射流对燃烧的稳定作用更大。(3)在头部回流区前端与中心射流火焰的中心轴线交汇处,即Z=-45mm到Z=-55mm之间的区域具有流速较低,温度较高,OH基浓度分布较高等特点,由中心燃气管射流形成良好的稳定着火条件,可能是贫熄性能得到大幅度改善的原因。

关键词：中低热值锥形稳燃装置贫熄性能回流区

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