燃?xì)廨啓C(jī)合成氣燃燒室燃燒穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

摘要：燃?xì)廨啓C(jī)是通過(guò)燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，目前燃?xì)廨啓C(jī)廣泛的應(yīng)用到發(fā)電、管道輸送、船舶動(dòng)力等領(lǐng)域。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)最重要的部位，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定安全的燃燒是十分重要的，只有保證燃燒室的穩(wěn)定燃燒，才能保證燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行。本文通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)燃燒室穩(wěn)定性燃燒進(jìn)行分析，并且提出了相應(yīng)促進(jìn)燃燒穩(wěn)定的方法，希望為燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論參考。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒室、穩(wěn)定性、實(shí)驗(yàn)研究

前言：由于燃?xì)廨啓C(jī)具有功率大、體積小、效率高、污染低等特點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)在多種領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。保證燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定燃燒，就必須保證燃燒室在任何工況下的穩(wěn)定燃燒。燃燒室燃燒穩(wěn)定性關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)的壽命以及安全運(yùn)行，因此對(duì)燃燒室燃燒穩(wěn)定性的研究具有重要意義，本文從理論和實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面對(duì)燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的措施。

1.燃燒室燃燒穩(wěn)定性理論分析

燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)的心臟部位，燃燒室的設(shè)計(jì)直接影響到燃?xì)廨啓C(jī)的性能。燃燒室主要是通過(guò)燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，從而推動(dòng)渦輪作用。保證燃燒室的穩(wěn)定燃燒是十分重要的，燃燒室穩(wěn)定性主要是指在燃料燃燒過(guò)程中，在各種工況下（壓力振蕩、回火極限、吹熄極限）都能保證穩(wěn)定燃燒。火焰穩(wěn)定分為兩種：低速火焰和高速氣流火焰的穩(wěn)定。對(duì)火焰穩(wěn)定性進(jìn)行討論，首先需要了解一維火焰的穩(wěn)定性條件。一維火焰穩(wěn)定性前提包括兩個(gè)：

1.1.燃燒混合氣體濃度在火焰?zhèn)鞑シ秶畠?nèi)；

1.2.平面波的橫斷面直徑要大于熄火直徑。

當(dāng)燃燒室的空氣和燃料比超出富燃料極限和貧燃料極限時(shí)，燃燒室就會(huì)出現(xiàn)熄火的狀況。燃?xì)廨啓C(jī)在低負(fù)荷的狀況下運(yùn)行時(shí)，噴入燃燒室的燃料量減少，而空氣流量較大，火焰就有可能熄滅。空氣和燃料比會(huì)隨進(jìn)入燃燒室的空氣的變化而變化，當(dāng)進(jìn)入燃燒室的空氣比例增加，就會(huì)導(dǎo)致熄火。

2.燃燒室穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析

2.1.燃燒室熱負(fù)荷對(duì)合成氣燃燒穩(wěn)定性的影響

在實(shí)驗(yàn)中，燃燒室的空氣保持在2.0kg/s左右，那么可以利用余氣系數(shù)來(lái)代表燃燒室的熱負(fù)荷，同時(shí)余氣系數(shù)在數(shù)值上相當(dāng)于當(dāng)量比的倒數(shù)。為研究熱負(fù)荷對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，利用余氣系數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了余氣系數(shù)不同外，其他的參數(shù)都保持相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著余氣系數(shù)減小，也就是燃燒室內(nèi)熱負(fù)荷的增加，燃燒振蕩頻率基本不變，略呈增加狀態(tài)；隨著熱負(fù)荷增加，動(dòng)態(tài)壓力呈大幅上升狀態(tài)。

2.2.空氣加濕對(duì)合成氣燃燒穩(wěn)定性的影響

空氣加濕燃燒技術(shù)提高了燃機(jī)的效率和功率，為了研究空氣加濕燃燒對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，本文利用空氣加濕燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著燃燒室內(nèi)熱負(fù)荷的增加，動(dòng)態(tài)壓力也會(huì)隨之增加，但是振蕩能量會(huì)在80～120Hz范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)空氣加濕前后，合成氣燃燒穩(wěn)定性的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力隨著空氣加濕后振動(dòng)減小。因此，空氣加濕有助于合成氣燃燒的穩(wěn)定性。

2.3.影響合成氣擴(kuò)散燃燒不穩(wěn)定的因素

影響合成氣燃燒穩(wěn)定性的主要因素是輕柴油噴嘴的霧化效果，它可以改變?nèi)紵恼袷帯：铣蓺鈹U(kuò)散燃燒相對(duì)比較穩(wěn)定且動(dòng)態(tài)壓力較小。通過(guò)空氣加濕燃燒實(shí)驗(yàn)表明空氣加濕后會(huì)在很大程度上改善燃燒的穩(wěn)定性，這是因?yàn)榭諝饧訚窈蠼档土巳紵齾^(qū)的燃料和氧氣的濃度，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)變慢。輕柴油進(jìn)行燃燒時(shí)，動(dòng)態(tài)壓力會(huì)隨著燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率的增加而增加，而合成氣在燃燒時(shí)，動(dòng)態(tài)壓力則會(huì)隨發(fā)電功率的增加而減小。燃燒室熱負(fù)荷的增加會(huì)增加燃燒的不穩(wěn)定性，而燃料噴嘴壓比的增加會(huì)改善燃燒的不穩(wěn)定性，因此燃燒室內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化是非常復(fù)雜的過(guò)程。

3.促進(jìn)燃燒穩(wěn)定性的方法

3.1.穩(wěn)定火焰的方法分析

在高速射流中，當(dāng)氣流速度大于火焰的傳播速度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)熄火的狀況，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)燃燒不穩(wěn)定。在高速氣流中保證燃燒穩(wěn)定的基本方法就是穩(wěn)定火源，從而建立一個(gè)平衡點(diǎn)。影響燃燒穩(wěn)定的因素主要包括兩個(gè)：一個(gè)是氣流因素，另一個(gè)是物理化學(xué)因素。對(duì)于氣流因素，應(yīng)該采取流體動(dòng)力學(xué)的方法來(lái)穩(wěn)定燃燒；對(duì)于物理和化學(xué)因素，應(yīng)該采取化學(xué)動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)來(lái)穩(wěn)定燃燒。

3.2.擴(kuò)散燃燒

傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)采用擴(kuò)散燃燒的方法，雖然不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象但是由于高速氣流，火焰很容易被吹熄。防止熄火除了采取穩(wěn)定點(diǎn)火源外，還要保證空燃比與化學(xué)計(jì)量比相等。保證燃燒室穩(wěn)定燃燒的辦法包括：采取壁面凹槽、偏轉(zhuǎn)射流、逆向射流產(chǎn)生回流區(qū)方法；采用旋轉(zhuǎn)射流方法來(lái)穩(wěn)定燃燒；當(dāng)燃料為煤粉時(shí)，可以采用高速同向射流穩(wěn)定燃燒。

3.3.預(yù)混火焰燃燒

為了保護(hù)環(huán)境，燃?xì)廨啓C(jī)需要降低NOx，沒(méi)完全燃燒的碳?xì)浠瘜W(xué)物等氣體的排放。擴(kuò)散燃燒的方法會(huì)引起燃燒室局部高溫，同時(shí)NOx的排放量大，目前燃?xì)廨啓C(jī)大部分采用預(yù)混燃燒方法。穩(wěn)定預(yù)混燃燒的方法包括：產(chǎn)生回流區(qū)穩(wěn)定燃燒；采用金屬棒、值班火焰穩(wěn)定燃燒。

4.燃燒的不穩(wěn)定性與振蕩燃燒

燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒是一種劇烈的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，且燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，同時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。燃燒時(shí)產(chǎn)生的振蕩會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒效率、燃?xì)廨啓C(jī)的安全性和可靠性。

Higgins在研究擴(kuò)散燃燒時(shí)發(fā)現(xiàn)：在筒罩內(nèi)做燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，在火焰上方會(huì)有明顯的聲調(diào)。Load Rayleigh根據(jù)這一現(xiàn)象提出：火焰放熱時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)和壓力波動(dòng)之間的差值決定能否產(chǎn)生振蕩燃燒。Dwoling通過(guò)研究得出：熱能在轉(zhuǎn)化為聲能的過(guò)程中，大于聲能的損失量。影響燃燒不穩(wěn)定的因素包括：燃料供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒室排氣系統(tǒng)、壓氣機(jī)排氣系統(tǒng)等。控制振蕩燃燒主要是利用作動(dòng)器（聲波發(fā)生器、空氣燃料調(diào)節(jié)器等）來(lái)控制壓力的振動(dòng)。

5.總結(jié)

燃燒室的穩(wěn)定燃燒對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，本文對(duì)燃燒室燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行分析，總結(jié)了影響燃燒穩(wěn)定性的因素，并提出了穩(wěn)定燃燒室燃燒的方法。根據(jù)影響燃燒穩(wěn)定性的不同因素采取不同的方法來(lái)穩(wěn)定燃燒。隨著環(huán)保意識(shí)的提高以及燃?xì)廨啓C(jī)在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，我國(guó)一定會(huì)研究出更加先進(jìn)有效的方法來(lái)保證燃燒的穩(wěn)定性，從而保證燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：藍(lán)石（1986.9-）男，漢族，甘肅平?jīng)觯髮W(xué)本科，助理工程師，燃?xì)廨啓C(jī)。