低甲烷濃度煤層氣部分預混式旋流燃燒器燃燒特性的實驗研究

楊仲卿 楊 鵬 張 力 楊 鑫 郭名女，2

1.低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室 2.重慶科技學院機械與動力工程學院

對于甲烷體積分數為30%左右的低甲烷濃度煤層氣，由于其熱值較低，在實際工程中被大量排放，造成了資源的嚴重浪費，同時加劇了大氣溫室效應［1－3］。因此，開展低甲烷濃度煤層氣的有效利用研究具有非常重要的意義。

熱值較低的可燃性氣體燃燒面臨著燃燒不穩定、燃燒效率偏低等問題［4－6］。國內外的研究學者常采用增加鈍體和部分預混等方式，來增強煤層氣與空氣的混合效果，使之充分燃燒，進而提高燃燒效率［7－9］。張海軍、郭雪巖等［10］采用不同湍流模型與實驗相結合的方法對加裝鈍體結構的燃燒器出口流場進行了研究分析。賈瓊、劉鳴等［11］采用雙旋結構對焦爐煤氣、高爐煤氣以及天然氣的混燒進行了冷態實驗分析。Meier等［12］對部分預混條件下的甲烷空氣旋流燃燒火焰進行了實驗研究。Yan等［13］對低熱值氣體在部分預混燃燒器的湍流燃燒進行了實驗研究。本課題組在前期開展了大量有關低熱值氣體燃燒的研究工作，張力、王炯等［14］對燃燒用低甲烷濃度煤層氣的氣體輔助燃燒器進行了實驗研究，發現在滿負荷工況下，存在火焰偏長、傾斜率較高、射流剛性較差、噴口附近煤層氣與空氣的混合效果不理想以及爐膛內溫度上升緩慢分布不均等問題。針對這些問題，筆者采用在燃氣管外壁和支撐管出口增加鈍體的形式加以改進，并通過實驗研究了CH4體積分數為20%的低甲烷濃度煤層氣在部分預混旋流燃燒器的燃燒特性，分析了速度分布、旋流強度及溫度場的分布情況，研究結果可為低熱值氣體在工業實踐中的轉化應用提供理論依據及技術支撐。

1 旋流燃燒器的設計

筆者設計的燃燒器熱負荷為150kW，其結構示意圖和剖面尺寸圖如圖1、2所示。根據低甲烷濃度煤層氣的特點，燃燒器的結構采用部分預混式旋流燃燒器，不僅可以有效提高低甲烷濃度煤層氣的燃燒效率，還可以增加火焰的剛度［15］。燃燒器主要由燃氣中心管、支撐管、空氣入口管、腔體、蝸殼和擴散孔等構成。在距離燃氣管擴散中心孔8cm處加裝一個圓環形鈍體（D1），一次風空氣通過該鈍體后，將在擴散孔附近形成中心回流區；在支撐管后端增加一個漸擴型鈍體（D2），燃氣和一次風空氣在噴口前端的預混度提高，而且燃氣出口的軸向速度將會減少，火焰形狀得以控制。在燃氣管、一次直流風管和二次旋流風蝸殼的進氣口分別安裝一段直管（16mm×2mm），方便空氣進入管道與燃氣預混。其中加裝的鈍體D1外徑為39mm，厚度為1mm，D2的圓錐角為34.21°，長度為25mm。

圖1 燃燒器示意圖

圖2 燃燒器剖面尺寸圖

2 實驗系統及方法

實驗系統如圖3所示。低甲烷濃度煤層氣由管道天然氣和壓縮空氣配制而成，CH4的體積分數為20%～30%，配制好的低甲烷濃度煤層氣進入燃氣管，來自壓縮機的空氣分別進入一次直流風空氣管和二次旋流風蝸殼。根據優化設計燃燒器額定熱負荷的要求，100%熱負荷運行時，甲烷體積分數為20%的燃氣流量為75.2m3／h。燃燒器噴口與一個直徑為600mm、長度為2 000mm臥式布置的圓柱形燃燒室相連接。該燃燒室的入口直徑為148mm；煙氣出口直徑為200 mm，采用電子點火方式引燃低甲烷濃度煤層氣；在燃燒器的上部開有4排共24個測溫孔和4個測壓孔，在距離煙氣出口100mm處，布置有孔徑為4mm的煙氣采集孔。采用S形熱電偶測量了燃燒室溫度場分布；采用熱線風速儀測量了燃燒室不同部位的軸向及切向速度分布，并分析了旋流強度的變化規律。

為了便于描述實驗結果，建立圓柱坐標系，其中燃燒器噴口與燃燒室的接觸面中心為原點，沿爐膛中心軸線指向煙氣出口為Z軸正方向，垂直于Z軸指向爐壁上方為R軸正方向。

圖3 實驗系統圖

3 實驗結果及燃燒特性分析

3.1 燃燒器結構影響

為了對比分析部分預混燃燒方式和加裝鈍體對低甲烷濃度煤層氣燃燒特性的影響，選取了3種燃燒器結構，在甲烷體積分數為20%的煤層氣、過量空氣系數為1.05、直旋配風比為5∶5的工況下，研究了燃燒室內部溫度場的分布情況。其中S1為擴散式燃燒器，在燃氣管壁面無擴散孔和鈍體D1，在支撐管外也無鈍體D2；S2為部分預混式燃燒器，在燃氣管壁面開有擴散孔，但無鈍體D1和D2；S3為優化設計的燃燒器，具有擴散孔和鈍體結構D1和D2。

3種燃燒器的爐內溫度隨Z軸的變化規律如圖4所示，從圖4可以發現S3升溫速率最快，但峰值最小，距離燃燒器噴口最近；而S1升溫速率最慢，峰值最大，距離噴口最遠。這是由于3種燃燒器不同的燃燒方式所造成的，S1屬于旋流擴散式燃燒器，相比S2和S3，燃燒火焰長度偏長；S3加裝有鈍體D1和D2，使得燃燒的火焰長度變短，出口保持良好的射流剛性，中心回流區根部形成高溫分布。對比S2和S3燃燒器的溫度分布曲線，可以發現加裝鈍體，可以有效降低燃燒器出口的火焰長度，增強燃燒的穩定性；但是S3燃燒器的溫度峰值低于S2，說明加裝鈍體，雖然能夠增強射流剛性，降低火焰長度，但也會略微降低溫度峰值，這主要是由于加裝鈍體D2后，鈍體的壁面形成一個流體的滯止區域，降低了中心軸線上燃氣與空氣的混合效果。

在當前工況下，3種燃燒器滿負荷運行時，在不同橫截面上，溫度沿R軸分布情況如圖5所示。從圖5可以看出由于采用了部分預混的燃燒方式，在S2和S3橫截面上，距離圓心200mm的范圍內，各點溫度均比S1高，這是由于部分預混燃燒器工作過程中，沿軸向噴射出多股高速高溫燃氣，形成較強的負壓區，大量下游氣體被卷吸回流，形成中心回流區。對比Z＝50mm和Z＝150mm橫截面上的溫度分布可知，隨著距離Z軸原點距離的增加，在垂直于Z軸的橫截面內，S1和S2型燃燒器的高溫燃燒區變寬，而S3型燃燒器的高溫燃燒區變化較小。這說明通過加裝鈍體，可以使得火焰長度變短，偏斜率降低，射流剛性增強，火焰形狀穩定，回流區內的逆軸向速度梯度提高，更多高溫煙氣被卷吸至出口根部，從而單位容積內的放熱強度提高，更利于燃燒的穩定進行。

對于低甲烷濃度煤層氣，S3部分預混式并裝有D1，D2鈍體的燃燒器表現出較好的燃燒性能。下面就針對該型燃燒器，探討其速度分布特性、旋流強度及甲烷濃度變化對溫度分布的影響規律。

圖4 不同燃燒器結構下爐內溫度沿Z軸的分布圖

圖5 不同燃燒器結構下爐內不同截面上溫度沿R軸的分布圖

3.2 速度分布特性

燃燒器的旋轉射流特性是影響燃燒穩定性和效率的關鍵因素，軸向和徑向速度直接影響到旋轉射流的強弱。在過量空氣系數為1.05、S3燃燒器滿負荷運行的工況下，Z軸的軸向速度隨直旋配風比的變化規律如圖6所示?？梢钥闯?，在直旋配風比為2∶8時，速度上升最快，峰值距離原點最近，之后延軸線迅速下降，射流剛性較差；在直旋配風比為8∶2時，速度上升緩慢，峰值距離原點最遠，逆向軸向速度梯度（軸向速度沿Z軸正方向的速度梯度正值）范圍較大，所形成的回流區較長，能保持一定的射流剛性。這不僅有助于燃氣與空氣的充分混合，同時促使燃料迅速著火，保持火焰穩定。燃氣噴射速度是影響回流區速度大小的關鍵因素，周圍空氣的流動速度以及噴口的形狀對回流區也有一定的影響，3種工況下，燃氣流量和噴射速度相同，軸向速度峰值基本相同。因此，隨著直旋配風比的增加，沿Z軸的逆軸向速度梯度提高，燃燒器出口氣流的射流剛性得到增強，中心回流區卷吸高溫煙氣的能力提高，有利于燃燒的高效穩定進行。

圖6 不同直旋配風比下S3燃燒器沿Z軸的軸向速度分布圖

圖7 不同截面上S3燃燒器沿R軸的徑向速度分布圖

在過量空氣系數為1.05、S3燃燒器滿負荷運行的工況下，3個不同位置的橫截面上徑向速度分布規律如圖7所示。在Z＝50mm與Z＝100mm橫截面上，均存在逆軸向速度梯度；在Z＝200mm橫截面上，逆軸向速度梯度消失。逆軸向速度梯度的存在，有利于高溫煙氣的回流，形成穩定的高溫區，從而保證燃燒的穩定性，提高燃燒效率。當距離燃燒器噴口的距離逐漸增加時，旋轉射流影響減弱，沿R軸方向的逆軸向速度梯度變化范圍逐漸減小直至消失。從圖7可以看出，距離噴口一定距離橫截面上的軸向速度都會有波谷產生，這主要是由于中心回流區影響比較強烈，隨著軸向距離的增加，影響范圍逐漸減小，在Z＝200mm處主流波谷已經消失。在3個橫截面處，軸向速度的最小值均分布在爐膛中心軸線上，但截面上其他位置的軸向速度并不是以Z軸對稱分布，主流區域略偏向上半部，主要是因為空氣通過蝸殼將會發生強烈旋轉，具有較大的旋轉射流動量，導致上半部軸向和徑向的逆向速度梯度大于下半部。

3.3 旋流強度分析

旋流強度隨著中心回流區和外圍回流區的增大而增加，當兩者的范圍逐漸增大時，將會導致更多的高溫煙氣回流，形成穩定的高溫區，保證燃燒高效穩定進行。筆者考察了在不同熱負荷、過量空氣系數變化以及直旋配風比改變的工況下，S3燃燒器噴口中心處旋流強度的變化規律。在不同直旋配風比工況下，燃燒器熱負荷對旋流強度的影響情況如圖8所示。從圖8可以看出，當直旋配風比保持一定時，旋流強度隨著熱負荷的增加逐漸增大，這是因為燃氣管氣流噴射特性對中心軸向氣流影響較大，熱負荷增加，燃氣流量隨之增大，在支撐管出口加裝鈍體能夠提高噴口處回流區卷吸高溫煙氣的能力［15］。在直旋配風比為2∶8、燃燒器滿負荷運行的工況下，旋流強度可達到0.75，這是因為當熱負荷保持一定時，燃氣流量為定值，一次直流風軸向速度遠大于切向速度，當二次旋流風量比例增加，旋流強度逐漸提高。當直旋配風比較小時，旋流強度隨熱負荷基本呈線性變化規律。

圖8 不同直旋比下熱負荷對S3燃燒器旋流強度的影響示意圖

在不同熱負荷工況下，過量空氣系數對S3燃燒器噴口中心處旋流強度的影響規律如圖9所示。從圖9可以看出，當熱負荷較低時，旋流強度隨過量空氣系數的增加而緩慢增大；當熱負荷增加到一定程度，隨著過量空氣系數的增加，旋流強度發生小幅度波動。這是因為隨著過量空氣系數的增加，進入燃燒器的空氣量增大，但是氣流的切向速度和軸向速度增加幅度差別不大。因此，過量空氣系數的增加導致空氣流量增大所引起的效應并不顯著，旋流強度變化不大。當過量空氣系數為1.05～1.25，熱負荷達到100%時，旋流強度可達到最大值0.55。這是由于燃氣管氣流噴射特性對中心軸向氣流影響比較大，隨著熱負荷的提高，燃氣流量逐漸增大，在燃氣通過軸向導流葉片時，旋轉動量顯著提高。因此，隨著熱負荷的增加，旋流強度逐漸增大。

圖9 不同熱負荷下過量空氣系數對S3燃燒器旋流強度的影響示意圖

圖10 不同甲烷濃度下S3燃燒器的爐膛軸向溫度分布圖

3.4 甲烷體積濃度影響

低甲烷濃度煤層氣在抽采過程中常因開采條件變化而發生濃度變化，實驗研究了煤層氣中甲烷體積分數分別為20%、25%、30%，距離爐膛入口不同位置處軸向和徑向溫度的分布規律。

在不同甲烷濃度工況下，S3燃燒器爐膛中心軸線上的溫度隨軸向距離的變化如圖10所示，從圖10可以看出，隨著煤層氣中甲烷濃度的增加，溫度達到峰值的位置，距離燃燒器噴口越近，且峰值也逐漸增大。當煤層氣中甲烷體積分數為20%時，溫度上升緩慢，且峰值較小，距離原點較遠，著火過于滯后，導致燃燒不充分，著火不集中，且燃燒器出口溫度接近700K。因此，在燃用較低甲烷濃度煤層氣時，燃燒不充分，效率降低。當煤層氣中甲烷濃度為30%時，溫度急劇上升，到達峰值距離原點的位置最近，且數值最大，之后溫度下降較快；主流核心面積雖小，但是局部容積放熱強度較高，燃燒高效穩定；且出口溫度維持在1 000 K，可以有效避免燃燒器噴口被燒壞。因此，在一定范圍內，當煤層氣中甲烷濃度增加時，燃燒器出口的火焰長度變短，形成穩定的高溫區域，燃燒穩定，燃燒效率提高。

S3燃燒器在燃用不同甲烷濃度煤層氣時，在Z＝50mm與Z＝100mm兩個橫截面上，溫度隨徑向距離的變化情況如圖所示。從圖11可以看出，溫度的峰值并不是位于該圓截面的中心位置，隨著煤層氣中甲烷濃度的增加，溫度峰值的位置越靠近圓心，燃燒器出口的火焰長度逐漸縮小，高溫煙氣回流量增加，單位容積內的放熱強度增大，有利于未燃煤層氣的燃燒。對比Z＝50mm和Z＝150mm兩個圓截面內的溫度分布，火焰溫度沿Z軸正方向逐漸增大，距離圓截面中心越近，溫度上升更為明顯，到達峰值后，溫度沿徑向緩慢下降，當距離中心超過250mm時溫度的變化趨于平緩。

圖11 不同甲烷濃度下S3燃燒器爐內溫度沿R軸的徑向分布圖

在實驗過程中，通過測試燃燒室進出口甲烷濃度可獲得低甲烷濃度煤層氣的燃燒效率，在所開展的實驗中，燃燒效率超過99%。通過對燃燒室出口煙氣的測定分析，NOx生成量的最大值為20mg／m3，而且部分預混式氣體燃燒器的火焰長度略短，NOx的生成也可以得到抑制，生成量減少，有利于環境保護。

4 結論

1）通過對3種燃燒器的熱態實驗分析，加裝鈍體的燃燒器在燃用甲烷體積分數為20%的煤層氣時，火焰長度短，偏斜率低，射流剛性增強，火焰形狀穩定，回流區內的逆軸向速度梯度提高，更多高溫煙氣被卷吸至出口根部，從而單位容積內的放熱強度提高，有利于燃燒的穩定進行。

2）隨著直旋配風比的增大，Z軸的逆軸向速度梯度范圍增大，射流剛性增強，中心回流區域變大；R軸的逆軸向速度梯度范圍隨著距離噴口距離的增加逐漸減小直到消失，回流區域變小，卷吸高溫煙氣的能力下降，不利于燃燒的高效穩定。

3）燃燒器噴口中心處的旋流強度隨熱負荷的增加而逐漸增大；當燃燒器熱負荷達到50%以后，旋流強度隨過量空氣系數的增加發生小幅度的波動。

4）在燃用甲烷體積分數為20%～30%的煤層氣時，隨著甲烷濃度的增加，燃燒室內的火焰形狀變短變窄，形成穩定的高溫區域，燃燒高效穩定，且噴口附近溫度保持不超過1 000K，可以有效避免噴口被燒壞。

5）綜合考慮流動特性、燃燒溫度、燃燒效率，NOx排放量等因素，加裝鈍體結構的部分預混式旋流燃燒器燃用低甲烷濃度的煤層氣，燃燒穩定，燃燒效率高，可以實現更好的燃燒。

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