统计分析氧燃料火焰振荡特性的重油锅炉使用哦平面激光诱导荧光

文摘

目前的研究调查了火焰结构和振荡的氧燃料燃烧重油锅炉使用哦平面激光诱导荧光成像技术。燃烧不稳定,如火焰燃烧振荡和波动,可以评估一个工业锅炉的燃烧器的性能。峰位置的变化哦浓度与反应区域的变化与波动的热释带燃烧室,它提供了一种对燃烧室的设计有一定的参考价值。实验结果表明,分层现象的火焰燃烧火焰振荡的特点有关。N的替换₂与公司₂不会显著影响火焰振荡频率但增加火焰表面的数量。是啊₂在O浓度增加₂/公司₂大气,分层火焰燃烧的现象消失,火焰呈现一个冷云结构。的双峰振荡燃烧中心展示了通过概率密度的方法;有限公司₂扮演了一个角色在燃烧中心的扩展。内部区域的燃烧波动是定量描述;有限公司₂在某种程度上可以维持区际稳定。与传统测量方法相比,PLIF技术有很大的优势在评估燃烧器性能和优化燃烧室的设计。

1。介绍

在节能减排的背景下,重油,有丰富的储量和低成本的优势,一直是关注的焦点(1- - - - - -3]。氧气助燃的过程已被建议作为一种很有前途的技术控股有限公司₂排放,从而提出解决环境问题的一个重要的选择(4- - - - - -6]。因此,重油的燃烧系统是结合氧气助燃过程,为了减少二氧化碳的排放,同时提供一个更有效的使用重油资源(7]。然而,O的成功实现₂/公司₂技术在重油锅炉需要全面了解N的变化引起的更换₂与公司₂在燃烧气氛。此外,随之而来的燃烧系统的稳定性问题也不容忽视8]。针对绩效评估产业型态的燃烧器,燃烧不稳定燃烧过程中对评估燃烧器的质量很重要。

与工业燃烧器的研究经验表明,超燃冲压发动机燃烧不稳定可能存在发动机和燃气涡轮机(9- - - - - -12]。燃料的类型和注入机制影响声波运动和火焰振荡。频率振荡的特点,研究了实验和分析,(13- - - - - -15]。燃烧不稳定性包括火焰燃烧振荡和波动也在燃烧效率具有重要意义,甚至燃烧系统的安全,尽管重油锅炉的问题一直没有得到人们的认识和探索。燃烧系统发表的不稳定性研究主要集中在温度和压力的测量。传统的测量方法是通过实现温度和压力传感器精度高(16- - - - - -18]。然而,由于安装位置的限制,测量的空间分辨率很低。目前,现代光学测量技术越来越多地应用于燃烧实验,实现测量等许多重要的燃烧参数的浓度、温度和速度,(19- - - - - -21]。高速PLIF可视化测量技术具有高时空分辨率的特点,它不仅可以出现火焰的空间结构,但也提供了火焰的时间特征信息。峰位置的变化哦浓度与反应区域的变化与波动的热释带燃烧室。火焰波动可以实时跟踪,所以反映在火焰燃烧不稳定波动可以调查没有空间和时间的限制。

近年来,高速PLIF(平面激光诱导荧光)测量系统已广泛应用于实验室小规模燃烧设备(22,23),但其应用在工业燃烧器的长椅上,超燃冲压发动机引擎和锅炉等,仍然是罕见的(24,25]。严酷的台架试验环境和高要求激光器的性能,探测器、光学系统限制其工程应用。考虑复杂的测试环境中,一组高速PLIF测量系统具有高可靠性和环境适应性是独立开发的。这个系统是模块化设计,温度和湿度控制和隔振装置具有极高的环境适应性。

本文的目的是报告的特点在氧气助燃条件下火焰结构和振荡。在实验中,氧气助燃的重油的火焰结构应用400 Hz OH-PLIF报道。在我们之前的重油燃烧锅炉点火实验,包括自燃和强制点火,400 Hz的时间分辨率是足够的跟踪锅炉的火焰的演化。燃烧不稳定的深刻理解有利于理解全面工业燃烧器的操作性能,特别是为锅炉设计提供有价值的参考。

2。实验的细节

2.1。PLIF测量装置

OH-PLIF测量的原理图如图1如前所述,(26]。激光系统由脉冲Nd: YAG激光器和染料激光器的倍频偏硼酸钡晶体。二次谐波(λ= 532海里)的Nd: YAG激光用于泵与罗丹明590的染料激光器。兴奋的哦,激进,Q₁(8)线采用过渡为283.553 nm减少荧光信号的温度依赖性。这里特别强调,严厉的长椅上测试环境要求测量系统有良好的环境适应性。在实验室环境中,温度和湿度控制更好,没有灰尘影响。然而,在板凳上测试环境、高温度和湿度强烈影响PLIF测量系统的稳定运行。具体来说,高温会影响激光晶体的热影响和减少倍频效率,和高湿度可能会导致晶体溶解。此外,激光能量的波动和激光波长漂移也造成复杂的测试环境。抽运源独立开发了PLIF系统克服复杂的实验环境,包括防潮和防振。光学由凹透镜(f=−8毫米)、准直透镜(f= 240毫米)和聚焦透镜(f= 800毫米)。生成的表形成光学激光表10.5厘米,和观察窗片达到几乎是12.3厘米。一张大型的激光可以提供足够的可视化的激进分子的基础研究燃烧波动。

考虑一般荧光组件,从煤烟和米氏散射干扰的油雾可以被结合simrock 315/15和UG11安装前ICMOS相机。最小化的贡献化学发光和火焰光度检测门设置为30 ns。后处理包括off-resonant背景减法,一张校正非均匀激光剖面,pulse-to-pulse能量变化。结果,来自PLIF图像信号对应哦激进的排放。哦,自由基的浓度可以证明定性哦荧光信号。纸,短时快速傅里叶变换(FFT)揭示了火焰振荡的频域特征,统计概率密度的方法应用于研究区际燃烧波动。统计样本提取时间分辨OH-PLIF序列图像。对于每一个瞬态图像,最大的位置哦强度发生是用来表示当时高哦浓度;同时,意思哦强度对应于给定地区的燃烧状态。

2.2。火焰的条件

氧气助燃系统指的是王等人的作品。7]。氧燃料的实验条件如表所示1。过量空气系数的比值实践氧气补充理论耗氧量。此外,实验燃烧器是一个商业燃烧器,其模型RIELLO40-G10LC(意大利利雅路、Legnago、意大利)。最大的输出是2.5加仑小时(10 kg / h)。飞机是一个坚实的喷嘴(Steinen S)输出为1.0加仑小时(3.73 kg / h),和雾化角是60。油泵压力是12条。在实验中,只涉及油气燃烧过程的湍流火焰结构吸引了我们的注意力来评估一个工业燃烧器的应用在锅炉和优化燃烧室的设计。

3所示。结果与讨论

3.1。火焰振荡

实验研究了火焰振荡特性的三个氧气助燃条件下重油锅炉。火焰结构而言,火焰表面表现出较大的差异,如图2(一个)- - - - - -2 (c)。在阿₂/ N₂大气,分层火焰燃烧现象的调查,这可能在稳定燃烧方面发挥重要作用。在图2 (b),使用有限公司₂而不是N₂在空气中稀释剂,有趣的是发现火焰表面的数量增加,燃烧区明显扩大。如前所述,喷在燃烧室燃烧创造了一个混乱的环境中。在湍流燃烧过程中火焰不是连续;相反,它是一个过程组成的灭绝和重燃27]。火焰表面的数量可以加强热量和质量的过程,然后提高燃烧的稳定性。O的浓度₂增加了啊₂/公司₂气氛,分层火焰消失了,火焰的现象提供了一个结构,冷云如图2 (c)。

为了进一步研究火焰振荡特性在整个燃烧过程中,时间分辨OH-PLIF序列图像获取和规范化的意思哦,提取信号如图3(一个)。氧气助燃条件A1,断断续续的下降和跳跃的信号。A2和A3条件类似于A1,这里为简便起见他们省略了。图3 (b)显示了振荡的频率功率谱哦信号。低频振荡等对0-50赫兹存在条件A1和A2,而后者的幅度略低于前者。A3的条件,没有主导频率范围在0 - 200赫兹。自激振荡的火焰的行为可能受到烟尘的存在下更高的啊₂大气浓度(17]。

3.2。燃烧波动

有相当强烈的哦,在表面火焰和高温强度。热量和质量转移到周围的气体增加温度和降低密度,导致燃烧室的纵向密度梯度。在这种情况下,一个涡结构形成和挤压火焰表面,然后火焰波动相应产生。生成的涡分离从周围的气体火焰,减缓了扩散,延长了火焰。因此,火焰燃烧远离喷嘴,所以最大的发生位置哦强度似乎远离喷嘴。相反,当涡流脱离火焰,火焰更紧密地与彼此进行交互,使火焰短,代表最大的位置哦,强度出现在喷嘴附近。因此,火焰强度波动沿气流的湍流燃烧的方向。据我们所知,累计平均方法经常应用于湍流燃烧处理相关问题,特别是湍流燃烧速度和火焰刷(28]。然而,当涉及到在燃烧领域不稳定,几个问题。通常,累计平均法将擦除火焰瞬态信息,所以火焰在燃烧领域的波动不能学到的东西。火焰波动的信息重要性的评估工业燃烧器的性能。

最大哦燃烧器出口的位置根据时间分辨OH-PLIF图像序列中提取的三个实验条件下,如图4(一)。可以看出波动区域满足一定范围和更好的一致性,然后应用统计方法来研究振动数据。在图4 (b)显示了概率密度分布,说明振动相关。在阿₂/ N₂大气中,存在两个振动峰值概率密度分布。两个峰值的现象解释了领先的火焰主要分布在这两个地区。在阿₂/公司₂大气中,氧浓度保持与前者相同。结果表明,两个振荡峰依然存在,而峰值远离燃烧器出口疲软。应该注意的是,燃烧器出口的振荡峰值搬走了,这意味着燃烧的中心可能会搬到燃烧室的后方。N的替换₂与公司₂在相同的氧化剂氧浓度导致了两座山峰之间的距离的增加,对应于一个更严重的燃烧中心的波动。结果还说明了扩大O燃烧区₂/公司₂的气氛。随着氧气的增加(37%),令人惊讶的是,两个振动峰值的现象消失了,强烈的燃烧的位置分布更为集中。换句话说,燃烧中心的波动程度比之前的要弱。

温度分布在中心轴图所示5(一个)王,已经研究了et al。7]。在阿₂/公司₂大气、温度场分布改变和高温地区远离燃烧器出口与O₂/ N₂的气氛。然而,所代表的反应区哦浓度没有变化时有限公司₂被用来代替N₂在氧化剂如图5 (b)。的原因可以解释说,公司₂改变了温度分布影响交通和热性能的混合物,而不是直接参与化学反应(29日]。随着氧气的增加,最高温度位置走向燃烧器出口和温度条件往往是相似的₂/ N₂大气氧浓度较低。然而,反应区没有高温区域的方向移动,但同样远离燃烧器出口。结果表明,反应区由哦浓度偏离高温区域,这是必要的深入了解锅炉的燃烧状态。

由于高时空分辨率的PLIF测量系统,视野分为10个地区沿气流方向如图6(一)。区域分割的目的是研究内部区域的燃烧波动。正如前面研究的,火焰表面的位移速度是大约4米/秒。时间间隔是2.5毫秒,所以划分区域足以捕获完整的火焰表面在一定时间和足够的精度。该地区F在图6(一)作为一个例子,哦信号的平均值在这个地区被选在整个燃烧过程中,然后是波动的样品哦,信号值获得,这反映了这个地区的燃烧状况。统计样本的概率密度分布进行了计算。在图6 (b)高斯拟合的相关系数高于0.99。半高宽度,即。,FWHM, was selected to quantitatively represent the fluctuation of the combustion field. In other words, it can also reflect the fluctuation of temperature field because of OH intensity change. In addition, the value ofX_C高斯曲线代表了x峰值位置的坐标,这反映了波动的中心,它可以定量表达燃烧的强度。

在图7(一),哦信号表达一个狭窄的分布和高振幅在喷嘴附近地区。此外,哦信号沿着气流方向增加,表明它是接近激烈燃烧的面积。燃烧领域提出了一种强中心和弱。在图7 (b)、有限公司₂N取代₂在空气中稀释剂。结果表明,N的替换₂与公司₂在氧化剂会改变燃烧分布,这附近的燃烧喷嘴燃烧更强烈。因为不同的N之间的热力学性质₂和有限公司₂的扩散速度₂在公司₂是低于N₂(29日,30.]。热和传输特性的变化可能会导致一个不同的燃烧室火焰分布。值得注意的是,哦,信号的分布是区域之间更紧凑,具有高度的相似性,如图7 (c)。随着氧浓度的增加,反应气体的温度上升,温度补偿减少由于低扩散系数。

为了直观地反映了区际波动条件下,在10个区域以上的值的半最大值宽度沿气流中提取,如图8。全球火焰的行为是由当地的火焰。内部区域的波动是由当地的火焰的强度变化引起的内部区域,所以当地的波动信息有利于深入理解全球火焰行为。可以看出应用的价值增加,然后减少O₂/ N₂大气,对应温度的波动。此外,背后的峰值的视野,即远离喷嘴的方向。在阿₂/公司₂大气,峰值逐渐向喷嘴和移动应用的价值略有减少。换句话说,温度波动的程度啊₂/公司₂气氛不像前者暴力。与阿₂浓度增加,高达37%,可以发现一个几乎恒定的应用价值,这意味着波动地区差异也较弱。

的变化趋势X_C值在图9,良好的协议获得了波动的中心的N₂稀释剂和有限公司₂稀释剂,这意味着N的替换₂与公司₂在相同的氧化剂氧浓度不会显著改变波动的中心。33%的比较₂浓度和37%啊₂浓度的阿₂/公司₂气氛显然说明后者大大优于前者。图像的分析表明,O₂浓度在燃烧的强度发挥作用,而稀释特性没有明显的效果。氧浓度较高的烟尘在引用的情况下参与辐射传热,导致整个燃烧室温度较高水平(17]。燃烧的波动,O₂浓度和稀释剂的特点为它作出贡献。此外,它可以发现波动的分布中心的内部区域是一致的结果代表整体燃烧强度如图5 (b)。

的确,有限公司₂可以在一定程度上抑制燃烧;此外,它优于N₂在维持稳定燃烧区。相反,O₂浓度增加,更能找到强烈的燃烧;与此同时,燃烧区域的稳定性明显提高。

4所示。结论

氧气助燃的火焰结构的重油锅炉使用400 Hz OH-PLIF已经在目前的调查工作。分层现象的火焰燃烧火焰振荡的特点有关。低频振荡的火焰可以在重油的氧气助燃,尽管较高的频率特性消失了₂浓度(37%)。区际燃烧不稳定是通过统计概率密度的方法;此外,和的值的半最大值宽度X_C提取定量证明燃烧波动。燃烧中心的波动是影响稀释剂的类型和氧气的浓度。双峰振荡燃烧中心的证明;有限公司₂扮演了一个角色在燃烧中心的扩展。燃烧区域的波动程度反映在应用的价值表达强中心和弱。此外,通过分析的变化X_C值,有限公司₂可以在一定程度上抑制燃烧和拒绝燃烧不稳定。时氧浓度对燃烧不稳定的影响,可以发现,燃烧明显改善,内部区域的波动差异都大大降低。

在进一步的研究中,激光重复频率的提高调查精度较高的燃烧不稳定的意义。与传统测量方法相比,PLIF技术评估燃烧器的性能有很大的优势。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号。51536002,51536002,91441130),中央大学的基础研究基金(批准号HIT.NSRIF.2014045)和中国国家重点科学仪器和设备开发项目(批准号2012 yq040164)。

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