CN104949123A

CN104949123A - 一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置和方法

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Publication number: CN104949123A
Application number: CN201510346673.7A
Authority: CN
Inventors: 刘志坦; 郝洪亮; 王凯; 王文飞; 李玉刚; 王婷; 严志远; 傅静雯
Original assignee: Guodian Science and Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Guodian Science and Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2035-06-19
Also published as: CN104949123B

Abstract

本发明公开了一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置和方法。装置包括燃料系统、空气系统、燃烧系统和采集控制系统。燃料系统包括天然气管道，按天然气流向依次还包括天然气源、天然气阀门和天然气流量计；醇基燃料管道，按醇基燃料流向依次还包括醇基燃料源、醇基燃料阀门、醇基燃料流量计和设于醇基燃料源处驱动醇基燃料的压力源；天然气与醇基燃料预热混合管道。天然气管道与醇基燃料管道分别接至天然气与醇基燃料预热混合管道。混合后的天然气与醇基燃料混合气体与空气系统中的空气同时送入燃烧系统燃烧。该装置和方法能保证醇基燃料均匀的在天然气中掺烧，可以用于研究不同比例的醇基燃料与天然气掺烧，获得准确可靠的研究数据。

Description

一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置和方法

技术领域

本发明涉及能源燃料领域，具体涉及一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置和方法。

背景技术

由于受我国能源禀赋的限制，我国天然气供应量不足，使得燃气电厂设备年利用小时数大幅下降，而且天然气价格居高不下，涨价趋势明显，这些都对燃气发电的经济性造成极大影响，严重限制天然气发电装机容量的快速增长。因此，寻找清洁、洁净、经济的替代燃料成为一种重要选择。国内外开展了替代燃料的研究，甲醇是其中的一种。甲醇作为燃气轮机的燃料在国外已做过很多试验。与天然气及油相比，甲醇在某些方面似乎更是燃气轮机理想的燃料：其可以实现更高的效率，更大的功率输出（由于流量的增加）；在同样的透平进口温度下，甲醇的燃烧温度低（由于火焰温度较低），所以其燃烧具有较低的NO_X 排放。由于甲醇中硫含量非常低，因此基本没有SO₂的排放问题。此外，甲醇燃烧干净，使得透平部件的清洗次数大大减少，有助于降低维护费用。

常温常压下，天然气为气态，醇基燃料为液态，如何用一种简单易行的装置和方法将两种物理性质差异明显的燃料均匀混合是首先要解决的问题。目前尚未见相关报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置，以保证两种燃料均匀掺混，为混合燃料送入喷嘴燃烧提供了必要的燃烧条件。

本发明另一目的是提供一种用于天然气掺烧醇基燃料的方法，使天然气与醇基燃料掺混前后始终处于气体状态，并对燃烧火焰检测分析，以获得可靠的掺有不同比例醇基燃料的天然气的燃烧数据。

上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置，该装置包括：

燃料系统：包括天然气管道，按天然气流向依次还包括天然气源、天然气阀门和天然气流量计；醇基燃料管道，按醇基燃料流向依次还包括醇基燃料源、醇基燃料阀门、醇基燃料流量计和设于醇基燃料源处驱动醇基燃料的压力源；天然气与醇基燃料预热混合管道；

空气系统：包括空气管道，按空气流向依次还包括空气压缩机、空气阀门、空气压力计、空气流量计、空气第一温度计、空气加热器、靠近空气加热器的空气第二温度计和靠近燃烧室的空气第三温度计；

燃烧系统：包括燃烧室；

天然气管道与醇基燃料管道分别接至天然气与醇基燃料预热混合管道；混合后的天然气与醇基燃料混合气体与空气系统中的空气同时送入燃烧系统燃烧。

各阀门、压力计、流量计和温度计分别与采集控制系统相连。

进一步地，所述装置还包括测量系统，具体包括用于测量火焰温度的热电偶，用于测量火焰流场的粒度测定仪，用于测量烟气组成的烟气采样分析仪和用于测量火焰痕量组分浓度场的平面激光诱导荧光系统，它们的测量端分别设置于火焰处。

进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道包括燃料管道、加热单元、温度测定单元和压力测定单元；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段、收缩段、高速混合段、扩张段、低速混合段和喷嘴，高速混合段近收缩段一端分支设有醇基燃料管道段；加热单元包括设于天然气管道段的第一加热器，设于醇基燃料管道段的第二加热器和设于低速混合段的第三加热器；温度测定单元包括设于天然气管道段上位于第一加热器与收缩段之间的第一温度计，设于醇基燃料管道段上位于第二加热器与高速混合段之间的第二温度计，设于低速混合段近扩张段一端的第三温度计和设于低速混合段末端的第四温度计；压力测定单元包括设于低速混合段近扩张段一端的压力计。压力计、各加热器、各温度计分别与采集控制系统相连。

进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道中天然气管道段与高速混合段的内径之比为（3~4）：1。天然气管道段与高速混合段的内径比例关系到高速混合段的气体流速，决定了天然气与气态的醇基燃料在高速混合段的混合效果。这一比例过大（即天然气管道段内径一定时，高速混合段内径过小）会导致高速混合段气体流速过高，天然气与气态的醇基燃料不能在此段充分混合就进入扩张段；这一比例过小（即天然气管道段内径一定时，高速混合段内径过大）又不能明显提高天然气进入高速混合段后的流速，不能起到使天然气和气态醇基燃料高速混合的作用。

进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道中高速混合段的长度与内径之比为（150~180）：1。在高速混合段内径一定的前提下，该参数关系到高速混合段的长度，过短会降低高速混合的时间，影响掺混效果；过长会增加气态醇基燃料凝结的风险。

进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道中高速混合段与低速混合段的长度之比为（3~5）：1。在高速混合段长度一定的前提下，该参数关系到低速混合段的长度。低速混合段过短会降低低速混合的时间，影响掺混效果；过长浪费管道，还会增加气态醇基燃料凝结的风险。

进一步地，所述天然气与醇基燃料预热混合管道第一加热器和第二加热器为油浴加热装置，经过油浴加热装置的天然气管道和醇基燃料管道呈螺旋状。螺旋状有助于管道内燃料快速均匀的加热。

一种利用上述装置在天然气中掺烧醇基燃料的方法：醇基燃料压力源作为醇基燃料动力，把液态醇基燃料从醇基燃料源中压出，经第二加热器加热变成气态，第二温度计对气态醇基燃料的温度进行监测，控制第二温度计的温度数值在180~190℃范围；从第一加热器吸热的天然气经收缩段射出与气态醇基燃料在高速混合段混合，再通过扩张段进入低速混合段继续混合，在刚进入低速混合段时第三温度计和压力计监测混合燃料的温度和压力，控制第三温度计的温度数值在95~105℃范围，压力计的压力数值在0.103~0.110Mpa范围；在进入喷嘴前，第四温度计监测混合燃料的终温，控制第四温度计的温度数值在70~90℃范围；同时，空气系统中的空气被空气压缩机压缩后，经空气加热器加热，空气第二温度计监测刚加热后的空气的温度，控制在200~250℃，空气第三温度计监测空气进入燃烧室前的终温，控制在90~110℃；后续的测量系统对燃烧火焰进行相关参数实时测量。控制天然气与醇基燃料预热混合管道中第二温度计的温度数值为180~190℃，一方面保证醇基燃料能够完全气化，另一方面保证气化后的醇基燃料具有较高热量，不会凝结；控制第一温度计的温度数值为150~170℃的目的在于保证天然气具有一定的热量，防止与醇基燃料混合后导致气化后的醇基燃料预冷凝结。控制第四温度计的温度数值为70~90℃可以保证混合后的燃料在进入喷嘴前不出现凝结，保证在低速混合段一直处于完全气化状态。控制低速混合段压力计的压力数值在0.103~0.110Mpa范围内，是为了让低速混合段管道压力微大于低速混合段管道出口处的环境大气压（0.1Mpa），这样混合气体在经历一定长度的低速混合段的管道流动损失之后，既可以达到继续充分混合的目的又可以达到克服流动阻力与空气在喷嘴处汇合的目的。由于整个装置在大气环境下运行，装置内部的压力也没必要设置过高（否则对设备要求会很高，增加成本）。因此，0.103~0.110Mpa范围较为合适。第三温度计的温度数值选择在95~105℃，是因为混合后的气体燃料还将在一定长度的低速混合段流动并且散热，虽然低速混合段设有加热装置，但由于低速混合段的内部换热表面积较大，很容易降温到完全蒸发温度以下，为了充分保证混合燃料进入喷嘴前的温度在70~90℃不发生凝结，所以把第三温度计的温度数值选择在该范围。控制空气系统中空气第二温度计的温度数值为200~250℃是为了保证将空气加热到该温度范围，使其具有较高的热量，不至于在进入燃烧室前温度过低；控制空气第三温度计的温度数值为90~110℃是为了防止空气在进入燃烧室后温度太低，导致混合燃料在燃烧室出现凝结。

本发明的有益效果：

（1）本掺烧装置提供了一种新的掺混方式，在保证两种燃料掺混均匀的情况下，也维持了掺混前后燃料始终的气体状态，为混合燃料送入喷嘴燃烧提供了必要的燃烧条件，为今后该掺混技术在燃机燃烧室应用提供了试验可行的原型模板，提供了一种可行的降低燃料成本、减少天然气用量和降低燃烧排放的途径；

（2）通过加热器将醇基燃料气化，以气体的形式掺混进天然气，从而保证混合燃气的连续性和均匀性，实现了将物理性质差别显著的两种燃料掺混的目的；

（3）通过高速混合和低速混合两种混合方式，能保证气态的醇基燃料和天然气进行均匀掺混，保证了混合燃气的均匀性和均一性；

（4）通过在低速混合段设置加热器，能保证气态的醇基燃料与天然气掺混进入低速混合段时不会出现凝结，保证混合燃气在进入喷嘴前都能维持在气态，且均匀、均一；

（5）本发明提供的用于研究天然气掺烧醇基燃料的方法能保证醇基燃料均匀的在天然气中掺烧，可以用于研究不同比例的醇基燃料与天然气掺烧，获得准确可靠的研究数据。

附图说明

图1：用于天然气掺烧醇基燃料的装置组成示意图；

图2：天然气与醇基燃料预热混合管道示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1：用于天然气掺烧醇基燃料的装置和方法

如图1，装置包括燃料系统A：按天然气流向依次包括天然气源1、天然气阀门2、天然气流量计3；按醇基燃料流向依次包括醇基燃料源4、醇基燃料阀门6、醇基燃料流量计7、设于醇基燃料源4处驱动醇基燃料的氮气压力源5；天然气与醇基燃料预热混合管道A1。空气系统B：按空气流向依次包括空气压缩机8、空气阀门9、空气压力计10、空气流量计11、空气第一温度计12、空气加热器13、空气第二温度计14和空气第三温度计15。燃烧系统C：包括燃烧室16。测量系统D：包括用于测量火焰温度的热电偶17，用于测量喷嘴流场的粒度测定仪18，用于测量烟气组成的烟气采样分析仪19和用于测量火焰痕量组分浓度场的平面激光诱导荧光系统20。采集控制系统E：包括向燃料系统、空气系统和测量系统发出控制信号、接收并处理采集信号的软件控制平台。其中，预热混合管道包括燃料管道、加热单元、温度测定单元和压力测定单元，如图2；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段S1、收缩段S2、高速混合段S4、扩张段S5、低速混合段S6和喷嘴S7，高速混合段S4近收缩段S2一端分叉设有醇基燃料管道段S3；加热单元包括设于天然气管道段的油浴加热装置S8，设于醇基燃料管道段的油浴加热装置S9和设于低速混合段的通电加热片S10，加热片S10包裹在管道上；温度测定单元包括设于天然气管道段上位于第一加热器S8与收缩段S2之间的第一温度计T1，设于醇基燃料管道段S3上位于第二加热器S9与高速混合段S4之间的第二温度计T2，设于低速混合段S6近扩张段S5一端的第三温度计T3和设于低速混合段S6末端的第四温度计T4；压力测定单元包括设于低速混合段S6近扩张段S5一端的压力计P。

氮气驱液装置作为醇基燃料的原始动力，把醇基燃料从容器中压出，玻璃转子流量计对输出的流量加以控制，醇基燃料在油浴加热器中得到加热，之后吸热变成气态，出口处设置热电偶对气态温度进行测量。同时，从另一油浴加热器吸热的天然气从内径为9.5mm天然气管道段S1流入，后进入收缩段S2，速度变大，气态的醇基燃料在压力源的压力下沿醇基燃料管道段S3（内径3mm）进入收缩段S2，与天然气在高速混合段S4（内径3mm）高速混合，再进入扩张段S5。之后混合燃料在低速混合段S6（9.5mm内径）继续充分混合后进入喷嘴S7燃烧。高速混合段S4的长度为0.5m，扩张段S5长度为0.3m，低速混合段S6长度为2m。操作过程中，控制T1的温度数值为150~170℃，T2的温度数值为180~190℃，T3的温度数值为95~105℃，T4的温度数值为70~90℃，控制低速混合段近扩张段一端的压力计的压力P在0.103~0.110Mpa范围内。控制T2的温度数值为180~190℃，一方面保证醇基燃料能够完全气化，另一方面保证气化后的醇基燃料不会凝结；控制T1的温度数值为150~170℃的目的在于保证天然气能处于一定的温度，防止与醇基燃料混合后导致气化后的醇基燃料凝结。控制T4的温度数值为70~90℃可以保证混合后的燃料在进入喷嘴S7前不出现凝结，保证在低速混合段S6一直处于完全气化状态。控制低速混合段S6压力计的压力数值在0.103~0.110Mpa范围内，是为了让低速混合段S6管道压力微大于低速混合段S6管道出口处的环境大气压（0.1Mpa），这样混合气体在经历一定长度的低速混合段S6的管道流动损失之后，既可以达到继续充分混合的目的又可以达到克服流动阻力与空气在喷嘴S7处汇合的目的。由于整个装置在大气环境下运行，装置内部的压力也没必要设置过高（否则对设备要求会很高，增加成本）。因此，0.103~0.110Mpa范围较为合适。第三温度计的温度数值选择在95~105℃，是因为混合后的气体燃料还将在一定长度的低速混合段S6流动并且散热，虽然低速混合段设有加热装置，但由于低速混合段S6的内部换热表面积较大，很容易降温到完全蒸发温度以下，为了充分保证燃料最终出口处的温度在70~90℃不发生凝结，所以把第三温度计的温度数值选择在该范围。控制空气系统中空气第二温度计的温度数值为200~250℃是为了保证将空气加热到该温度范围，使其具有较高的热量，不至于在进入燃烧室前温度过低；控制空气第三温度计的温度数值为90~110℃是为了防止空气在进入燃烧室后温度太低，导致混合燃料在燃烧室出现凝结。最后，后续的测量分析系统再对混合燃料的燃烧火焰进行相关参数的精确实时测量。

设计的一款装置各部分组成具体介绍如下：

空气系统：空气系统由螺杆压缩机、储气罐、冷冻式干燥机、测量控制单元、空气预热器等组成。螺杆压缩机（75kW）提供0.9MPa、313 K、14.1m³/min压缩空气流经储气罐、干燥机，减压阀减压后经流量调节控制进入空气预热器，最后进入实验燃烧器，其中空气流量通过电动调节阀控制流量，横河（Yokogawa）涡街流量计计量体积流量，同时用铠装K型热电偶和压力变送器测量温度、压力，从而计算获得空气流量。空气预热器按照调节电压的方式调节预热功率，其最大电功率为15kW。

燃料系统：燃料系统主要由高压燃料气瓶组、减压阀、质量流量控制器、玻璃转子流量计和混合气罐组成。燃料气瓶提供的高压天然气、氮气经减压阀减压后通过质量流量控制器控制计量流量，电磁阀控制开关，然后经油浴式燃料预热器预热，并与加热后的醇基燃料蒸汽混合后进入燃烧器。天然气流量由Allaborg公司的GFC47质量流量控制器控制和测量，其精度为±1.5%FS，重复精度为±0.5%FS。燃料预热器采用油浴式加热方法，通过2kW电阻丝加热棒加热YD320导热油，通过温控器控制加热温度，燃料气经浸泡在导热油中的盘管与高温导热油换热从而实现燃料加温。导热油温度设置在180±5℃。醇基燃料装在封闭的不锈钢盛液装置中，采用高压氮气驱液，通过针阀控制醇基燃料流量，由于燃料流量较小为ml/min级别，选用耐腐蚀的玻璃转子流量计进行计量，并根据醇基燃料密度进行换算确定实际流量。醇基燃料汽化器采用油浴式加热方法，按照实验设计选用最大加热电功率为6kW，采用12根0.5kW的电阻丝加热棒进行加热。通过监测醇基燃料出口蒸汽温度，并结合蒸发温度测试中的完全蒸发温度判断醇基燃料是否完全汽化。为保证醇基燃料不凝结，燃料、空气均预热，且对管道进行加热、保温处理。

控制系统：采用Labview编制天然气掺烧醇基燃料燃烧实验控制系统。

测试分析系统：（1）OH、OH*痕量组分浓度场测量：建立用于测量湍流火焰痕量组分浓度场的PLIF系统，其原理是片状激光束穿越测试区域，流场中痕量组分的分子在激光激励下发生能级跃迁，产生荧光，荧光的强度与组分的摩尔浓度相关，探测荧光强度可以得到截面内的组分浓度场。实验配备的PLIF系统激光脉宽2-3ns，快门时间可达100ns，能够冻结湍流火焰的动态过程；采用8mJ的紫外激发光，能够感知ppm量级的组分浓度；采用高分辨率CCD相机，像素尺寸7.4μm×7.4μm，能够反映火焰的精细结构。OH痕量组分主要存在于火焰前峰和高温烟气位置，因此，采用平面激光诱导荧光系统测量燃烧场中的OH分布，可获得不同醇基燃料在不同掺烧热负荷工况下的火焰结构。同时，为获得不同醇基燃料火焰的热释放强度，还测试获得了OH*（OH自发化学荧光）分布。OH*测试仅用ICCD（增强型CCD）相机结合BP308/10窄带滤波片测量获得，设置ICCD快门速度600000ns、延迟时间值为5ns。（2）速度测量：燃烧实验中采用Dantec公司的相位多普勒粒度分析仪对喷嘴出口的流场进行测量。多普勒原理是根据从运动的粒子发出的散射光频率与照射在此粒子上光的频率之间所产生的频差，而这一频差正比于流动速度。采用探测器接收这个频差并对其进行处理，就可得出速度量。系统参数为1D激光器：532nm；2D激光器：561nm，553nm；测量范围：粒径1～1000μm，速度-220～330m/s。（3）烟气采样分析：燃烧器出口布置水冷烟气取样探针（探针头部60 mm长度范围内均匀布置5个等面积烟气取样孔，取样烟气时，取样孔正对烟气来流方向，且取样孔沿燃烧区出口径向均匀分布，保证取样烟气的成分代表烟气出口截面上烟气成分的平均值），取样烟气引入Testo350加强型烟气分析仪，电化学传感器分析烟气中O₂、CO、NO、NO₂和SO₂含量，NDIR红外传感器测量CO₂含量，待实验工况稳定、NO和CO排放波动不超过±1 ppm时读取数据。污染物排放分析误差主要源于分析仪的系统误差，O₂分析精度为±0.2%，CO、NO、NO₂和SO₂的分析精度为±5%测量值。（4）火焰温度：采用R型（铂铑13-铂）热电偶丝测量掺烧火焰的温度，结合变送模块ART S1101D并进行温度补偿最终获得火焰温度。实验中记录的是火焰温度的瞬态值，保证在15s内温度变化±3℃即记录，并通过重复性实验保证精度。

该研究装置操作大纲如下：

1、掺烧准备

（1）打开总电源空开。打开控制柜、电动阀、风机、线圈和电磁阀路空开；

（2）启动醇基燃料控制系统，进入控制界面；

（3）开启风机；

（4）开启天然气路油浴式预热器电源空开，开启醇基燃料路油浴式预热器电源空开；

（5）检查燃料管路。打开天然气路、氮气路质量流量控制器前后手动球阀，打开天然气和氮气进入混合罐的手动球阀，打开进入燃料预热器的手动球阀，打开经过燃料预热器的后端手动闸阀。测试确认天然气和氮气路电磁阀开关状态；

（6）检查空气管路。打开中间涡街流量计前端手动球阀，打开空气预热器进口阀门，关闭不经空气预热器的旁路球阀，打开进入燃烧器的手动球阀，打开进入高压燃烧装置的旁路球阀。测试确认空气路电动调节阀的调节状态；

（7）检查醇基燃料管路。确认驱液装置中醇基燃料量，打开玻璃转子流量计前端手动球阀，全开玻璃转子流量计调节按钮，关闭玻璃转子流量计后端针阀，关闭混合段前切断阀。打开高压氮气瓶出口阀门，旋拧减压阀至0.4MPa，确认驱液装置中氮气充满剩余空间、压力表显示为0.4MPa。

2、不同工况下的参数测量

（1）启动空气压缩机，调节空气路电动调节阀至工况状态，启动空气预热器加热空气；

（2）打开燃料间氮气高压燃料气瓶组，减压阀减至0.3MPa；

（3）打开台架拟采用的燃料管路，打开互通阀门，采用氮气清吹各管路并检查确认质量流量控制器工作正常，吹扫30s后各质量流量控制器置零，关闭互通阀门；

（4）打开燃料间天然气高压燃料气瓶组，减压阀减至0.3MPa；

（5）确认燃料路预热温度，其中醇基燃料路油浴式加热器油温达230℃，天然气路油浴式加热器油温达180℃；

（6）确认空气路预热温度；

（7）全开空气路旁通阀门，点火；

（8）调节燃料、空气至工况流量，并确认燃烧器进口燃料和空气温度约95℃；

（9）记录火焰温度；

（10）采用OH-PLIF方法测量OH、OH*浓度场；

（11）打印污染物排放数据；

（12）更换工况，重复（8）～（11）直至完成其它工况方案；

（13）操作中需监测天然气路、醇基燃料路两个油浴式预热装置的油温；

（14）测量完成后熄火，关闭空气预热器、空压机，关闭燃料路两个油浴式预热装置的电源空开，关闭燃料源，燃尽管道余气，卸开减压阀，锁燃料间。关闭驱液装置后端手动球阀，关闭驱液装置高压氮气气瓶阀门，卸开减压阀；

（15）空气冷吹空气预热器至温度低于60℃，关闭空气路电动调节阀；

（16）关闭燃料路、空气路阀门。

在上述装置和方法的基础上，保持和基准工况（Base Point，即纯天然气）相同的热负荷，分别掺入10%、20%、30%、50%热负荷的1#醇基燃料（来源见说明书最后），考察掺烧特性，其实验工况如下表所示。

如工况4，掺烧比例50%，即表示掺入的醇基燃料热值是混合燃料总热值的50%。两种燃料到达低速混合段前，均被加热到气态。在上述方法和装置基础上，通过保证空气流量不变以及热负荷不变，调整天然气和醇基燃料的比例来分析掺烧不同比例醇基燃料的天然气的燃烧特性。OH*-ICCD方法对上述工况火焰的监测结果表明，本发明提供的装置和方法能够保证均匀地向天然气中掺混不同比例的醇基燃料，火焰连续、稳定。

实施例2：天然气管道段与高速混合段内径比例对混合燃气均匀性的影响

OH*（OH自发化学荧光）分布可反映火焰的热释放强度。掺混不同比例醇基燃料的天然气在燃烧时热释放强度不一样，因此，OH*分布也不一样。OH*分布的测试用ICCD（增强型CCD）相机结合BP308/10窄带滤波片获得。掺混有不同比例醇基燃料的天然气燃烧出的火焰中OH*分布不一样，体现出来的区别就是ICCD获得的照片上颜色分布不一样，也就代表着不同区域的火焰热释放强度不同。因此，如果天然气与醇基燃料掺混均匀的话，一段时间内获得的多张照片的颜色分布应一致；掺混不均匀的话，不同时间点获得的ICCD照片上的颜色分布差别就较大。用这个方法可以判断醇基燃料与天然气是否掺混均匀。

实施例1中天然气管道段内径为9.5mm，高速混合段内径为3mm，二者内径之比约为3.2。为了研究天然气管道段与高速混合段内径比例对混合燃气均匀性的影响，还设计了另外4中不同内径比例的装置，其中，天然气管道段内径均为9.5mm，高速混合段内径分别为4.8mm（内径之比约为2:1）、3.2mm（内径之比约为3:1）、2.4mm（内径之比约为4:1）和1.9mm（内径之比为5:1），其余管道尺寸同实施例1。分别用这5种装置按照实施例1的掺混方法向天然气中掺混醇基燃料（掺混比例为50%，即工况4），用OH*-ICCD方法观察燃烧火焰，5秒拍摄一张照片，共拍摄30张，比较30张照片上火焰的荧光强度。结果显示：天然气管道段内径都为9.5mm，高速混合段内径为3.2mm、3mm和2.4mm的装置能将天然气与醇基燃料掺混均匀，30张照片显示的OH*分布连续稳定；高速混合段内径为4.8mm和1.9mm的装置在测定的燃烧时间内不能获得连续稳定的OH*分布，说明醇基燃料与天然气掺混不均匀。

实施例3：高速混合段的长度与内径比例对混合燃气均匀性的影响

实施例1中，高速混合段的内径为3mm，长度为500mm，长度约为内径的167倍。为了研究高速混合段的长度与内径比例对混合燃气均匀性的影响，还设计了另外4中不同比例的装置。高速混合段的内径均为3mm，长度分别为：420mm（长度与内径之比为140：1）、450mm（长度与内径之比为150：1）、540mm（长度与内径之比为180：1）和570mm（长度与内径之比为190：1），其余管道尺寸同实施例1。分别用这5种装置按照实施例1的掺混方法向天然气中掺混醇基燃料（掺混比例为50%，即工况4），用OH*-ICCD方法观察燃烧火焰，5秒拍摄一张照片，共拍摄30张，比较30张照片上火焰的荧光强度。结果显示：高速混合段长度为450mm、500mm和540mm的装置能将天然气与醇基燃料掺混均匀，30张照片显示的OH*分布连续稳定；高速混合段长度为420mm和570mm的装置在测定的燃烧时间内不能获得连续稳定的OH*分布，说明醇基燃料与天然气掺混不均匀。

实施例4：高速混合段与低速混合段长度比例对混合燃气均匀性的影响

实施例1中，高速混合段的长度为500mm，低速混合段长度为2000mm，低速混合段长度为高速混合段长度的4倍。为了研究二者长度比例对混合燃气均匀性的影响，还设计了另外4中不同比例的装置。高速混合段的内径均为500mm，低速混合段长度分别为：1000mm（长度之比为2：1）、1500mm（长度之比为3：1）、2500mm（长度之比为5：1）和3000mm（长度之比为6：1），其余管道尺寸同实施例1。分别用这5种装置按照实施例1的掺混方法向天然气中掺混醇基燃料（掺混比例为50%，即工况4），用OH*-ICCD方法观察燃烧火焰，5秒拍摄一张照片，共拍摄30张，比较30张照片上火焰的荧光强度。结果显示：低速混合段长度为1500mm、2000mm和2500mm的装置能将天然气与醇基燃料掺混均匀，30张照片显示的OH*分布连续稳定；高速混合段长度为1000mm和3000mm的装置在测定的燃烧时间内不能获得连续稳定的OH*分布，说明醇基燃料与天然气掺混不均匀。

本发明所采用用于研究向天然气中掺混醇基燃料的装置和方法的醇基燃料为上海源圭能源有限公司提供的1#醇基燃料，主要组成为质量分数为92.3%的甲醇。本领域技术人员应当知道，本发明研究出的掺混装置和方法对不同醇基燃料具有普适性，并不局限于某种醇基燃料。

Claims

1.一种用于天然气掺烧醇基燃料的装置，该装置包括燃料系统、空气系统、燃烧系统和采集控制系统，其特征在于：

燃烧系统：包括燃烧室；

2.根据权利要求1所述的用于天然气掺烧醇基燃料的装置，其特征在于：还包括测量系统，具体包括用于测量火焰温度的热电偶，用于测量火焰流场的粒度测定仪，用于测量烟气组成的烟气采样分析仪和用于测量火焰痕量组分浓度场的平面激光诱导荧光系统，它们的测量端分别设置于火焰处。

3.根据权利要求2所述的用于天然气掺烧醇基燃料的装置，其特征在于：所述天然气与醇基燃料预热混合管道包括燃料管道、加热单元、温度测定单元和压力测定单元；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段、收缩段、高速混合段、扩张段、低速混合段和喷嘴，高速混合段近收缩段一端分支设有醇基燃料管道段；加热单元包括设于天然气管道段的第一加热器，设于醇基燃料管道段的第二加热器和设于低速混合段的第三加热器；温度测定单元包括设于天然气管道段上位于第一加热器与收缩段之间的第一温度计，设于醇基燃料管道段上位于第二加热器与高速混合段之间的第二温度计，设于低速混合段近扩张段一端的第三温度计和设于低速混合段末端的第四温度计；压力测定单元包括设于低速混合段近扩张段一端的压力计。

4.根据权利要求3所述的用于天然气掺烧醇基燃料的装置，其特征在于：所述天然气与醇基燃料预热混合管道中天然气管道段与高速混合段的内径之比为（3~4）：1。

5.根据权利要求4所述的用于天然气掺烧醇基燃料的装置，其特征在于：所述天然气与醇基燃料预热混合管道中高速混合段的长度与内径之比为（150~180）：1。

6.根据权利要求5所述的用于天然气掺烧醇基燃料的装置，其特征在于：所述天然气与醇基燃料预热混合管道中高速混合段与低速混合段的长度之比为（3~5）：1。

7.根据权利要求6所述的用于天然气掺烧醇基燃料的装置，其特征在于：所述天然气与醇基燃料预热混合管道第一加热器和第二加热器为油浴加热装置，经过油浴加热装置的天然气管道和醇基燃料管道呈螺旋状。

8.利用权利要求3-7任一项所述的装置在天然气中掺烧醇基燃料的方法，其特征在于：醇基燃料压力源作为醇基燃料动力，把液态醇基燃料从醇基燃料源中压出，经第二加热器加热变成气态，第二温度计对气态醇基燃料的温度进行监测，控制第二温度计的温度数值在180~190℃范围；从第一加热器吸热的天然气经收缩段射出与气态醇基燃料在高速混合段混合，再通过扩张段进入低速混合段继续混合，在刚进入低速混合段时第三温度计和压力计监测混合燃料的温度和压力，控制第三温度计的温度数值在95~105℃范围，压力计的压力数值在0.103~0.110Mpa范围；在进入喷嘴前，第四温度计监测混合燃料的终温，控制第四温度计的温度数值在70~90℃范围；同时，空气系统中的空气被空气压缩机压缩后，经空气加热器加热，空气第二温度计监测刚加热后的空气的温度，控制在200~250℃，空气第三温度计监测空气进入燃烧室前的终温，控制在90~110℃；后续的测量系统对燃烧火焰进行相关参数实时测量。