100kW微型燃烧室设计及变燃料燃烧特性研究
发布时间：2021-04-16 21:05
21世纪以来,燃料电池领域及其技术发展迅猛,而在各种类型的燃料电池中,固体氧化物燃料电池的燃料适用性更为突出,可以作为小型独立移动电源进行供电。在以天然气为主要燃料的固体氧化物燃料电池系统中,燃料电池将会排出高温低氧空气和阳极排出产物（Anode Off Gas,AOG）。本文拟设计一款高温低氧燃烧器,用于为整个燃料电池系统的启动和稳定提供热源,同时提高整个固体氧化物燃料电池系统的效率和燃料利用率,并防止污染环境。主要内容有以下几点:（1）对燃烧器的总体布置方案、空气和燃料参数、燃烧室总体尺寸和头部旋流器尺寸等进行了设计和计算,其中设计理念主要来自于自主开发的某微型燃气轮机燃烧室的部分关键结构,并以强旋流燃烧和邻角引燃相结合的主火焰组织方式作为设计思路,设计工况选取燃烧器的启动工况,设计参数以燃料电池系统的出口参数及设计性能指标作为依据。（2）建立了燃烧器的平面示意图和三维模型,通过数值模拟对燃烧器进行结构优化,通过增加燃烧室变截面位置的前端直径来减小角回流区域并降低头部压损,通过调节一级轴向旋流器的叶片角度和二级径向旋流器的流道偏心距来改变燃烧室内的回流区和火焰组织方式,从而平衡燃烧...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体氧化物燃料电池(SOFC)基本原理
第1章绪论3燃烧器的燃料AOG中含有大量的稀释气体；二是通入燃烧器的氧化剂为高温低氧空气，空气中的氧浓度对于燃烧的影响作用非常明显；三是燃烧器需要配合燃料电池系统进行工作，因此需要具有一定的燃料适应性和变工况能力。图1.2SOFC系统示意图1.2国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1合成气燃烧从燃料组成来看，固体氧化物燃料电池的阳极排出产物中主要的可燃成分为氢气和一氧化碳，与富氢合成气的组成成分类似，因此有关合成气燃烧的研究对于AOG燃烧器的结构和参数设计有着一定的借鉴意义。YanhuanJ等人[8]研究了氢含量对合成气/空气混合物燃烧特性的影响。结果表明，层流燃烧速度随着氢含量的增加呈非线性增加趋势；同时当量比对于层流燃烧速度的影响也十分显著；当氢含量大于50％时，紊流对燃烧速度的促进作用逐渐降低。Seik等人[9]对燃气轮机燃烧室在加压条件下合成气的燃烧特性进行了研究，发现当压力增加时，污染物排放(特别是NOx)呈现线性增加的趋势；同时研究了合成气中H2/CO比对于燃烧特性的影响，当氢气供应百分比大于60％时，燃烧器出现回火现象。Choi等人[10]研究当燃料从天然气转换为合成气时的燃烧组织方式，以及不同旋流组合和合成气组分对火焰结构和污染物排放特性的影响。研究发现共旋旋流数组合为1.3/1.46的工况是该合成气燃料稳定转化的最佳旋流组合。在合成气燃烧的研究中，很多学者把目光聚集在稀释剂对于燃烧和污染物的影响规律上。李少帅[11]对以合成气为燃料的燃气轮机部分预混旋流燃烧过程进行研究，发现随着稀释气体CO2的增加，燃烧室内高温区分布范围减小且最高燃烧温度降低；此外，将CO2作为稀释气体会减少主反应区内链式反应自由
哈尔滨工业大学硕士学位论文8图2.1火焰筒布置方式：顺流布置(左)；逆流布置(右)按照燃烧器的火焰筒气流流动方式分类，一般分为顺流布置方式和逆流方式，如图2.1所示。燃烧室顺流布置方式迎风而积孝流动阻力小，但燃气轮机整体轴线比较长，且点火器引线要经过空气流动区域；采用逆流布置方式流动阻力较大，轴线长度可以较大幅度的减小，易于接近燃烧室燃料喷嘴，便于对燃烧室进行检修维护[30]。虽然逆流布置在进气和点火器布置方面更有优势，但由于燃烧器的燃料和空气来自燃料电池的阳极和阴极，因此将空气逆流布置无疑会带来管路的延长和燃烧器体积的增大。综上所述，选择燃烧器空气顺流布置的方式。2.2.2空气和燃料分配燃烧室中的燃烧反应总是在气相中进行的，因此燃料当量比的设定和燃烧室中空气流量分配的合理性决定了燃烧器的燃烧性能。在实际燃烧室中空气主要有三种用途：一是空气作为氧化剂与燃料混合并燃烧；二是空气与燃烧产物掺混并使其完全燃烧；三是空气通过冷却孔进入到火焰筒中，用于冷却火焰筒壁面，使其工作在允许的材料使用温度限度内。燃烧室的空气流量分配是燃烧器设计研发中最基本的问题之一，通过改变火焰筒中各个进气装置的数量、结构、尺寸和位置，来调节燃烧器的压力损失、平均流速、点火性能、火焰稳定性、燃烧效率、壁面冷却、出口温度分布和污染物排放等。设计中首先考虑燃烧室头部的空气量，从而确定燃料和空气的当量比，并能够保证燃烧室头部的回流区能够具有合适的位置、几何结构和回流量。在头部空气量确定后，其余空气作为冷却空气通过冷却孔进入到燃烧室中，各级冷却孔的空气流量比例相等。各部分的空气入口面积由流阻系数确定，流阻系数通过插图表和经验公式计算[31]，空气流量分配如表2-1所示。燃料分?
【参考文献】：
期刊论文
[1]合成气用于固体氧化物燃料电池[J]. 苏春生,钱锦,张海峰. 真空电子技术. 2019(02)
[2]基于甲烷催化部分氧化的SOFC性能研究[J]. 龚思琦,曾洪瑜,史翊翔,蔡宁生. 燃烧科学与技术. 2019(01)
[3]稀释剂对合成气燃烧污染物排放的影响[J]. 席剑飞,顾中铸,袁也,张先鹏. 动力工程学报. 2018(05)
[4]阳极支撑型固体氧化物燃料电池电化学数值分析[J]. 蔡东根,蔡熊峰,杨云珍,夏卫生. 华中师范大学学报(自然科学版). 2018(02)
[5]燃气轮机电厂氮氧化物排放浓度标准比较与实测验证[J]. 王会祥,王秋明. 中外能源. 2018(04)
[6]旋流数对燃烧不稳定性及NOx生成的影响[J]. 石黎,付忠广,王瑞欣,沈亚洲. 动力工程学报. 2017(09)
[7]航空燃气涡轮发动机燃气分析测试及计算方法[J]. 王明瑞,肖阳,韩冰,贾琳妍. 航空动力学报. 2015(11)
[8]固体氧化物燃料电池材料研究进展与产业化现状[J]. 左敏,黄依琴,柏佩文. 新材料产业. 2015(10)
[9]天然气重整制氢及其在燃料电池的应用[J]. 付维新,刘晓. 煤气与热力. 2013(06)
[10]碳基燃料固体氧化物燃料电池发展前景[J]. 韩敏芳,彭苏萍. 中国工程科学. 2013(02)
博士论文
[1]直喷天然气发动机缸内喷射混合和燃烧特性的研究[D]. 王涛.北京交通大学 2019
[2]合成气混合与燃烧特性的数值与实验研究[D]. 李少帅.清华大学 2017
[3]微燃机富氧燃烧室数值模拟与实验研究[D]. 王福珍.华北电力大学 2014
硕士论文
[1]SOFC系统甲烷水蒸汽重整Ni基催化剂性能研究[D]. 张雨舒.哈尔滨工业大学 2019
[2]固体氧化物燃料电池输运特性和性能模拟研究[D]. 郭常福.大连理工大学 2018
[3]基于FLUENT的柴油机喷雾特性的数值模拟与影响因素的分析研究[D]. 李启慧.长安大学 2015
[4]贫燃预混旋流燃烧不稳定性大涡模拟[D]. 王海连.大连理工大学 2014
[5]微型燃机燃烧室天然气燃烧过程数值模拟[D]. 李耀强.哈尔滨工业大学 2013
[6]燃气轮机用空气雾化喷嘴工作特性研究及火焰筒头部数值模拟[D]. 王立.沈阳航空工业学院 2009
[7]100kW微型燃气轮机总体方案分析[D]. 桑振远.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3142171
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体氧化物燃料电池(SOFC)基本原理
第1章绪论3燃烧器的燃料AOG中含有大量的稀释气体；二是通入燃烧器的氧化剂为高温低氧空气，空气中的氧浓度对于燃烧的影响作用非常明显；三是燃烧器需要配合燃料电池系统进行工作，因此需要具有一定的燃料适应性和变工况能力。图1.2SOFC系统示意图1.2国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1合成气燃烧从燃料组成来看，固体氧化物燃料电池的阳极排出产物中主要的可燃成分为氢气和一氧化碳，与富氢合成气的组成成分类似，因此有关合成气燃烧的研究对于AOG燃烧器的结构和参数设计有着一定的借鉴意义。YanhuanJ等人[8]研究了氢含量对合成气/空气混合物燃烧特性的影响。结果表明，层流燃烧速度随着氢含量的增加呈非线性增加趋势；同时当量比对于层流燃烧速度的影响也十分显著；当氢含量大于50％时，紊流对燃烧速度的促进作用逐渐降低。Seik等人[9]对燃气轮机燃烧室在加压条件下合成气的燃烧特性进行了研究，发现当压力增加时，污染物排放(特别是NOx)呈现线性增加的趋势；同时研究了合成气中H2/CO比对于燃烧特性的影响，当氢气供应百分比大于60％时，燃烧器出现回火现象。Choi等人[10]研究当燃料从天然气转换为合成气时的燃烧组织方式，以及不同旋流组合和合成气组分对火焰结构和污染物排放特性的影响。研究发现共旋旋流数组合为1.3/1.46的工况是该合成气燃料稳定转化的最佳旋流组合。在合成气燃烧的研究中，很多学者把目光聚集在稀释剂对于燃烧和污染物的影响规律上。李少帅[11]对以合成气为燃料的燃气轮机部分预混旋流燃烧过程进行研究，发现随着稀释气体CO2的增加，燃烧室内高温区分布范围减小且最高燃烧温度降低；此外，将CO2作为稀释气体会减少主反应区内链式反应自由
哈尔滨工业大学硕士学位论文8图2.1火焰筒布置方式：顺流布置(左)；逆流布置(右)按照燃烧器的火焰筒气流流动方式分类，一般分为顺流布置方式和逆流方式，如图2.1所示。燃烧室顺流布置方式迎风而积孝流动阻力小，但燃气轮机整体轴线比较长，且点火器引线要经过空气流动区域；采用逆流布置方式流动阻力较大，轴线长度可以较大幅度的减小，易于接近燃烧室燃料喷嘴，便于对燃烧室进行检修维护[30]。虽然逆流布置在进气和点火器布置方面更有优势，但由于燃烧器的燃料和空气来自燃料电池的阳极和阴极，因此将空气逆流布置无疑会带来管路的延长和燃烧器体积的增大。综上所述，选择燃烧器空气顺流布置的方式。2.2.2空气和燃料分配燃烧室中的燃烧反应总是在气相中进行的，因此燃料当量比的设定和燃烧室中空气流量分配的合理性决定了燃烧器的燃烧性能。在实际燃烧室中空气主要有三种用途：一是空气作为氧化剂与燃料混合并燃烧；二是空气与燃烧产物掺混并使其完全燃烧；三是空气通过冷却孔进入到火焰筒中，用于冷却火焰筒壁面，使其工作在允许的材料使用温度限度内。燃烧室的空气流量分配是燃烧器设计研发中最基本的问题之一，通过改变火焰筒中各个进气装置的数量、结构、尺寸和位置，来调节燃烧器的压力损失、平均流速、点火性能、火焰稳定性、燃烧效率、壁面冷却、出口温度分布和污染物排放等。设计中首先考虑燃烧室头部的空气量，从而确定燃料和空气的当量比，并能够保证燃烧室头部的回流区能够具有合适的位置、几何结构和回流量。在头部空气量确定后，其余空气作为冷却空气通过冷却孔进入到燃烧室中，各级冷却孔的空气流量比例相等。各部分的空气入口面积由流阻系数确定，流阻系数通过插图表和经验公式计算[31]，空气流量分配如表2-1所示。燃料分?
【参考文献】：
期刊论文
[1]合成气用于固体氧化物燃料电池[J]. 苏春生,钱锦,张海峰. 真空电子技术. 2019(02)
[2]基于甲烷催化部分氧化的SOFC性能研究[J]. 龚思琦,曾洪瑜,史翊翔,蔡宁生. 燃烧科学与技术. 2019(01)
[3]稀释剂对合成气燃烧污染物排放的影响[J]. 席剑飞,顾中铸,袁也,张先鹏. 动力工程学报. 2018(05)
[4]阳极支撑型固体氧化物燃料电池电化学数值分析[J]. 蔡东根,蔡熊峰,杨云珍,夏卫生. 华中师范大学学报(自然科学版). 2018(02)
[5]燃气轮机电厂氮氧化物排放浓度标准比较与实测验证[J]. 王会祥,王秋明. 中外能源. 2018(04)
[6]旋流数对燃烧不稳定性及NOx生成的影响[J]. 石黎,付忠广,王瑞欣,沈亚洲. 动力工程学报. 2017(09)
[7]航空燃气涡轮发动机燃气分析测试及计算方法[J]. 王明瑞,肖阳,韩冰,贾琳妍. 航空动力学报. 2015(11)
[8]固体氧化物燃料电池材料研究进展与产业化现状[J]. 左敏,黄依琴,柏佩文. 新材料产业. 2015(10)
[9]天然气重整制氢及其在燃料电池的应用[J]. 付维新,刘晓. 煤气与热力. 2013(06)
[10]碳基燃料固体氧化物燃料电池发展前景[J]. 韩敏芳,彭苏萍. 中国工程科学. 2013(02)
博士论文
[1]直喷天然气发动机缸内喷射混合和燃烧特性的研究[D]. 王涛.北京交通大学 2019
[2]合成气混合与燃烧特性的数值与实验研究[D]. 李少帅.清华大学 2017
[3]微燃机富氧燃烧室数值模拟与实验研究[D]. 王福珍.华北电力大学 2014
硕士论文
[1]SOFC系统甲烷水蒸汽重整Ni基催化剂性能研究[D]. 张雨舒.哈尔滨工业大学 2019
[2]固体氧化物燃料电池输运特性和性能模拟研究[D]. 郭常福.大连理工大学 2018
[3]基于FLUENT的柴油机喷雾特性的数值模拟与影响因素的分析研究[D]. 李启慧.长安大学 2015
[4]贫燃预混旋流燃烧不稳定性大涡模拟[D]. 王海连.大连理工大学 2014
[5]微型燃机燃烧室天然气燃烧过程数值模拟[D]. 李耀强.哈尔滨工业大学 2013
[6]燃气轮机用空气雾化喷嘴工作特性研究及火焰筒头部数值模拟[D]. 王立.沈阳航空工业学院 2009
[7]100kW微型燃气轮机总体方案分析[D]. 桑振远.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3142171
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