燃气轮机含氢燃料稀释燃烧技术研究

发布时间：2017-10-30 06:08

  本文关键词：燃气轮机含氢燃料稀释燃烧技术研究

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【摘要】：燃气轮机含氢燃料燃烧可以广泛应用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)、炼油和化工等领域,是燃气轮机燃烧技术的重要研究方向。现阶段,稀释扩散燃烧技术对燃气轮机含氢燃料低污染燃烧室的设计和应用起支撑作用。针对高温升燃烧室或高氢燃料燃烧室的稀释扩散燃烧技术仍有待于深入研究和开发。根据研究对象不同,本文工作可分为三部分：1、针对对冲火焰模型的基础研究首先,根据扩散燃烧室的工作原理定义了等效稀释比例的概念。对甲烷、合成气和氢气的稀释扩散对冲火焰进行了数值模拟。发现燃料侧稀释与空气侧稀释对甲烷和合成气的对冲火焰结构、NO生成路径和速率影响不大。合成气火焰的NO主要来源于热力型NO和通过NNH机理产生的NO；氢气火焰NO的几乎全部来自于热力型NO。氮气稀释可以有效降低扩散火焰的温度峰值,火焰热力型NO生成速率降低是合成气和氢气火焰总NO生成率降低的主要原因。2、针对模型燃烧室的技术研究设计了简化的模型燃烧室与含氢燃料喷嘴,并在此基础上分别研究了合成气和氢气的稀释扩散燃烧技术。针对合成气燃烧室,提出了氮气中间稀释方案：氮气从火焰筒环腔中部处注入,均匀稀释参与燃烧的空气。这一技术不仅降低了NO排放,还具有抑制空气分配畸变的效果,利于燃烧室稳焰,并为进一步增加氮气喷射量、实现超低NO排放提供了空间。针对氢气燃烧室,提出了燃料稀释方案,避免喷嘴表面挂火的风险。数值模拟和实验结果表明,壁面射流区以及火焰后区热力型NO生成速率下降是合成气和氢气燃烧室NO生成速率下降的主导因素。随稀释比例增大,两个燃烧室出口的NO排放都会迅速下降。当稀释比例50%时,合成气燃烧室出口NO排放为10ppm@15%O2;当稀释比例60%时,不同当量比下(0.33-0.47),氢气燃烧室出口NO排放均低于25ppm@15%O2。3、针对真实燃烧室的试验验证将氮气中间稀释技术应用于某真实合成气低污染燃烧室的设计,并进行了试验。结果表明合成气燃烧室能够在宽广的负荷范围内安全稳定运行；设计工况燃烧室出口的NO排放低于25ppm@15%02,证明了该设计的有效性。
【关键词】：燃气轮机 含氢燃料 燃烧室 稀释 NOx
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK47
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 引言11-19
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究进展12-17
• 1.2.1 NOx生成机理12-13
• 1.2.2 应用于重型燃气轮机的燃料低污染燃烧技术13-14
• 1.2.3 基于对冲火焰模型的基础研究14-15
• 1.2.4 针对燃气轮机燃烧室的技术研究15-17
• 1.3 论文主要研究内容17-19
• 2 含氢燃料稀释扩散火焰性质19-32
• 2.1 对冲扩散火焰模型及数值方法19-22
• 2.1.1 对冲扩散火焰模型19
• 2.1.2 控制方程19-21
• 2.1.3 化学反应机理选择及计算参数21-22
• 2.2 计算结果及分析22-30
• 2.2.1 火焰结构及NO生成特点22-26
• 2.2.2 氮气稀释对火焰结构的影响26-28
• 2.2.3 氮气稀释对NO生成的影响28-30
• 2.3 本章小结30-32
• 3 模型燃烧室及可视化燃烧实验平台32-49
• 3.1 模型燃烧室32-40
• 3.1.1 模型燃烧室简化32-36
• 3.1.2 喷嘴设计36-40
• 3.2 可视化燃烧实验平台40-48
• 3.2.1 实验系统40-42
• 3.2.2 实验台调试42-44
• 3.2.3 实验台调试44-48
• 3.3 本章小结48-49
• 4 合成气稀释燃烧技术研究49-63
• 4.1 合成气稀释燃烧数值模拟方法49-51
• 4.1.1 三维数值模拟方法49
• 4.1.2 化学反应网络模型方法及模型建立49-51
• 4.2 氮气喷射方案对燃烧室性能的影响51-54
• 4.2.1 氮气喷射方案51-52
• 4.2.2 氮气喷射方案对燃烧室性能的影响52-54
• 4.3 氮气稀释对燃烧室性能的影响54-59
• 4.3.1 氮气稀释对燃烧室流场影响54-55
• 4.3.2 氮气稀释对燃烧室NOx排放的影响55-59
• 4.4 合成气稀释燃烧实验研究59-62
• 4.4.1 氮气喷嘴设计及布置59-60
• 4.4.2 实验结果与讨论60-62
• 4.5 本章小结62-63
• 5 氢气稀释燃烧技术研究63-74
• 5.1 氮气喷射方案优选63-64
• 5.2 氮气稀释对燃烧室性能的影响64-68
• 5.2.1 氮气稀释对燃烧室流场的影响64-65
• 5.2.2 氮气稀释对燃烧室NOx排放的影响65-68
• 5.3 氢气稀释燃烧实验研究68-73
• 5.3.1 氮气喷射对火焰形态的影响68-70
• 5.3.2 氮气喷射对总压损失的影响70-71
• 5.3.3 氮气喷射对NOx排放的影响71-72
• 5.3.4 氮气喷射对压力脉动的影响72-73
• 5.4 本章小结73-74
• 6 合成气稀释燃烧技术在燃烧室中的试验验证74-97
• 6.1 合成气燃烧室设计74
• 6.2 合成气燃烧室三维数值模拟74-77
• 6.2.1 算例设置74-75
• 6.2.2 计算结果分析75-77
• 6.3 合成气燃烧室常压模化试验系统及调试77-83
• 6.3.1 实验系统77-79
• 6.3.2 天然气燃烧试验79-83
• 6.4 合成气燃烧室试验83-96
• 6.4.1 试验工况参数83-84
• 6.4.2 试验结果分析84-93
• 6.4.3 拆检93-96
• 6.5 本章小结96-97
• 7 结论与展望97-100
• 7.1 结论97-98
• 7.2 展望98-100
• 参考文献100-108
• 作者简历及在学期间发表的学术论文与研究成果108-110
• 致谢110

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本文编号：1116423