压力对合成气燃气轮机燃烧室燃烧及排放特性的影响研究

发布时间：2018-04-01 17:22

本文选题：合成气燃气轮机燃烧室　切入点：数值模拟　出处：《中国科学院研究生院(工程热物理研究所)》2016年博士论文

【摘要】：我国一次能源以煤为主,整体煤气化联合循环(IGCC)是未来洁净煤技术主流发展方向之一。燃用煤气化合成气的重型燃气轮机是IGCC的核心设备,而合成气富氢、热值低、氢含量变化剧烈的特点对燃烧室的NOx抑制、冷却和燃烧稳定性等带来了挑战。不断提高压气机总压比和燃烧室出口温度进而提高循环效率是燃气轮机发展的重要方向。因此,工作在高温高压环境下的燃烧室技术是IGCC系统下燃气轮机需要突破的关键技术。针对合成气燃气轮机燃烧室的关键性能参数——壁温和污染物排放,以获得其压力影响规律和内在影响机制为目标,本研究发展了适用于高压条件下合成气旋流燃烧室的数值模拟方法；数值模拟结合实验研究了压力对流动、混合和反应的影响,细致分析了污染物生成特性及路径、辐射对流换热特性及机制,分别对光学通透概念燃烧器的流场特征和火焰形态、模型燃烧室和全尺寸燃烧室的燃烧特性进行了深入研究。论文具体工作如下：(1)发展适用于高压条件下合成气旋流燃烧室的数值模拟方法,并结合公开文献数据和实验数据完成验证。基于控制方程选取对压力影响具有精细描述的控制方程求解方法、模型和物性拟合公式。利用标准燃烧实验数据对湍流模型进行优选、参数优化和验证；利用公开文献数据对采用的燃烧模型和化学反应机理进行高压条件下的对比验证,形成数值模拟方法；开展光学通透燃烧器和模型燃烧室实验研究,对数值模拟方法进行实验验证。(2)合成气燃烧室内火焰结构压力影响研究。火焰结构体现了燃烧室内流动、混合和反应特征的综合影响。采用化学反应器模型及CFD数值模拟和光学通透燃烧器实验手段,研究压力对燃烧室内流场、掺混、组分分布以及温度分布的影响。利用反应器模型对合成气反应焓及绝热火焰温度随压力的变化进行分析。结合光学通透燃烧器冷态流场以及热态OH*测量实验,采用CFD计算分析压力对光学燃烧器、模型燃烧室和R0110燃烧室内流场、掺混、组分分布和温度分布的影响规律。结果表明,压力升高后,燃烧室内火焰温度峰值位置向后移动,当Re高于105燃烧室内的湍流充分发展,温度峰值位置趋于稳定；绝热火焰温度上升和掺混恶化,局部火焰温度峰值大致满足Tpeak～p0.04,压力高于0.5 MP8后,局部火焰温度峰值变化较小。(3)合成气燃烧室壁温压力影响研究。通过对模型燃烧室和R0110燃烧室的CFD数值模拟和实验,分析压力对燃烧室壁温的影响规律和内在影响机制。分别取出模型燃烧室和R0110燃烧室头部区、主燃区和掺混区上温度测点的实验和计算数据,分析不同区域壁温的变化规律。利用CFD数值计算分析两种燃烧室内外壁面热通量、对流传热和辐射传热随压力的变化,结合火焰结构分析,解释壁温变化规律。结果表明,压力升高,壁面开孔附近位置壁温略有下降；缺少冷却的燃烧室尾部壁温升高,壁温最大值Tmax～p0.06,壁温分布趋于稳定；对流换热强度在Re=105后趋于稳定；辐射强度在压力高于0.5 MPa后趋于稳定。(4)合成气燃烧室污染物排放压力影响研究。以模型燃烧室和R0110全尺寸燃烧室为对象,建立化学反应器网络(CRN)模型,并结合实验数据完成验证。结合光学通透燃烧器实验,采用模型及R0110燃烧室的CRN模型分析全压范围内的NOx/CO排放和NOx的生成化学反应途径的压力影响。对比不同低污染燃烧技术在高压下的减排效果,分析合成气燃料氮NH3存在条件下,高压燃烧室的污染物排放规律。结果表明,当主燃区温度高于1800 K时,NOx与压力呈指数关系；低于1800 K,呈抛物线型关系。前者热力型占主导地位,后者N20型主导NOx排放。CO与压力呈负指数关系。降低热力型/N20型NOx排放比例,可以有效控制高压条件下的NOx排放。相较于蒸汽稀释,预混和柔和燃烧方式可在更高出口温度条件下控制高压NOx排放。此外,压力会降低合成气燃料氮的转化率。综上,火焰结构和壁温模化需要满足流动和热力学两个准则条件。流动临界条件为出口Re高于105,燃烧室内的湍流充分发展,流场结构相似稳定；以压力每上升0.1 MPa火焰和壁温温度峰值上升小于1%为标准,火焰结构和壁温压力模化的热力学条件为压力高于0.5MPa。污染物排放则可以根据上述分段规律进行预估,并通过降低热力型/N20型NOx排放比值控制高压NOx排放。本研究可为燃气轮机燃烧室设计提供理论支持。
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【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】：TK473

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