天然气轴向分级预混燃烧特性研究

发布时间：2020-05-07 14:41

【摘要】：随燃气轮机级别提高,燃气轮机燃烧室出口温度最高已接近1973K,常规贫预混燃烧即使在掺混均匀的情况下也无法满足日益严格的低NOx排放要求。燃料轴向分级燃烧技术将燃烧室轴向分成主燃区和二级燃烧区,部分燃料在二级燃烧区喷入形成低氧燃烧,实现更宽负荷范围内低NOx排放,目前已在商业燃气轮机上获得应用。然而,燃料轴向分级燃烧抑制NOx生成的内在机制尚不完全清楚,如何将燃料轴向分级燃烧与常规贫预混燃烧结合应用于燃烧室设计仍待细致研究。论文针对1973 K燃气轮机燃烧室,采用模拟分析和实验研究相结合的方法,研究了二级负荷比例、当量比等关键参数对CO/NOx排放的影响规律,分析了轴向分级燃烧中NOx抑制机制;研究了掺混性能耦合二级关键参数对轴向分级燃烧CO/NOx排放的影响规律;设计模型燃烧器,实验研究天然气轴向分级预混燃烧特性,具体如下:1)基于Chemkin软件平台,建立了理想掺混情况下的燃料轴向分级燃烧室和贫预混燃烧室化学网络模型,研究了二级燃烧区关键参数对CO/NOx排放特性的影响规律。结果表明,相对于常规贫预混燃烧,燃料轴向分级燃烧具有较宽的低NOx排放的工况范围,尤其在在高温情况下低NOx排放优势明显。通过NOx再燃抑制NOx生成的占比较小,最高仅4.5%,抑制热力型NOx生成是燃料轴向分级燃烧实现低NOx的主因,其中在保证燃烧稳定、CO燃尽的前提下,降低主燃区燃烧温度、缩短二级停留时间是实现低NOx排放的有效手段。2)建立化学反应网络模型,研究了主流高温烟气/二级未燃预混气掺混不均匀性和二级燃/空预混不均匀性对污染物生成的影响规律。结果表明,掺混不均匀度的增加导致NOx、CO排放增加,且在较高的二级当量比、二级负荷比例下,掺混不均匀性对污染物排放的影响更严重。掺混性能耦合二级负荷比例、二级当量比作用时,针对NOx排放存在二级负荷比例和二级当量比的最佳值。二级燃/空预混气采用贫燃运行方式,更有利于实现低NOx排放,同时对二级喷嘴结构预混均匀性设计有更宽的容许裕度。3)设计模型燃烧器并在常压状态下开展了不同二级负荷比例、二级当量比和总当量比下的模型燃烧器燃烧特性实验研究。结果体现了轴向分级燃烧的低NOx排放特性,且模型燃烧器存在最佳二级负荷比例实现低NOx排放,而CO排放仅稍增;主流高温烟气与二级未燃预混气掺混不均匀的影响随二级负荷比例增加趋于严重。
【图文】：

以及粉尘颗粒物［５］，其中ＮＯｘ为污染物重要组成成分。燃烧室作为燃气轮机的逡逑核心部件，如何使燃烧室在更宽负荷下稳定、低排放燃烧在国际上被重点关注，逡逑同时ＮＯｘ和ＣＯ的生成都与火焰温度有关，如图１．２所示［６］。图１．２显示ＮＯｘ、逡逑ＣＯ生成在稳定低排放燃烧温度范围内相互矛盾，如何解决或者平衡燃烧温度和逡逑ＮＯｘ、ＣＯ排放之间的矛盾，是当前燃气轮机燃烧室发展的关键问题。逡逑１２０邋逦邋３０逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋；逡逑１００邋－逦—ｒａｎｇｅ邋ｆｏｒ逦／逦－邋２５逡逑ｌｏｗ逦：逦／逡逑ｓ逦丨逦ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ逦丨逦／ｎｏ，逦Ｉ逡逑Ｓ．邋８０邋—逦／逦—邋２０邋ｇ逡逑Ｉ邋＼邋丨逦＇＇逦Ｉ逡逑ｃ0＼逦：：逦＼逦＼逡逑0邋—＾１邋ｉ逦１逦１逦１逦0逡逑１５００逦１６００逦１７００逦１８００逦１９００逦２０００逦２１００逡逑Ｉ’ｒｉｍａｒｙ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋Ｋ逡逑ｉ000ｋ＾—邋ｃ0＝＝ｒｃｅ0ｒｚ匕一＾５00ｋ逡逑图１．２邋ＮＯｘ和ＣＯ排放与燃烧温度关系曲线图Ｗ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＮＯｘ／ＣＯ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｆｉｒｉｎｇ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ１６１逡逑目前，由于国内外应用最广的燃气轮机燃烧技术为干式低ＮＯｘ技术（Ｄｒｙ逡逑ＬｏｗＮＯｘ，ＤＬＮ），，通过调研ＧＥ公司ＤＬＮ燃烧技术的发展，如表１．１所示，可逡逑２逡逑

燃料轴向分级燃烧技术（Ａｘｉａｌ邋Ｆｕｅｌ邋Ｓｔａｇｅ，ＡＦＳ）是指将燃料和空气分成两逡逑部分喷入燃烧室，同时燃烧室在轴线方向上分成两个区域，即主燃区和二级燃烧逡逑区，如图１．３所示，一级燃料和一级空气在主燃区完成预混燃烧，二级燃料和二逡逑级空气的未燃预混气与主流高温烟气掺混均匀后在二级燃烧区完成整个燃烧过逡逑程。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK473

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本文编号：2653129