贫预混燃烧室NOx排放的化学反应器网络模型数值研究

发布时间：2020-05-28 18:05

【摘要】：污染物排放控制是燃烧室的关键设计目标之一,发展适用于NOx排放预测的数值方法是预先评估低污染燃烧室的重要途径。基于CFD模拟结果的化学反应器网络模型(CRN)方法具有快速预估燃烧室NOx排放的优势。本文首先通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场以及组分分布等特征,重点研究了CRN模型区域划分的方法。基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及Da数,燃烧室被离散划分为预热区域、火焰锋面区域、火焰过渡区域、后火焰区域、中心回流区域以及角回流区域,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。研究CRN区域划分标准和CRN模型差异对预测燃烧室出口NOx排放特性的影响。与简单的CRN模型相比,在较高的绝热火焰温度条件下,复杂CRN模型预测NOx排放特性的优势更明显,表明CFD-CRN混合模拟方法更适用于高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。不同CRN区域划分标准的差异主要体现在相邻区域之间的停留时间分布的变化,而对燃烧室总停留时间和总烟气回流分配比例影响较小,因此对CFD-CRN方法预测燃烧室NOx排放的影响较小。在验证CFD-CRN方法有效性的基础上,通过敏感性和不确定性分析研究反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放预测的影响。单样本统计分析和Levene检验表明在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。在较高的绝热火焰温度条件下,烟气回流分配比对CFD-CRN方法预测NOx生成有显著影响,因而需要对其进行准确性计算。对不同压力和燃/空掺混不均匀性条件下贫预混火焰结构进行CFD数值模拟,分别比较在高压和燃/空掺混恶化条件下燃烧室CRN区域划分、停留时间和烟气回流比等关键参数的变化差异。结果表明,压力升高和燃/空掺混不均匀性增加时的CRN区域分布特征具有相似性,但是高压和燃/空掺混恶化均导致燃烧室火焰温度升高,使得燃烧室高温区域逐渐向燃烧室上游进行移动,对反应预热区域、火焰锋面区域和中心回流区域分布的影响更明显。停留时间和烟气回流比例等关键参数变化引起的流体动力学特性差异对CRN模型预测燃烧室NOx生成的影响并不显著。利用CRN模型研究了绝热火焰温度、压力和预混不均匀性对NOx生成和反应路径的影响机制。在较低的绝热火焰温度和燃/空掺混均匀条件下,压力升高时O自由基浓度降低,导致燃烧室NOx生成量逐渐减小,但是燃/空掺混恶化会导致NOx生成量随着压力的升高而呈现出先减小后增加的趋势。在较高的绝热火焰温度条件下,即使预混均匀性较好,NOx生成量随着压力的升高而呈现出逐渐增加的趋势,并且随着预混均匀性变差,压力的负面影响也越来越大,压力升高促进NOx生成的趋势更显著。最后绝热火焰温度和压力升高导致燃/空掺混不均匀性对NOx生成的敏感性更高,NOx生成量随着预混不均匀性增加而增加的趋势更显著。总之,本论文以贫预混燃烧器为对象,通过与实验结果进行对比验证,建立了适用于贫预混燃烧室NOx排放预测的CFD-CRN模拟方法,分析了高压和燃/空掺混恶化条件下该方法预测燃烧室NOx排放的适用性。CFD-CRN模拟方法是燃烧室污染物排放预估的便捷有效方法,对低污染燃烧室的设计和优化具有重要的应用价值。
【图文】：

件下低ＮＯｘ污染物排放的稳定燃烧。逡逑１．２．１邋ＧＥ邋公司逡逑ＧＥ公司燃气轮机燃烧技术发展趋势如图１．３所示，１９世纪８０年代，ＧＥ公司燃逡逑烧技术主要以多喷嘴的扩散燃烧技术为主，为了满足美国环保局提出的新的污染物逡逑ＮＯｘ排放标准７５ｐｐｍｖｄ（＠１５％0２），ＧＥ公司开始开发适用于干式燃油的ＤＬＮ１技术，逡逑随着污染物排放标准变得越来越严格，ＧＥ公司对燃烧喷嘴结构、燃料系统方式等不逡逑断优化，形成了最新的ＤＬＮ邋２．６＋燃烧技术。逡逑Ｉ邋ＤＩＮ２邋６＊￣Ｉ逡逑Ｉ邋ｌｕｏｏｌｆｕｆ邋Ｉ逡逑！ｐ邋Ｓｐｊｊｉ］逡逑0邋—逦ｆ邋ｆ邋Ｉ逡逑0逦ｒ邋■邋■邋■邋＿邋ｔ逦＼逡逑ｔｕ逦Ｓｔａｎｄｏｒｔｉ邋Ｍｕｌｔｉ邋Ｎ0￡ｚｉ？逦ＯＬＮ１逡逑？Ｅ逦ｃｏｃｎｂｕｉｔｏｒ邋Ｑｕｉｖｔ邋Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ逦．逦逦逡逑■ｇ逦：逦＂＝？？？－逦０１Ｎ１？逡逑图１．３邋ＧＥ公司燃气轮机燃烧技术演化Ｗ逡逑Ｆｉｇｌ．３邋Ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＧＥ［９１逡逑３逡逑

逡逑ＤＬＮ１燃烧技术是同串联式同心径向燃料分级预混燃烧系统，如图１．４所示。外逡逑围旋流预混喷嘴与中心体值班扩散喷嘴在相对轴向位置上前后错开，利用火焰筒的逡逑横截面进行燃料分级以满足燃烧系统的不同运行模式要求：初级燃烧模式，，贫－贫燃逡逑烧模式、二级燃烧模式和预混燃烧模式。商业机组运行结果表明ＤＬＮ１燃烧系统的逡逑ＮＯｘ最高排放极限下降至１８．４５邋ｍｇ／ｍ３［１Ｇ］。逡逑Ｐｒｉｍａｒｙ邋Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ邋（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋Ｆｌａｍｅ）逦Ｌｅａｎ－Ｌｅａｎ邋Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑Ｆｕｅｌ邋－邋Ｉｇｎｉｔｉｏｎ邋ｔｏ邋２０％邋Ｌｏａｄ逦￡ｕｅＬ邋－邋２０邋ｔｏ邋５０％邋Ｌｏａｄ逡逑１００％邋ｙｉ逦ｉ－ｙｊ逦Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ邋６０％逡逑Ｍ逦Ｐａｒｔｉａｌｌｙ逡逑—＇￣￣Ｐｒｅｔｔｉｅｄ逡逑３ｒｌ逦Ｈ］邋Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ邋Ｚｏｎｅ逦ＩＬ逦ＬＬＩ逡逑Ｐｒｉｍａｒｙ邋Ｚｏｎｅ逦｜逦｜逡逑Ｕｕ＊＞ＵｎｎＱ邋．邋ＨｓｗＳＭｖｔ邋Ｉ逡逑ｍ邋ｙ邋ｎｊ逦逡逑逦邋－邋ｐｒ＾ｌｅｌＳｓｈｅｄ逦－邋Ｐｎｎ＾．ｏｎｅｃｏｎｖｅｒｔａｄｔｏｐ．ｅｍ．ｘｅｒ逡逑二］＾逦＾邋｜Ｐ＿＿＾逡逑巧；？＜Ｃ逦－邋一邋ｍ逦［■ｉｐ＝＾＝ｚｚｚ——逦逦逡逑Ｘｌ逦Ｌｏｗ邋ＮＯ？，ＣＯ逡逑（ａ）邋ＤＬＮ１燃烧室内部结构逦（ｂ）邋ＤＬＮ－１变工况燃烧运行模式逡逑图１．４邋ＤＬＮ－１燃烧系统以及燃烧运行模式逡逑Ｆｉｇ．１．４邋Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ａｎｄ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅ邋ｏｆ邋ＤＬＮ－ｌ｜ｎｉ逡逑为了达到ＮＯｘ污染物排放标准降低到５ＰＰｍ、Ｃ？污染物排放标准降低到逡逑２５ｐｐｍ
【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】：TK16

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本文编号：2685618