低污染燃烧室头部结构与特性研究
发布时间：2021-07-06 06:06
燃气轮机运行过程中会产生氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）、未燃碳氢化合物（UHC）等污染物,这些污染物具有很大的危害性,尤其是NOX。随着燃气轮机使用的逐渐增加,以及燃烧室工作压力和温度的大幅度提高,排放到大气中的污染物也日益增多,为了保护环境,控制大气污染物的产生,实现低污染排放成为了燃气轮机技术的主要发展方向之一,如何控制燃气轮机燃烧室的NOX排放量,减少燃烧过程中的污染物生成量,提高燃烧效率,成为设计、改良燃烧室的关键问题,是人们关注和研究燃气轮机的重点。在发展低污染燃烧室这一大背景下,本文对低污染燃烧室头部进行了研究,主要内容及结论如下:本文首先进行的是单旋流器预混燃烧室头部气动和结构设计,根据燃烧室设计指标,设计燃烧室头部的流经旋流杯气体当量比0.5696,总当量比为0.3987。根据燃烧室的进气量等初步确定了扩压器、旋流器、燃烧室头部及火焰筒的尺寸,其中扩压器计算得到总压恢复系数为99.58%。为了验证气动设计的合理性,建立了一维chemkin模型,计算得到燃烧室出口温度为1680.5K,NO^排放量为4.67ppm（15%O2 浓度）,CO 为 0.8ppm（15°/...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：112 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１国际民航组织对ＮＯｘ的排放要求??Ｆｉｇ?１．１?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ａｃｈｉｅｖｅｄ?ｌｅｖｅｌ?ｏｆ?ＮＯｘ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ＩＣＡＯ?ｓｔａｎｄａｒｄｓ１１０１??
也会降低火焰温度，但是，从总体趋势上来看，随着过量空气系数的增??力口，Ｎ０Ｘ生成量先增加，到达一个极值后下降，不同类型火焰Ｎ０Ｘ生成量随过量??空气系数的变化规律如图１．３所示??授?：?｜?ｉ??２?丨：＿?ｉ??１?１?Ｉ?！?１?！?Ｉ?Ｉ?？??０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６?１．８??ａ??图１．３热力型ＮＯｘ生成量与过量空气系数的关系Ｍ??Ｆｉｇ?１．３?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔ＞ｖｅｅｎ?ｔｈｅｒｍａｌ?ＮＯｘ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｅｘｃｅｓｓ?ａｉｒ?ｒａｔｉｏ１２３１??高温烟气停留时间对热力型ＮＯｘ生成量也有一定影响，主要是因为ＮＯｘ生??成反应速度较慢，当时间较短时，反应还没有达到化学平衡。而在其它条件不变??的情况下，高温烟气停留时间越长，ＮＯｘ生成量就越大，直至达到化学平衡浓度，??因此控制缩短高温烟气停留时间也能减少ＮＯｘ的排放??（２）快速型＾＾（＾生成机理??快速型ＮＯｘ可以在温度比较低的情况下，在不含燃料氮的燃烧火焰中产生??［２４］，Ｆｅｎｉｍｏｒｅ等人进行了一系列的研宄，最终认为不能用扩大的泽尔道维奇机理??来说明，并提出了如下快速型ＮＯｘ的生成机理，ＨＣＮ是快速型ＮＯｘ生成的重要??中间产物［２５－２８］。??Ｎ２＋ＣＨｘ—ＨＣＮ＋Ｎ＋…?（１．３）??Ｎ２＋Ｃ２＾２ＣＮ?（１．４）??Ｎ＋ＯＨ—ＮＯ＋Ｈ?（１．５）??Ｆｅｎｉｍｏｒｅ等人研究了甲烷火焰内ＨＣＮ浓度以及温度变化规律，如图１．４所??示。从图中可以看出
随温度变化的趋势相反，常规燃烧室的主燃区温度为１０００－２５００Ｋ，一般很难同??时保证两者的排放量都较低，只有在１６７０－１９００Ｋ范围内时，燃烧室产生Ｃ０及??很少，如图１．５所示。基于此原理，如果能控制主燃区温度处于低排放的??温度区，则可兼顾ＣＯ?（包括ＵＨＣ）和ＮＯｘ的排放量都处于低值范围。??ＣＯ／１０－６?１?；?ＮＯｘ／ｌ（）＂６??：?低排放物丨?／??１〇〇?－?ｍ?温廑区———?－２５??８０?－?！?！?／?－?２０??６〇?－?＼?：?＼?－?１５??４°?■?Ａ！?／??１５００?１６００?１７００?１８００?１９００?２０００?２１００??１０００Ｋ?．?常规麟室温—?＾?２５〇〇Ｋ??图１．５主燃区温度对排放物的影响ｌ４｜ｌ??Ｆｉｇ?１．５?Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｏｆ?ｐｒｉｍａｒｙ?ｚｏｎｅ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｅｍｉｓｓｉｏｎ１４１１??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]干式低NOx燃气轮机燃烧室的燃料/空气预混均匀性问题分析[J]. 冯冲,祁海鹰,谢刚,陈晓丽. 中国电机工程学报. 2011(17)
[2]燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟[J]. 王朝晖,王成军,王丹丹,吴镇宇. 沈阳航空工业学院学报. 2010(02)
[3]重型燃气轮机燃烧室设计与试验研究[J]. 金戈,齐兵,王克新,刘常青,尹家录,顾铭企. 燃气轮机技术. 2009(04)
[4]燃气轮机燃烧技术的研究与应用[J]. 侯晓春. 燃气轮机技术. 1998(02)
[5]突扩回流与大速差射流回流湍流气－固两相流动的数值模拟[J]. 张健,周力行. 空气动力学学报. 1996(02)
[6]突扩燃烧室湍流预混燃烧温度场的测量[J]. 张健,周力行. 航空动力学报. 1995(04)
硕士论文
[1]低NOx双旋流燃气燃烧器流动及燃烧特性的实验研究[D]. 姜磊.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2017
本文编号：3267684
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：112 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１国际民航组织对ＮＯｘ的排放要求??Ｆｉｇ?１．１?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ａｃｈｉｅｖｅｄ?ｌｅｖｅｌ?ｏｆ?ＮＯｘ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ＩＣＡＯ?ｓｔａｎｄａｒｄｓ１１０１??
也会降低火焰温度，但是，从总体趋势上来看，随着过量空气系数的增??力口，Ｎ０Ｘ生成量先增加，到达一个极值后下降，不同类型火焰Ｎ０Ｘ生成量随过量??空气系数的变化规律如图１．３所示??授?：?｜?ｉ??２?丨：＿?ｉ??１?１?Ｉ?！?１?！?Ｉ?Ｉ?？??０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６?１．８??ａ??图１．３热力型ＮＯｘ生成量与过量空气系数的关系Ｍ??Ｆｉｇ?１．３?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔ＞ｖｅｅｎ?ｔｈｅｒｍａｌ?ＮＯｘ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｅｘｃｅｓｓ?ａｉｒ?ｒａｔｉｏ１２３１??高温烟气停留时间对热力型ＮＯｘ生成量也有一定影响，主要是因为ＮＯｘ生??成反应速度较慢，当时间较短时，反应还没有达到化学平衡。而在其它条件不变??的情况下，高温烟气停留时间越长，ＮＯｘ生成量就越大，直至达到化学平衡浓度，??因此控制缩短高温烟气停留时间也能减少ＮＯｘ的排放??（２）快速型＾＾（＾生成机理??快速型ＮＯｘ可以在温度比较低的情况下，在不含燃料氮的燃烧火焰中产生??［２４］，Ｆｅｎｉｍｏｒｅ等人进行了一系列的研宄，最终认为不能用扩大的泽尔道维奇机理??来说明，并提出了如下快速型ＮＯｘ的生成机理，ＨＣＮ是快速型ＮＯｘ生成的重要??中间产物［２５－２８］。??Ｎ２＋ＣＨｘ—ＨＣＮ＋Ｎ＋…?（１．３）??Ｎ２＋Ｃ２＾２ＣＮ?（１．４）??Ｎ＋ＯＨ—ＮＯ＋Ｈ?（１．５）??Ｆｅｎｉｍｏｒｅ等人研究了甲烷火焰内ＨＣＮ浓度以及温度变化规律，如图１．４所??示。从图中可以看出
随温度变化的趋势相反，常规燃烧室的主燃区温度为１０００－２５００Ｋ，一般很难同??时保证两者的排放量都较低，只有在１６７０－１９００Ｋ范围内时，燃烧室产生Ｃ０及??很少，如图１．５所示。基于此原理，如果能控制主燃区温度处于低排放的??温度区，则可兼顾ＣＯ?（包括ＵＨＣ）和ＮＯｘ的排放量都处于低值范围。??ＣＯ／１０－６?１?；?ＮＯｘ／ｌ（）＂６??：?低排放物丨?／??１〇〇?－?ｍ?温廑区———?－２５??８０?－?！?！?／?－?２０??６〇?－?＼?：?＼?－?１５??４°?■?Ａ！?／??１５００?１６００?１７００?１８００?１９００?２０００?２１００??１０００Ｋ?．?常规麟室温—?＾?２５〇〇Ｋ??图１．５主燃区温度对排放物的影响ｌ４｜ｌ??Ｆｉｇ?１．５?Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｏｆ?ｐｒｉｍａｒｙ?ｚｏｎｅ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｅｍｉｓｓｉｏｎ１４１１??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]干式低NOx燃气轮机燃烧室的燃料/空气预混均匀性问题分析[J]. 冯冲,祁海鹰,谢刚,陈晓丽. 中国电机工程学报. 2011(17)
[2]燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟[J]. 王朝晖,王成军,王丹丹,吴镇宇. 沈阳航空工业学院学报. 2010(02)
[3]重型燃气轮机燃烧室设计与试验研究[J]. 金戈,齐兵,王克新,刘常青,尹家录,顾铭企. 燃气轮机技术. 2009(04)
[4]燃气轮机燃烧技术的研究与应用[J]. 侯晓春. 燃气轮机技术. 1998(02)
[5]突扩回流与大速差射流回流湍流气－固两相流动的数值模拟[J]. 张健,周力行. 空气动力学学报. 1996(02)
[6]突扩燃烧室湍流预混燃烧温度场的测量[J]. 张健,周力行. 航空动力学报. 1995(04)
硕士论文
[1]低NOx双旋流燃气燃烧器流动及燃烧特性的实验研究[D]. 姜磊.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2017
本文编号：3267684
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