燃料轴向分级燃烧污染物排放及其交叉射流火焰特性研究
发布时间：2021-08-22 05:30
提高燃烧室出口温度是提升燃气轮机效率的有效途径之一,但提高燃烧室出口温度将会大幅增加NOx排放。为缓和燃烧室出口温度与NOx排放之间的矛盾,燃料轴向分级形式的燃烧室设计方案逐渐受到关注并在高等级（1975 K）燃机中具有应用潜力。为评估燃料轴向分级燃烧降低NOx排放的潜力、探究影响NOx和CO排放性能的关键因素并了解其二级燃烧区的火焰特征,本文针对燃料轴向分级燃烧技术开展了一系列的模拟和实验研究,主要研究内容如下:首先,基于二级反应物与烟气的完全掺混和不完全掺混假设,分别构建了简化的燃料轴向分级燃烧化学反应器网络模型,并对燃料分配、停留时间分配、二级掺混不均匀性、壁面热损失、进气温度和压力等因素进行了参数化研究。针对燃机工况下的模拟计算表明,当燃烧室出口温度达到1975 K时,单级燃烧模式的NOx排放水平将会达到60 ppm@15%O2左右。而理想掺混条件下轴向分级燃烧方案可将NOx排放降低至16 ppm@15%O2
【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】：195 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
LPM燃烧技术最低NO排放理论值的预测（P=25atm,τres=25ms）[3]
第1章绪论3图1.2LPM燃烧技术当量比区间[30]Figure1.2Operationalrangeoffuel/airratioforLPMcombustion[30]催化燃烧技术通过多相催化机制实现燃料/空气在极低当量比条件下（如图1.2所示）的稳定氧化过程，其反应温度通常低于1500℃[30]，因此该技术大大降低了热力型NO的生成，并在催化条件下可保证燃料的充分燃尽[6]。GE公司已开展了应用于其MS9001E型燃机的全负荷催化燃烧试验（燃烧室出口温度1190℃）并实现了极低的NOx排放（<2ppm）[6;30]。但是，由于该技术对反应温度的限制，其应用于高参数燃机的可行性仍有待研究。EGR燃烧技术通过循环部分烟气进入主燃烧区并与反应物进行混合，降低了反应区的O2和O自由基浓度并增加了H2O和CO2浓度，从而抑制热力型NOx生成的主反应N2+ONO+N的进行，实现对燃烧室整体NOx排放水平的控制[3]。EGR技术也是实现MILD燃烧或无焰燃烧的可行方案之一[16]。但是由于该技术尤其是烟气外循环燃烧技术降低了燃烧反应的初始氧浓度，往往会引起火焰稳定性和燃烧效率的下降[31]，进而导致CO和未燃碳氢化合物排放量的增加[32]。因此EGR燃烧系统中氧化剂的氧含量通常不低于16%（体积分数）[31]。MHI公司已开展了将烟气外循环技术应用于1975K级燃机的高压试验研究，并在进口氧含量为17%的工况下实现了NOx排放低于50ppm@15%O2和CO排放低于10ppm@15%O2的排放水平[14]。MILD燃烧通常又被称为无焰燃烧（FlamelessOxidation，FLOX）或高温空气燃烧（HighTemperatureAirCombustion，HiTAC）[16]。尽管不同命名下其定义略有区别[16]，但本质上都是通过对反应物的预热和稀释，降低燃烧区氧浓度和热释放强度，抑制局部高温区的形成，从而实现对NOx生成的有效控制。目前，逆流[33]、平行射流[34;35]以及旋流[36;37]等不
第1章绪论5图1.4DLN与燃料轴向分级燃烧技术NOx减排潜力的对比[18]Figure1.4ComparisonoftheNOx-abatmentpotentialbetweenDLNandaxial-fuel-stagedcombustion[18]综上所述，考虑到当前的LPM燃烧技术随着燃烧室出口温度的进一步提高，有可能无法满足未来更低的NOx排放标准[4;5;38]，而燃料轴向分级燃烧的设计方案，既可以发挥常规LPM技术在其优势当量比区间内的低NOx排放优势，又有可能可利用二级燃烧区潜在的MILD燃烧机制以最小的NOx增量实现更高的燃烧室出口温度，在未来更高级别的燃烧室设计中具有很好的应用前景。但是，需要指出的是，上述Goh等人[18]对分级燃烧NOx减排潜力预测基于完全掺混假设，且其模型最优工况下二级停留时间甚至低于1ms，这在实际应用中很难实现。而实际掺混条件下，二级燃烧区的NOx排放将会受二级火焰抬升、一、二级当量比范围、二级预混不均匀度、二级喷嘴形式等各种因素的影响，且这些因素往往互相耦合，为轴向分级燃烧室的NOx减排效果带来了很大的不确定性。因此，开展实际掺混条件下的燃料轴向分级燃烧研究对于进一步评估其NOx减排潜力、揭示其二级NOx抑制和生成机制、了解其在实际应用中的价值和潜在风险具有重要意义。本论文以典型交叉射流作为二级流场的组织形式，开展了一系列针对燃料轴向分级燃烧技术的模拟和实验研究，希望进一步揭示燃料轴向分级燃烧在不完全掺混条件下的NOx排放机制和火焰特征，对于燃料轴向分级燃烧室的设计以及实现高等级（1975K）燃机燃烧室方案的国产化具有一定的参考价值和借鉴意义。燃料轴向分级燃烧技术的研究现状二十世纪七十年代，NASA的ECCP计划（ExperimentalCleanCombustorProgram）首先提出了分级燃烧室可以降低NOx排放，并在Pratt&Whitney（P&W）公司的JT8D和JT
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机加力燃烧技术发展[J]. 夏姣辉. 航空动力. 2020(03)
[2]基于小火焰生成流型模型的喷雾燃烧数值计算[J]. 周奇艳,钱勇,马立坤,吕兴才. 燃烧科学与技术. 2020(01)
[3]Turbulent combustion modeling using a flamelet generated manifold approach——a validation study in Open FOAM[J]. Tao LI,Fanfu KONG,Baopeng XU,Xiaohan WANG. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2019(08)
[4]燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究[J]. 邵卫卫,赵岩,刘艳,王翰林,田勇,路源,张哲巅,肖云汉. 中国电机工程学报. 2017(03)
[5]G/H级燃气轮机燃烧室技术研发的分析与思考[J]. 付镇柏,蒋洪德,张珊珊,吕煊. 燃气轮机技术. 2015(04)
[6]湍流扩散火焰局部熄火现象的大涡模拟研究[J]. 朱文中,杨渐志,陈靖,陈义良. 推进技术. 2015(06)
[7]Large-eddy simulation: Past, present and the future[J]. Yang Zhiyin. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(01)
[8]重型燃机干低NOx燃烧室设计中的关键问题[J]. 谢刚,艾松,陶健,赵世全,杨勇,冯珍珍. 东方电气评论. 2014(02)
硕士论文
[1]平行射流柔和燃烧器燃烧特性研究[D]. 张环.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2018
[2]天然气高效低NOx锅炉柔和燃烧器研究[D]. 陈卫杰.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2018
本文编号：3357101
【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】：195 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
LPM燃烧技术最低NO排放理论值的预测（P=25atm,τres=25ms）[3]
第1章绪论3图1.2LPM燃烧技术当量比区间[30]Figure1.2Operationalrangeoffuel/airratioforLPMcombustion[30]催化燃烧技术通过多相催化机制实现燃料/空气在极低当量比条件下（如图1.2所示）的稳定氧化过程，其反应温度通常低于1500℃[30]，因此该技术大大降低了热力型NO的生成，并在催化条件下可保证燃料的充分燃尽[6]。GE公司已开展了应用于其MS9001E型燃机的全负荷催化燃烧试验（燃烧室出口温度1190℃）并实现了极低的NOx排放（<2ppm）[6;30]。但是，由于该技术对反应温度的限制，其应用于高参数燃机的可行性仍有待研究。EGR燃烧技术通过循环部分烟气进入主燃烧区并与反应物进行混合，降低了反应区的O2和O自由基浓度并增加了H2O和CO2浓度，从而抑制热力型NOx生成的主反应N2+ONO+N的进行，实现对燃烧室整体NOx排放水平的控制[3]。EGR技术也是实现MILD燃烧或无焰燃烧的可行方案之一[16]。但是由于该技术尤其是烟气外循环燃烧技术降低了燃烧反应的初始氧浓度，往往会引起火焰稳定性和燃烧效率的下降[31]，进而导致CO和未燃碳氢化合物排放量的增加[32]。因此EGR燃烧系统中氧化剂的氧含量通常不低于16%（体积分数）[31]。MHI公司已开展了将烟气外循环技术应用于1975K级燃机的高压试验研究，并在进口氧含量为17%的工况下实现了NOx排放低于50ppm@15%O2和CO排放低于10ppm@15%O2的排放水平[14]。MILD燃烧通常又被称为无焰燃烧（FlamelessOxidation，FLOX）或高温空气燃烧（HighTemperatureAirCombustion，HiTAC）[16]。尽管不同命名下其定义略有区别[16]，但本质上都是通过对反应物的预热和稀释，降低燃烧区氧浓度和热释放强度，抑制局部高温区的形成，从而实现对NOx生成的有效控制。目前，逆流[33]、平行射流[34;35]以及旋流[36;37]等不
第1章绪论5图1.4DLN与燃料轴向分级燃烧技术NOx减排潜力的对比[18]Figure1.4ComparisonoftheNOx-abatmentpotentialbetweenDLNandaxial-fuel-stagedcombustion[18]综上所述，考虑到当前的LPM燃烧技术随着燃烧室出口温度的进一步提高，有可能无法满足未来更低的NOx排放标准[4;5;38]，而燃料轴向分级燃烧的设计方案，既可以发挥常规LPM技术在其优势当量比区间内的低NOx排放优势，又有可能可利用二级燃烧区潜在的MILD燃烧机制以最小的NOx增量实现更高的燃烧室出口温度，在未来更高级别的燃烧室设计中具有很好的应用前景。但是，需要指出的是，上述Goh等人[18]对分级燃烧NOx减排潜力预测基于完全掺混假设，且其模型最优工况下二级停留时间甚至低于1ms，这在实际应用中很难实现。而实际掺混条件下，二级燃烧区的NOx排放将会受二级火焰抬升、一、二级当量比范围、二级预混不均匀度、二级喷嘴形式等各种因素的影响，且这些因素往往互相耦合，为轴向分级燃烧室的NOx减排效果带来了很大的不确定性。因此，开展实际掺混条件下的燃料轴向分级燃烧研究对于进一步评估其NOx减排潜力、揭示其二级NOx抑制和生成机制、了解其在实际应用中的价值和潜在风险具有重要意义。本论文以典型交叉射流作为二级流场的组织形式，开展了一系列针对燃料轴向分级燃烧技术的模拟和实验研究，希望进一步揭示燃料轴向分级燃烧在不完全掺混条件下的NOx排放机制和火焰特征，对于燃料轴向分级燃烧室的设计以及实现高等级（1975K）燃机燃烧室方案的国产化具有一定的参考价值和借鉴意义。燃料轴向分级燃烧技术的研究现状二十世纪七十年代，NASA的ECCP计划（ExperimentalCleanCombustorProgram）首先提出了分级燃烧室可以降低NOx排放，并在Pratt&Whitney（P&W）公司的JT8D和JT
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机加力燃烧技术发展[J]. 夏姣辉. 航空动力. 2020(03)
[2]基于小火焰生成流型模型的喷雾燃烧数值计算[J]. 周奇艳,钱勇,马立坤,吕兴才. 燃烧科学与技术. 2020(01)
[3]Turbulent combustion modeling using a flamelet generated manifold approach——a validation study in Open FOAM[J]. Tao LI,Fanfu KONG,Baopeng XU,Xiaohan WANG. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2019(08)
[4]燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究[J]. 邵卫卫,赵岩,刘艳,王翰林,田勇,路源,张哲巅,肖云汉. 中国电机工程学报. 2017(03)
[5]G/H级燃气轮机燃烧室技术研发的分析与思考[J]. 付镇柏,蒋洪德,张珊珊,吕煊. 燃气轮机技术. 2015(04)
[6]湍流扩散火焰局部熄火现象的大涡模拟研究[J]. 朱文中,杨渐志,陈靖,陈义良. 推进技术. 2015(06)
[7]Large-eddy simulation: Past, present and the future[J]. Yang Zhiyin. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(01)
[8]重型燃机干低NOx燃烧室设计中的关键问题[J]. 谢刚,艾松,陶健,赵世全,杨勇,冯珍珍. 东方电气评论. 2014(02)
硕士论文
[1]平行射流柔和燃烧器燃烧特性研究[D]. 张环.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2018
[2]天然气高效低NOx锅炉柔和燃烧器研究[D]. 陈卫杰.中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) 2018
本文编号：3357101
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