天然气贫预混燃烧室值班喷嘴排放特性模拟研究

以某天然气贫预混燃烧室为研究对象,采用FGM燃烧模型耦合详细化学反应机理,研究了不同值班负荷比例下的燃烧室内流场、组分场、温度场和出口污染物排放特性。模拟分析了蒸汽稀释值班燃料对燃烧室NOx排放的影响。针对纯值班喷嘴燃烧工况,从温度场和OH基浓度场分布等角度分析蒸汽稀释值班燃料对CO、NOx生成的影响。采用FR-ED燃烧模型耦合简化化学反应机理研究了设计工况下蒸汽稀释值班燃料对燃烧室出口CO、NOx排放的影响。结果表明:随值班负荷比例增大,燃烧室出口NOx排放逐步增加;采用蒸汽稀释值班燃料,值班火焰峰值温度降低约10%,出口NOx降低达88.5%,而CO变化不大。本文研究可为后续实际机组应用提供基础数据支撑。     

径向分级低污染燃烧室燃烧性能试验

以某型径向三级燃烧室为研究对象,采用天然气为燃料,通过试验研究了各级不同燃料比例及燃烧模式下燃烧室的贫油点火、贫油熄火、出口温度场、污染物排放等燃烧性能。结果表明:在环形区扩散燃烧、主燃区预混燃烧模式下,贫油点火油气比为0.027 0～0.040 1,贫油熄火油气比为0.006 9～0.005 5,环形区改为预混燃烧模式后,点火油气比和熄火油气比均有所增大;随主燃区预混燃料当量比(当量比)的增加,出口温度系数逐步改善,至当量比0.54时则有所恶化,环形区改为预混燃烧模式后,主燃区当量比为0.51时,出口温度系数改善明显;随主燃区当量比的增加,CO、未燃碳氢(UHC)、NO_x及碳烟排放均呈下降趋势,但当量比为0.54时,NO_x排放有所增加,环形区改为预混燃烧模式后,各污染物排放指数降低,但未达到预期。建议径向分级燃烧室在低负荷工况下采用环形区扩散燃烧、主燃区预混燃烧模式,在高负荷工况下均采用预混燃烧方式。     

垃圾填埋气微型燃气轮机低排放燃烧室燃烧性能实验

为研究一种采用中心分级贫燃预混技术的低排放垃圾填埋气微型燃气轮机燃烧室,采用单头部燃烧室,以2种垃圾填埋气LFG1、LFG2和天然气为燃料,进行了燃烧性能实验。考察了3种燃料的点火特性以及在发动机全负荷状态下,不同主燃级喷口位置、值班级与主燃级燃料分配比例(燃料分配比)对燃烧室污染物排放、燃烧效率的影响。结果表明:在所选空气流量0.15～0.50 kg/s范围内,天然气的点火燃空比为0.000 65～0.002 50,2种垃圾填埋气的点火燃空比为0.004 04～0.006 20,均符合低污染燃烧室的设计标准;随着燃料分配比在0.2～0.5变化,3种燃料存在不同的燃料分配比,使得燃烧效率更高,污染物排放水平更低;选用燃料分配比0.3与0.4的工况下,主燃级喷口位置由旋流器前调整为旋流器中间位置后,提高了LFG2与天然气的燃烧效率,但增加了LFG1与天然气的污染物排放。     

值班燃料比对环形燃烧室内NO_x生成影响的数值研究

采用数值方法分析了值班燃料比对某重型燃气轮机环形燃烧室内热力型NO_x生成的影响规律,分析表明:在一定范围内调整值班燃料比,控制燃烧室内温度及高温区分布,是降低NO_x排放的有效手段。增大值班燃料比使得值班扩散火焰温度升高,有利于燃料气流的着火与稳定燃烧,但也导致中轴线附近区域热力型NO_x生成速率升高。增大值班燃料比使得预混燃料化学当量比减小,壁面附近区域火焰温度降低、高温区范围减小,热力型NO_x生成速率降低。因此,存在最佳值班燃料比使得该重型燃机NO_x排放最低。值班火焰采用扩散燃烧方式,继续增大值班燃料比则将导致NO_x排放浓度迅速升高。     

改善低NO_x燃烧室预混均匀性的结构优化策略

为解决我国自主研发的某重型燃气轮机DLN燃烧室NO_x排放超标问题,基于"小幅改动",在有限预混空间的前提下,采用一系列结构改进方案与策略,改进中心燃烧区燃料/空气预混均匀性。结果表明,将中心区旋流器移至预混通道上游,可将预混非均匀度从原有的51.8%降至16.7%,而通过调整燃料喷射方向以及喷孔分布规律,可进一步减少非均匀度至10.9%。由此归纳稀相预混燃烧室预混机构的设计策略与要点:一是旋流延长实际预混距离;二是利用旋流产生的强湍流促进燃料的对流扩散;三是调整燃料射流方向或增加导流板,避免管后涡流区对燃料扩散的削弱影响;四是燃料开孔位置大小规律需与来流空气速度分布相匹配。     

空气含湿量对燃气轮机燃烧性能影响

参考某型燃气轮机燃烧室,建立了全尺寸燃烧室数值模型,并结合电厂实际运行数据,研究了空气含湿量对燃气轮机扩散燃烧和预混燃烧性能的影响。结果表明,湿空气会增加燃烧室火焰高度,降低燃烧室出口平面平均温度,且含湿量越大,火焰高度越高,燃烧室出口平面温度越低,燃烧室NOx排放越低。燃烧室出口平面温度分布系数?T随含湿量的变化规律与燃烧方式相关:在扩散燃烧模式下,其随空气含湿量增加而减小;在预混燃烧模式下,?T随含湿量增加而增加;相比干空气,采用湿空气燃烧,燃烧室内压力脉动主频振幅增加,燃烧室燃烧稳定性变差。     

燃气轮机富氢燃料预混燃烧实验研究

实现带有CO_2捕集的IGCC,需要研发燃气轮机富氢燃料燃烧室技术。基于阵列驻涡燃料-空气预混的概念,设计了燃气轮机富氢燃料燃烧室的阵列驻涡预混喷嘴,利用模型燃烧室实验研究了该喷嘴在燃烧多种富氢燃料工况下的性能。结果表明,阵列驻涡预混喷嘴在F级燃气轮机工况下燃烧富氢燃料,能够实现安全稳定低噪声工作,多数工况下NO_x排放降低到50 mg/m~3(@15%O_2)以下,展现出在燃气轮机富氢燃料燃烧室中的应用潜力,值得进一步研究。     

燃气轮机污染物排放影响因素相关性分析

为研究某重型燃气轮机污染物的排放特性,本文监测并获得了某电厂热态启机过程燃气轮机排烟通道内污染物排放数据,分析了NO_x等污染物排放规律,并采用统计学相关性分析方法,研究了燃气轮机负荷、值班燃料流量、空气流量等因素与污染物排放之间的相关性。结果表明:热态启机过程中,值班燃料流量、空气流量与NO_x排放之间呈正相关,NO_x排放随值班燃料流量增加而升高;燃气轮机燃烧调整时,可通过减小值班燃料流量控制阀和燃烧室旁路阀开度来降低NO_x排放。     

40 t/h煤粉预热燃烧锅炉运行和低NOx试验研究

为应对日益严峻的大气污染形势,实现煤粉高效低NOx燃烧,开发了煤粉预热燃烧技术。煤粉首先进入流化床预热燃烧器,与较低当量比的空气发生部分燃烧反应产生热量将自身预热至800 ℃以上,在高温强还原性气氛下析出并脱除部分燃料氮,预热后的燃料随后进入煤粉炉炉膛,在炉内通过分级配风进一步控制NOx生成。某40 t/h煤粉预热燃烧锅炉工业试验结果表明:该锅炉可实现高效运行和低NOx排放的协同控制;锅炉NOx排放质量浓度随锅炉负荷的提升而逐渐升高,提高内二次风比例和延迟三次风配入等手段均有利于降低NOx排放质量浓度;二次风当量比在0.4左右时NOx排放质量浓度最低;锅炉热效率可达到93.08%,在50%~100%负荷范围内可实现NOx原始排放质量浓度≤119 mg/m3（φ(O2)=6%）。     

无烟煤粉经循环流化床预热后燃烧特性及NO_x排放特性实验研究

为提高无烟煤燃烧效率和降低NOx的排放,提出借助循环流化床在低空气当量比下燃烧的技术将无烟煤粉预热到800℃以上再进入到下行燃烧室中燃烧的新工艺。在小型实验台上对预热后无烟煤粉的氮氧化物排放特性进行了实验研究。热态实验以阳泉无烟煤为燃料,实验台由提供高温预热燃料的循环流化床和用于预热燃料燃烧的下行燃烧室组成。实验结果表明,预热过程中约有36.9%的煤氮被还原为N2。随着还原区空气当量比和过量空气系数的增加,NOx的排放增加;随着煤粉在还原区停留时间的增加,NOx的排放减少。煤粉预热技术和分级燃烧技术相结合能有效降低无烟煤粉燃烧中NOx的排放。实验中,预热后无烟煤粉的燃烧效率最高能达到97.5%。     

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

干式低NOx(dry low NOx,DLN)燃烧技术的关键是在控制燃烧室主燃区总燃料/空气当量比的前提下,实现燃料/空气的均匀预混.国际上先进DLN燃烧室的研发都在预混均匀性问题上花费了很大精力,而我国对此问题的重视程度还不够.因此该文通过总结典型DLN燃烧室燃料/空气的预混方式,归纳出了在燃烧室中实现均匀预混的基本原则和方法.如气体燃料供应要采用将燃料导管伸入空气流道中,并通过小孔提供较多燃料喷射点的方式.燃料导管的位置一般视空气旋流器的位置而定,并应留有足够长的预混段.燃料应按与空气流动垂直的方向喷射,并要有较高的射流动量和适当的穿透深度.进而以此为依据分析了我国首台自主研发的重型燃气轮机R0110的DLN燃烧室在燃料/空气预混均匀性方面存在的问题并指出了改进的方向.     

微燃机富氧燃烧室NO_x排放的数值研究

对采用烟气循环富氧燃烧方式设计的50 kW微型燃气轮机的低NOx燃烧室,运用数值软件进行了燃烧模拟计算,从入口氧浓度、水分、进口温度等几个方面对组分分布、及NOx生成规律进行了研究。结果表明:燃烧室出口NOx浓度随着入口温度增加、水分减少、入口氧浓度增加而增大。燃烧室内低NOx生成速率等势面充满整个火焰管,高NOx生成速率等势面分布于火焰下游的氧化性氛围增强的过渡区和掺混冷却区。微型燃气轮机燃烧室采用富氧循环烟气预混燃烧方式,不论入口参数如何变化,燃烧室出口NOx排放浓度都小于5×10-5mol/mol,可以实现低NOx清洁燃烧。     

贫油直喷燃烧室燃烧稳定性的数值研究

贫油燃烧过程中很容易产生振荡燃烧现象,而振荡燃烧则会进一步影响燃烧室中氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)的生成与排放。为了研究振荡燃烧的触发机制及其对NOx生成与排放的影响,利用FLUENT中的离散相模型、非预混燃烧模型和混合分数/PDF平衡化学反应模型,对贫油直喷燃烧室内的航空煤油/空气非预混燃烧进行了大涡数值模拟,亚网格模型采用WALE模型。将计算与实验值进行比较发现:在喷嘴附近区域,数值结果与预测结果略有差异,在其他区域,数值计算的各个物理参量值都与实验值非常吻合。通过改变入口空气流速,触发了振荡燃烧,其主频为560和1200Hz。对燃烧稳定性的模拟表明,可以通过调整燃烧室的入口条件来激励或者抑制振荡燃烧现象的出现。在此基础上分别计算了稳定燃烧和不稳定燃烧时的NOx排放,结果表明振荡燃烧现象的出现明显改变了NOx的生成与排放。     

三菱M701F燃气轮机单筒燃烧室内三维燃烧特性研究

针对三菱M701F天然气燃气轮机燃烧室建立全尺寸三维单筒燃烧室物理模型,兼顾主燃烧区贫预混燃烧模式和值班火焰扩散燃烧模式的组合特性,采用部分预混燃烧模型,对该单筒燃烧室内的燃烧特性进行了数值模拟研究,获得了满载荷运行工况下全尺寸燃烧室的流场、温度场和污染物分布情况;同时计算分析了不同空气过量系数下过渡段出口面最高温度、平均温度、温度分布系数OTDF以及NO_x含量的变化情况。结果表明,随着空气过量系数的增大,最高温度、平均温度及NO_x含量均逐渐下降,温度分布系数OTDF则呈逐渐上升趋势。     

当量比和反应物混合模式对无焰燃烧的影响

给出空气和燃料在3种初始混合模式(非预混、部分预混和完全预混)下无焰燃烧的实验结果,介绍了无焰燃烧的实现方法,研究当量比和初始混合模式对无焰燃烧的影响。实验炉在功率为7.5~15 kW下运行,当量比的变化范围为0.5~1。实验结果表明,无焰燃烧状态一旦建立则很稳定,很容易维持。无论是预混、非预混还是部分预混燃烧,其炉温差别不大,CO和NOx排放低。当量比接近1时,虽然炉内仍处于无焰燃烧状态且NOx排放量少,但CO和H2排放量都极多,此时并不是清洁燃烧。当量比小于0.98时,3种混合模式下烟气中的CO和H2含量都极低,但部分预混无焰燃烧产生的NOx排放量相对较多,而完全预混无焰燃烧的NOx排放量最低。文中还对当量比对NOx排放量的影响进行了详细分析。     

重型燃气轮机燃烧室压力变化对NO_x排放的影响

为了研究重型燃气轮机燃烧室压力变化对NO_x排放的影响规律,基于某重型燃气轮机单管燃烧室,建立了预混燃烧模式下燃烧室三维数值仿真模型。模型采用可实现k-ε湍流模型和有限速率-涡耗散湍流燃烧模型对燃烧室预混燃烧流场特性进行求解,通过热力型和快速型NO_x生成模型对燃烧室NO_x排放进行计算。结果表明:从燃烧室头部至燃烧室尾部,NO_x生成平均质量分数逐步增加;在燃气轮机燃烧室工作压力范围内,随着燃烧室压力的增加,燃烧室出口NO_x生成平均质量分数以及燃烧室内NO_x生成质量分数峰值均逐渐增加。研究结果可为燃气轮机燃烧调整及低NO_x排放提供依据。     

基于CFX的燃气轮机燃烧室的涡团耗散燃烧模型数值模拟

本文针对某型号燃气轮机的燃烧室三维物理模型进行了数值模拟,采用k-ε双方程湍流模型、涡团耗散燃烧模型描述其燃烧流动,应用甲烷空气WD1 NO PDF反应模型规定燃料在一步反应中完全燃烧,模拟NO的形成并发现其在一个附加的反应步骤中出现。通过对燃烧室三维流场分布情况的分析研究,特别是针对主要区域关键截面的流动分析,从而判断燃烧室的设计是否合理,为研制高燃烧效率、燃烧稳定性以及低NOx排放特性的燃烧室奠定了基础。     

重型燃气轮机DLN2.0+系统燃烧调整实践

为提高燃气轮机运行维护水平,掌握燃气轮机干式低NO_x（DLN）燃烧调整规律,通过燃气轮机DLN2.0+系统燃烧调整实践,总结了燃气轮机燃烧调整规律。研究表明通过对清吹空气量、预混燃料1（PM1）比例的调整可以平衡各频段的燃烧动态压力波动及NO_x的排放水平;燃气轮机启动运行中出现可见“黄烟”是由于排烟中NO₂的质量分数超过了一定数值,通过尽早切换到先导预混模式,以及在先导预混模式尽量减少扩散燃料（D5）和预混燃料1（PM1）的比例,可以减轻燃气轮机启动过程中“黄烟”的环境影响。     

重型燃气轮机简单循环燃烧试验

目前,亟需对燃气轮机机组燃烧过程进行有效控制和优化以控制NO_x排放。本文以德国西门子SGT5-4000F(4)重型燃气轮机为研究对象,考察了简单循环燃烧过程中不同燃气轮机负荷下空气系统、燃料系统、燃烧系统和排气系统各参数对NO_x排放的影响规律。结果表明:压气机压比、进口可调导叶(IGV)阀位、燃烧室差压随燃气轮机负荷变化呈特定线性变化关系,值班气流量和透平排气温度是影响NO_x排放的重要参数;当燃气轮机负荷低于110 MW时,NO_x排放质量浓度随负荷增加而增加;当负荷高于110 MW时,NO_x排放质量浓度随负荷增加迅速降至最低值后逐渐增加至趋于不变。     

重型燃机干低NO_x燃烧室设计中的关键问题

干低NOx燃烧技术(DLN)是当今国际上重型燃机普遍采用的控制污染物排放的成熟技术,为跟上国际发展,尽快实现低污染燃烧室的自主设计,迫切需要从应用的角度探索燃烧室设计中的关键问题。为此,本文从DLN技术的特点出发,结合国际上现有DLN燃烧室的结构特点,详细分析了燃/空比及其实现方式、燃料/空气混合均匀性、冷却方式、回火及自点火、燃烧稳定、出口温度场和燃料可替换性等对设计的影响,可作为燃烧室设计参考。