氢混天然气燃气轮机加湿低氮燃烧性能研究

为了解贫预混燃烧室天然气掺氢加湿燃烧时的性能变化和容许加湿范围,解决氢混燃气轮机NO_x排放超标问题,以某燃气轮机燃烧室为研究对象,数值研究了掺氢比和加湿比对燃烧性能及污染物排放特性的影响。结果表明：燃料无加湿条件下,燃烧室出口CO和CO₂排放值随着掺氢比的增加而减小,较高燃烧温度将导致热力型NO_x排放值增加,掺氢比达到0.2以上时,NO_x排放已超出环保限值;燃料加湿条件下,随着加湿程度增加,燃气出口平均流速及水蒸气组分含量均增加,燃烧筒内全局温度、CO₂和NO_x排放值均降低,CO排放值先降低后增加;掺氢天然气加湿可实现低氮燃烧,考虑到低掺氢工况燃气轮机功率输出效能和高掺氢工况燃烧性能恶化问题,水蒸气加湿量不宜过多,当掺氢比为0.3时,推荐燃料加湿比为0.463。     

微型燃气轮机改烧氨气/氢气混合燃料的数值模拟研究

通过数值模拟对某80 kW微型燃气轮机环形低氮燃烧室进行适当的改造并对其燃烧及NO_x生成特性进行研究。研究结果表明：将烧天然气燃料的燃烧室改烧氨/氢混合燃料,在输出功率相同时燃料体积流量增大,通过增加燃料进气喷嘴的直径来降低燃料的进气速度;当掺氢比为0.3时,该结构的燃烧室燃烧不充分,燃烧效率达不到要求;当掺氢比在0.35～0.5、燃料华白数在19.9～21.7范围内变化时,该燃烧室可以实现高效稳定的燃烧,性能接近燃烧天然气燃料;氨/氢混合燃料中掺氢比增大,则NO_x排放量也快速增大;由于燃料型NO_x排放量占主导地位,该微型燃气轮机燃烧室不能实现低NO_x燃烧,NO_x排放远超国家标准,需要加装脱硝装置才能实际应用。     

旋流预混燃烧室燃烧特性及排放特性的数值模拟研究

为了综合考察燃气轮机燃烧室在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的新要求,基于旋流预混燃烧技术,通过三维数值模拟方法开展了甲烷/空气、丙烷/空气预混燃烧特性及排放特性研究。结果表明：在一定的预混气进气质量流量条件下,当量比增大易引发回火,燃烧温度更高,同时NO_x排放指数增大,增加预混气质量流量,可在一定程度上提高回/熄火极限;当量比固定,增加预混气进气质量流量可避免潜在的回火现象,且NO_x排放指数线性降低;旋流器的旋流数增大能形成强旋流,稳定火焰,降低NO_x排放指数,但过大的旋流强度会引发回火现象;相比于甲烷/空气预混燃烧,丙烷/空气预混燃烧温度偏高,NO_x排放指数较大,但回熄火边界更宽,对应更广阔的稳定燃烧区间。     

零碳燃料对燃气锅炉燃烧过程调控作用

利用小型化模拟炉膛开展了零碳燃料氢气对燃气锅炉燃烧过程调控作用实验研究,研究了掺氢比对炉膛内部预混火焰宏观形态、炉膛温度均匀性、炉膛污染物排放规律的影响,并总结了CO及NO_x的排放规律。实验结果表明：随着预混当量比增加,纯甲烷火焰长度逐渐缩短;对于20%掺氢火焰,随着预混程度的提高,火焰长度降低明显;不同火焰条件下,炉膛温度只由燃烧功率控制;改变燃烧条件时,处于壁面附近位置的温度变化较为平稳,而靠近火焰处温度变化较大;天然气中掺入氢气,燃烧时可以有效降低未燃CO排放;在相同预混程度下,全局当量比减小导致未燃空气增加,热量被稀释,火焰温度降低,热力型NO_x的生成降低;随着掺氢比的增加,燃烧时火焰温度升高,导致热力型NO_x排放增加。     

掺氨对煤粉着火和污染物排放影响的试验研究

本文利用电加热炉试验平台,研究了掺氨对煤粉着火和污染物排放的影响规律。研究表明：氨与煤粉的混合燃料,能够实现在炉内的共燃;掺氨对煤粉着火有一定的抑制作用,随着掺氨比率的提高,抑制作用越强;并且在无燃尽风时掺氨对煤粉燃烧过程中NO_x的生成有促进作用,随着掺氨比例的提高,NO_x排放浓度明显提高,其中掺氨比例为10%时,相对于不掺氨气时,NO_x排放浓度提高50%以上。     

氢燃料微混燃烧技术研究进展

微混燃烧技术采用数量众多、结构简单的微型喷嘴替代传统的大直径喷嘴,主要目的是通过减小喷嘴直径,提高微混喷嘴的混合强度,从而提高预混气的混合均匀度,以促进H₂在燃气轮机中的安全稳定燃烧,并降低NO_x排放。本文总结了氢燃料微混燃烧技术的研究进展,对H₂在燃气轮机中的工业化应用中进行了探索。结果表明：微混燃烧技术在H₂稳定燃烧及降低NO_x排放方面表现出巨大的潜力。目前,已经发展了纯氢燃烧的微混燃烧技术,该技术最终有望在燃气轮机中大规模应用。     

不同进气氛围耦合废气再循环对双燃料发动机工作过程的影响

基于正庚烷、甲烷、乙烷、丙烷多组分混合物简化动力学机理耦合三维计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模型,模拟研究高替代率时不同进气氛围（H₂、O₂组分）耦合废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）对天然气/柴油双燃料发动机低负荷工作过程的影响机理。研究表明：在不同EGR率下,进气掺氢会使缸内燃烧速率显著加快,OH活性基浓度明显升高,CH₄排放显著降低,但CO排放升高;进气掺氧后,缸压及瞬时放热率峰值、最大压力升高率、最高燃烧温度及OH活性基浓度均升高,碳烟、CO和CH₄后期氧化作用增强使其最终排放降低,但NO_x排放升高。在EGR率小于29%,掺氢比小于2.5%时,在实现较低CO、碳烟排放的同时能显著降低CH₄排放和NO₂/NO_x比例;高EGR率时,进气掺氧能降低CO、碳烟排放,并改善CH₄与NO_x     

燃气轮机掺氢燃烧技术

[目的]随着国家为能源行业设立了碳达峰、碳中和的宏伟目标,对电站燃气轮机低碳排放技术改进的需求日益增长。国内对该目标的关键技术路径的探索亟待展开。燃气轮机的贫预混燃烧技术能使燃烧偏离理论空气量,是目前降低NO_x排放主要技术,同时通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。[方法]采用Chemkin-Pro软件建立一维预混自由传播火焰模型,比较不同当量比、初始温度、初始压力、掺氢比对燃烧温度、燃烧速率、污染物生成浓度、燃烧自由基、链式反应等的影响;模拟燃烧过程的温度分布、燃料组分变化及其排放特性。[结果]发现了通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。但天然气掺氢的贫预混燃烧所带来的较高的火焰温度反而会促进NO_x的生成,同时,在较低的当量比下将会产生更多的CO。[结论]基于以上研究,获得了掺氢燃烧的关键数据,为掺氢燃烧技术路径的完成奠定了基础。     

旋流燃烧器结构对116 MW立式燃气锅炉低氮性能的影响

利用ANSYS-Fluent CFD软件,采取Realizable k-ε模型和有限速率/涡耗散模型对某116 MW立式燃气锅炉进行数值模拟,该立式锅炉有左右两个燃烧器入口。对比分析了不同旋流数(0、0.54、0.77、1.11、1.67)和左右入口空气不同旋转方向下,燃烧室内中心截面速度矢量分布、温度分布以及轴向不同截面平均温度和NO_x质量分数。结果表明：旋流空气能在炉内形成中心回流区,使得燃料与空气有效混合,燃烧扩散到整个炉膛,随着旋流数的增加,炉膛内中心回流区向入口移动,高温区域也随之向入口方向移动,且高温区域减少,炉膛内整体温度下降,出口NO_x排放从212 mg/m³降低到76 mg/m³,而当旋流数增加到1.11以上时,旋流数大小对炉膛内NO_x的生成和排放的影响将会很小。研究还发现当左入口空气为左旋,右入口空气为右旋时,该燃气锅炉不仅燃烧稳定并且具有较低的NO_x排放。     

氢燃料微混燃烧器燃烧特性研究

针对带中心钝体的四喷嘴微混燃烧器,运用ANSYS FLUENT软件,采用热态小火焰生成流形的方法对燃烧器模型进行数值模拟,并与实验研究相结合,研究了甲烷/氢气混合燃料(体积组分40%CH₄-60%H₂)微混燃烧条件下的燃/空掺混,流场、温度场、火焰形态及污染物排放等基础燃烧特性。研究结果表明：微混燃烧器采用空气和燃料径向进气的结构有利于燃/空掺混,在燃烧器出口的掺混均匀性指数达到0.959;燃烧器钝体结构处存在较明显的小型中心回流区,有助于火焰稳定;当量比在0.4～0.8范围内,火焰根部稳定附着在微混喷嘴的出口,火焰彼此相互独立,实验中燃烧器火焰形态与仿真OH^*场分布基本一致;绝热火焰温度在1 500～2 050 K范围内,模型燃烧室出口NO_x排放浓度均低于16×10^-6,CO排放浓度均低于11×10^-6,表明该微混燃烧器的污染物排放水平较低且燃烧效率极高。     

某电厂旋流燃烧器低氮燃烧优化改造

新型低氮旋流燃烧器具有高效率、低NO_x排放的特点。对某350mw低氮超临界锅炉燃烧器进行改造,燃用无烟煤,锅炉各项指标均达到设计要求,一氧化碳排放浓度不超过100μl/l, NO_x排放浓度不超过300mg/m³,锅炉NO_x排放水平优于同煤质国产锅炉。     

气化细渣和煤掺烧氮氧化物和二氧化硫排放特性研究

气化细渣热值低、水分高，难以独立稳定燃烧，因此通常将其和热值较高的燃料进行掺混实现燃烧利用。为研究气化细渣和煤掺烧过程中NO_x和SO₂的排放特性，利用管式炉燃烧污染物测试系统，在空气气氛下，使用不同比例的气化细渣和烟煤进行掺烧实验，对燃烧污染物的释放量进行实时监测，并计算燃烧污染物的释放总量。通过实验发现：温度是影响NO_x、SO₂排放量的重要因素，在高温工况下，NO、SO₂的释放量显著提高，NO₂、N₂O的释放量显著降低。燃料中挥发分的含量与NO₂、N₂O的释放量有着密切关系，煤中挥发分含量较高，NO₂、N₂O的释放量也相对较高。整体NO₂、N₂O的释放量远小于NO的释放量，NO_x排放以NO为主。随气化细渣掺烧比例增大，NO、SO₂释放量降低。因此，通过与煤掺烧...     

O2/CO2气氛下煤燃烧NOx排放特性的实验研究

利用管式电阻炉在O₂/CO₂气氛和O₂/N₂气氛下对煤粉燃烧过程中NO_x排放特性进行实验,研究在不同停留时间、炉内燃料/氧化学当量比、温度、氧浓度等因素对燃煤过程中NO_x放特性的影响,并对这两种燃烧方式下NO_x的排放特性进行对比。结果表明:在O₂/CO₂气氛下NO_x的生成量要远远低于O₂/N₂气氛下NO_x的生成量。随着停留时间的延长,NO_x沿程释放特性是先增大后减少。随着燃料/氧化学当量比的增加,NO_x排放浓度也呈现出先增加后降低的趋势。随着炉内温度的增加,2种气氛下NO_x的排放浓度均增加。随着氧浓度的提高,NO_x排放浓度增大。     

MILD燃烧方式下燃料NOx生成特性数值模拟

针对MILD燃烧新模式下燃料NO_x生成特性暂不清楚的问题，开展了甲烷MILD燃烧的CFD数值模拟．通过向燃料中添加不同比例的NH₃，考察了NH₃添加对MILD燃烧方式下燃料NO_x生成特性的影响，对于明确MILD燃烧降低燃料NO_x排放的可行性具有重要意义．在分析现有CH₄/NH₃反应机理可靠性的基础上提出了改进模型，并进行了甲烷MILD燃烧火焰结构和NO排放的实验验证．研究结果表明：随着燃料中NH₃含量的增加，无论是常规燃烧还是MILD燃烧下NO排放都相应提高；同时，MILD燃烧下特殊的燃料氧化过程导致NO的还原作用弱于常规燃烧，因此当燃料中初始NH₃体积分数超过1.3%后NO排放值反而高于常规燃烧．     

污泥热解气/氨旋流火焰燃烧特性

污泥热解气因难以被有效利用导致了大量的能源浪费,而其中所含的氢气、甲烷等可燃组分可有效提升氨燃料的燃烧性能。对污泥热解气掺氨旋流火焰的结构及燃烧特性进行分析,基于化学发光法,通过实验考察当量比、掺氨比对火焰结构的影响。结果表明,旋流燃烧火焰中的OH^*在化学当量条件(φ=1.0)下辐射强度最大,CH^*在富燃条件(φ=1.2)下辐射强度最大,OH^*可以对火焰稳定性进行更好地表征;污泥热解气/氨气混合燃料中,随着氨气比例增大,旋流火焰稳定性下降。     

无烟煤与烟煤洗中煤混合燃料燃烧特性的MW级试验研究

本文借助四角切圆功能试验台,对无烟煤与烟煤洗中煤混合燃料的燃烧特性进行了MW级的试验研究,得出如下结论：1)采用切圆燃烧方式时,采用燃尽风“上+中”组合方式可以延长煤粉在还原区的停留时间,强化NO_x的还原反应,对抑制NO_x排放最有利,可控制NO_x原始排放浓度在411mg/m³～426mg/m³左右;2)采用不同燃尽风组合方式时,燃尽情况相差不大,飞灰含碳量基本控制在5%左右;3)混煤的结渣特性属于高结渣等级,具有结渣倾向严重的特点,建议锅炉设计时考虑防结渣措施。     

燃料热值对燃气轮机燃烧特性的仿真分析

针对燃气轮机运行过程中出现的燃烧不稳定和NO_x排放高的问题,开展了不同负荷下燃料热值对燃气轮机燃烧特性(燃烧稳定性和NO_x排放影响规律)的仿真研究。以某燃气轮机分管型燃烧室为研究对象,在不同负荷下,保持燃料流量、空气流量、大气温度等参数不变,仅改变燃料热值,采用数值仿真方法对燃气轮机设计压力监测点的压力、燃烧室出口温度及NO_x排放数据进行分析。结果表明：负荷区间相同,热值增加,高频段所对应的压力脉动幅值减小,热释放率脉动的高频频率增加,NO_x排放增加;热值相同,负荷增加,高频段所对应的压力脉动频率增加,高频段压力脉动幅值减小,热释放率脉动频率增加,NO_x排放增加。     

高效增压直喷氢内燃机近零NOx排放试验优化

基于一台2.0 L涡轮增压直喷氢内燃机，试验了稀薄燃烧下直喷氢内燃机的近零排放(NO_x排放小于20×10^-6)工作特性，在中高转速(2 000～3 500 r/min)下，近零排放时平均有效压力均达到1 MPa以上，相比于自然吸气状态，动力性提升了2.6倍．进一步针对不同喷氢相位和喷氢压力进行了全工况研究，结果表明：当喷氢结束角为80°CA BTDC时，在近零排放边界下，可以同时达到最大的平均有效压力和最高有效热效率．优化后的近零排放氢内燃机最高转矩达到204 N·m(2 500 r/min)，最大功率提升至72 kW(3 500 r/min)，最高有效热效率达到41.5%(2 000 r/min)；可在全转速工况下实现乘用车常用工况范围的近零排放．提出的优化方法可以指导高效近零排放氢内燃机控制策略的开发．     

燃煤锅炉掺氨燃烧研究进展

将零碳燃料氨在燃煤锅炉中进行掺烧,是极具潜力的电力系统低碳化改造路径之一,对我国“双碳”目标的实现具有重要意义。由于氨与煤的理化特性迥异,掺氨燃烧将对燃煤锅炉的运行造成一系列影响。本文总结国内外相关研究,从氨燃料特性出发,简述了氨燃烧增强策略,分析了掺氨对燃煤锅炉传热、燃烧及NO_x排放、受热面安全、锅炉效率及■效率的影响,最后对燃煤锅炉掺氨燃烧的研究进行了展望。研究表明,氨在储运成本及安全性方面具有优势,但其燃烧特性与氢气、天然气等气体燃料相比存在差距,可通过与挥发分共燃、富氧燃烧、燃料预热等策略实现氨燃料的稳定着火及燃尽,而这些策略在燃煤锅炉中均可较方便地实施。掺氨比例越高,炉内辐射传热量降低,对流传热量增加。在空气分级条件下,若燃烧组织得当,掺氨燃烧后NO_x排放甚至不升反降。此外,燃煤锅炉掺氨燃烧可能会加剧尾部受热面的低温腐蚀,系统■效率性也略有降低。未来,氮氧化物的生成机理与预测模型、氨煤掺烧锅炉炉内的多场耦合机制等将是燃煤锅炉掺氨燃烧领域研究的重点方向,相关数值模拟子模型的完善以及中试以上规模燃煤锅炉掺氨燃烧的工程验证也亟待开展。     

二甲醚/聚甲氧基二甲醚-3简化机理的构建及验证

采用基于误差的直接关系图法(DRGEP)、敏感性分析法以及同分异构聚合法对二甲醚/聚甲氧基二甲醚-3(DME/DMM₃)的联合详细化学反应机理进行简化，最终构建了一个包括65个组分和308个反应方程式的DME/DMM₃简化化学动力学机理．为了验证其可靠性，分别用二甲醚(DME)和聚甲氧基二甲醚-3(DMM₃)详细机理及试验数据与DME/DMM₃简化机理计算得到的着火延迟、层流火焰燃烧速度和组分摩尔分数等进行了比较，并分析了DME/DMM₃反应路径．最后验证了柴油机转速为1 600 r/min，当量比为0.18和0.34，燃料DME与DMM₃体积配比为1∶9时的仿真与试验的缸内压力和放热率以及CO、CO₂、NO_x和HC排放物．结果表明：该DME/DMM₃简化机理的着火延迟时间、层流火焰燃烧速度及射流搅拌反应器(JSR)中组分摩尔分数、缸内压力、放热率以及CO、CO₂、NO...