天然气燃料轴向分级预混燃烧特性研究

低NOx排放是燃气轮机燃烧室的重要性能指标,面对燃烧室出口温度不断增加的趋势,新型燃烧技术探索应用成为必然。燃料轴向分级(Axial Fuel Staging,AFS)燃烧作为一项可行技术方案已在各燃机厂商的最先进燃气轮机燃烧室上获得应用,其主要通过降低高温烟气有效停留时间和低氧浓度燃烧来实现低NOx排放。基于Chemkin平台建立轴向分级预混燃烧室化学网络模型,针对1 973 K燃烧室,研究二级负荷比例、当量比和停留时间对NOx/CO排放的影响规律,对比分析主燃区高温烟气与二级未燃预混气掺混特征的影响,获得AFS燃烧的污染物排放特性和关键影响因素。同时,在贫预混燃烧器上,设计二级喷射段,实验研究二级火焰结构、污染物排放等燃烧特性。结果表明,相比于常规贫预混燃烧,AFS燃烧在高温区体现出很好的低NOx优势,且能拓宽低NOx工况范围,其中主燃区温度、二级当量比和停留时间匹配特征、主燃区高温烟气与二级预混气掺混性能等是关键。     

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。     

低排放分级燃烧器中CH4燃烧特性

烟气回流是实现柔和燃烧的手段,为精确控制回流比例,建立了分级燃烧器,实验研究了回流比例、当量比对CH4柔和燃烧火焰形态和NO、CO排放的影响。当量比为0.8,回流比例为0.6～0.7时实现柔和燃烧,反应区分散不分层,烟气中NO和CO体积分数分别小于1.2×10-5和4×10-5;回流比例过小时发生扩散燃烧,过大时燃烧不稳定;NO排放主要在烟气发生区产生。回流比例为0.6、当量比为0.6～0.8时,射流和主流有效掺混并伴有火焰抬升,实现柔和燃烧;相同当量比时,分级燃烧的NO排放较旋流扩散低,当量比0.8时,分级燃烧相对旋流扩散减排NO达44%。     

预混燃烧下环境温度对某型燃气轮机燃烧稳定性和NOx排放影响的 数值研究

环境温度通过改变燃烧室入口空气温度进而影响燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放。为了掌握预混燃烧模式下环境温度对燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放的影响规律,本文以某重型燃气轮机燃烧室为研究对象,采用SAS湍流模型和涡耗散概念燃烧模型,通过改变环境温度,对多旋流喷嘴燃烧室预混燃烧模式下燃烧稳定性和NO_x排放进行了数值计算。研究结果表明:在燃气轮机预混燃烧模式下,提升燃气轮机环境温度,有利于提高燃烧室燃烧稳定性;环境温度从0℃上升到30℃,在不调整燃料和空气流量的情况下,燃烧室出口NO_x排放质量分数增加97.8%。     

当量比对甲烷预混低旋流燃烧的影响

通过实验和数值模拟的方法研究了甲烷/空气预混低旋流燃烧的流场结构及当量比对甲烷低旋流燃烧的影响.结果表明,甲烷/空气预混低旋流气流在喷嘴出口处扩张,形成有利于燃烧稳定的低速区;预混火焰"悬浮"于喷嘴上方,在剪切区的内侧,火焰呈W型;富燃时,随着当量比的增加,火焰的推举高度略有增加;甲烷/空气预混低旋流流场具有自相似性,无量纲轴向速度的径向分布几乎不受当量比的影响.同时,燃烧室出口的温度随着当量比的增加而增加,并且在当量比为0.8~1.4时变化较为明显,当量比超过1.4后,增加趋势变缓.     

贫预混预蒸发燃烧室的火焰结构及污染物排放

为研究航空煤油贫预混预蒸发(LPP)燃烧室火焰结构及污染物排放特性,设计了贫预混预蒸发燃烧实验平台,通过平面激光诱导荧光(PLIF)测量火焰结构,利用气体分析仪完成了排放特性测量研究.实验结果表明,LPP火焰呈现V型分布,随着当量比的增加,火焰长度变长,燃烧反应区域不断加大.当入口轴向流速恒定,随着当量比从0.43增加到0.60,NO_x排放缓慢增加,而当量比大于0.60后,NO_x排放迅速增加,而CO排放受当量比影响较小.在此基础上,研究了入口预热空气温度对污染物排放的影响.发现随着预热空气温度的升高,NO_x排放会不断升高,但预热空气温度的升高对CO的排放影响较小.     

天然气锅炉分级柔和燃烧模拟研究

燃气锅炉在我国应用广泛,随着煤改气的进行,应用越来越多, NO_x排放标准也越来越严格。降低NO_x的排放有利于减少空气污染。以小型天然气柔和燃烧炉膛为研究对象,通过数值模拟的方法研究燃料分级下的柔和燃烧特性,分析在不同当量比、不同热强度条件下轴向分级对炉膛烟气中NO_x生成的影响。结果表明,给定条件下柔和燃烧分级带来的NO_x减排收益随着二级燃料量的增加而减小,当二级燃料量在15%左右的时候可以最大程度地优化温度场分布,降低燃烧峰值温度,获得比较好的NO_x控制效果。随着当量比和热强度的提高,燃料分级带来的收益也会变大。     

烟气再循环对天然气非预混燃烧NO_x排放特性的影响

天然气在燃烧过程中生成NO_x的浓度主要受温度影响.烟气再循环不仅能降低燃烧温度,而且减小了燃烧高温区域,使污染物排放降低.为减少NO_x排放,采用一台标定功率为800,k W的非预混燃烧器进行了烟气再循环非预混燃烧试验,主要研究了燃烧负荷、过量空气系数、烟气再循环率对NO_x生成的影响.同时,采用FLUENT6.3软件模拟计算燃烧火焰温度分布和NO_x质量浓度分布.结果表明:燃烧器热负荷的增加,会使烟气中NO_x质量浓度增加;过量空气系数?在1.0~1.15之间时,有利于降低NO_x排放;烟气再循环量增加能有效降低NO_x排放,在?为1.1和1.15时、烟气再循环率为20%,时,NO_x质量浓度为40~50,mg/m3.     

大气温度对某型燃气轮机燃烧稳定性和 NOx排放影响的数值研究

为了对比扩散和预混两种不同燃烧模式下大气温度对燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放的影响规律,针对某重型燃气轮机燃烧室,对多旋流喷嘴燃烧室的燃烧稳定性和NO_x排放进行了数值研究。结果表明:对于扩散燃烧,大气温度升高,燃烧室内高频脉动增强,燃烧稳定性变差;对于预混燃烧,大气温度升高,有利于提高燃烧的稳定性;在扩散燃烧模式下燃烧室燃料喷嘴下游回流区的温度最高,NO_x生成量最大;预混燃烧下燃烧室头部温度分布较均匀,燃烧室NO_x生成主要集中在驻涡回流区和燃烧室中下游位置,燃料喷嘴下游回流区NO_x生成量很小;随着大气温度的升高,扩散燃烧和预混燃烧下燃烧室内NO_x的生成量均增加。研究结果可为指导燃气轮机运行提供参考。     

火焰筒扩张角与旋流匹配对燃烧特性的影响

为研究旋流器流量分配对干式低排放(Dry Low Emission,DLE)燃烧室燃烧特性的影响规律,针对单头部中心分级旋流燃烧室,以天然气作为燃料,在保持旋流数不变的前提下开展两级旋流器不同空气分配比例下的试验测试和数值模拟,获得不同结构参数条件下燃烧室的综合燃烧性能以及污染物排放等变化规律。研究表明：随主燃级/预燃级旋流器流量比增大,燃烧室中心回流区变小、回流区长度变短;预燃级局部当量比的增大造成燃烧室出口CO排放增加,主燃区燃烧加剧,热力型NOx排放也增加;同时,燃烧室中心高温区域向燃烧室出口方向扩张,出口温度分布均匀性变差。     

DME预混比和柴油供油提前角对PCCI发动机性能影响

在一台2105柴油机上采用进气道预混DME一缸内直喷柴油的复合方式实现PCCI燃烧,研究了DME预混比和柴油供油提前角对预混合压燃(premixed charge compression ignition,PCCI)发动机燃烧、排放特性和燃油经济性影响。研究结果表明:随DME预混比增加,PCCI发动机燃烧始点逐渐前移,缸内压力峰值增大,放热过程由两阶段放热变成三阶段放热,且放热率曲线整体前移,NO_x、碳烟排放和当量燃油消耗率均降低,而CO和HC排放及有效热效率均逐渐升高;随柴油供油提前角增大,PCCI发动机燃烧始点相应提前,缸内压力峰值逐渐增大,放热过程由三阶段放热变成两阶段放热,NO_x排放大幅升高,碳烟排放明显下降,CO和HC排放及当量燃油消耗率先下降后增加,而有效热效率则先升高后降低,     

燃料掺混方式对天然气柔和燃烧器燃烧性能的影响研究

燃气轮机在更高参数下的低污染排放限制和宽工况范围稳定运行的需求,对燃烧室燃烧提出了新的要求。柔和燃烧作为一种新型燃烧技术,具有燃烧稳定和污染物排放低的优势。高速射流引射掺混是实现柔和燃烧所需条件的一种可行方式。本文主要研究不同燃料掺混方式对柔和燃烧器污染物排放和稳定工作范围的影响。在前期工作基础上设计了可实现燃料不同掺混方式的天然气柔和燃烧器。在常压条件下,通过实验研究了不同当量比、不同燃料/空气掺混方式下天然气柔和燃烧器的污染物排放,并研究了不同掺混方式对燃烧贫燃极限的影响,通过OH~*自发荧光、OH平面激光诱导荧光测量和数值模拟对反应区和流场结构进行了观察和分析。实验结果表明,在相同当量比下,全预混模式下的NO_x排放最低,全预混模式下稳定燃烧的贫熄火当量比为0.57;扩散模式下NO_x排放相对高,但贫熄火当量比可低至0.15,燃烧稳定范围更宽;混合模式下污染物排放水平介于预混和扩散模式之间;非预混模式下较好的贫燃火焰稳定性得益于燃烧室头部扩散燃料周围形成的低速稳定反应区。     

旋流数对燃烧不稳定性及NO_x生成的影响

采用大涡模拟方法分析了旋流数对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定性以及NO_x生成特性的影响.结果表明:增大旋流数使得流场的扩张角增大,中心回流区范围扩大,对燃烧产物的卷吸能力增强,预混段内温度升高,高温区范围扩大,有利于燃料气流的着火与稳定燃烧,火焰长度也有所缩短;旋流数为0.7时,流场中仅存在一个进动涡核,旋流数较大时,则出现2个明显的进动涡核;增大旋流数使得涡旋周期性的脱落频率增加,破碎位置向上游移动,同时由于火焰长度缩短,热释放区域相对更为集中,从而导致燃烧室内压力脉动频率及其对应的压力峰值增大;增大旋流数也使得火焰宽度增大,峰值温度有所降低,有利于控制NO_x排放体积分数.     

多孔介质燃气热水炉的试验研究

针对燃气热水炉热效率低,污染物排放高的问题,设计了一台冷凝式多孔介质燃气热水炉。在定水流量的条件下,研究了燃气热水炉的燃烧、换热和污染物排放特性。结果表明:在当量比为0.9的条件下,该燃气热水炉基于低位发热量的热效率均大于99.0%,最高可达106.8%;燃烧强度在403.9 kW/m~2的工况下,热水温升可达57℃;燃烧强度是影响燃气热水炉热效率和热水温升的主要因素;烟气出口CO浓度可控制在300 mL/m~3以下,NO_x浓度均低于45 mg/m~3;燃烧室压降随燃烧强度的增大而增大,随当量比的增大而减小。该多孔介质燃气热水炉具有高效、低污染物排放的特性,多孔介质填充造成的流动阻力增加可控制在1000 Pa以内。     

当量比对环管型燃烧室内NOx生成特性影响的研究

采用数值模拟方法研究了当量比对环管型燃烧室内燃烧及NO_x生成特性的影响,分析了不同当量比时燃烧室内流场、温度场、热力型NO_x生成速率分布、出口温度分布系数(OTDF)及出口NO_x浓度的变化。模拟过程中,保持空气量不变,通过调整入口甲烷量来改变当量比。研究表明:增大当量比,燃烧室内燃烧反应速率加快,轴向速度升高,高温区域沿径向扩张,其范围明显扩大,热力型NO_x生成速率加快,其高速率范围与高温区域重合,出口NO_x浓度上升,而OTDF始终处于合理范围内。因此,在当量比为0.48~0.54范围内,适当降低当量比有利于控制出口NO_x浓度。     

贫氧、预混火焰热声耦合振荡的声场分析

利用SQLABⅡ振动噪声分析仪对贫氧、预混层流火焰和湍流火焰的热声耦合振荡过程进行声场分析.随着化学当量比φ的增大,燃烧室和预混室内声压振动的特征频率逐渐降低,而对应的声功率峰值逐渐提高.在特征频率附近,燃烧室与预混室内的声压振动趋于同频、同相,两者具有明显的耦合关系;在高频情况下,两者不会发生耦合.在化学当量比φ相同而燃烧室入口雷诺数不同的工况下,燃烧室内的声压振动频谱基本相似,说明可燃预混气的组分浓度变化是火焰发生低频振荡的主要原因,当燃烧在偏离化学恰当比情况下进行时,局部空气系数波动所导致的火焰表面大尺度涡团交替脱落是诱发火焰热声耦合振荡的主要原因.     

旋流燃烧室内分级进风对燃烧污染物生成的影响

建立了采用分级进风方式的旋流燃烧室试验装置.在此试验装置上分别对天然气和煤粉进行了湍流旋流燃烧的试验研究.在保持过量空气系数和旋流数不变的条件下,采用不同分级进风比率时测量了燃烧室内烟气的时均温度场、O2、CO和NO浓度场的分布,并分析讨论了分级进风率对旋流燃烧室内湍流燃烧及污染物生成的影响.结果表明:在天然气燃烧过程中,加大二次旋流风率可减少NO的生成;在煤粉燃烧过程中,加大二次旋流风率会增加NO的生成.     

配风比对微型燃气轮机燃烧室燃烧性能影响的数值模拟

以采用燃料和空气预混燃烧方式的微型燃气轮机燃烧室为研究对象,根据设计参数对燃烧室进行建模和模拟计算,模拟不同工况下预混燃料在燃烧室内经过湍流流动并发生燃烧化学反应的过程,进而得到燃烧室内的热态流场、温度分布以及出口烟气中污染物的排放量.结果 表明:在总过量空气系数为3.01的情况下,随着旋流器进口当量比的增大以及助燃风质量流量比例的升高,预混火焰的锋面温度有所升高,出口NOx质量浓度与出口温度分布因子呈正相关.     

当量比变化对合成气双旋流喷嘴燃烧火焰特征的影响

采用平面激光诱导荧光（PLIF）、高温热电偶及红外气体分析仪,对不同当量比下的合成气在双旋流模型燃烧室内的火焰特征进行了试验研究.结果表明：当量比为0.2时,合成气火焰的反应区呈月牙形,随着当量比的增大,合成气火焰根部逐渐出现M型分布特征,火焰锋面的内、外侧张角均单调减小,火焰推举高度与穿透深度增大,同时,燃烧室中下游出现大量的反应区,火焰根部受到压缩,燃烧室排气温度升高,CO排放量迅速降低.     

乙醇预混与PODE直喷复合燃烧的气体排放特性

为了控制压燃式发动机的气体排放,在一台增压中冷共轨发动机上对聚甲氧基二甲醚(PODE)引燃乙醇均质充量的复合燃烧性能及其气体排放特性进行了研究.结果表明:随着进气道预混乙醇比例增加,复合燃烧滞燃期被延长,其预混燃烧量与放热率峰值增大,扩散燃烧量降低;复合燃烧的NO_x排放随着预混乙醇比例增加而降低,但m(NO_2)/m(NO_x)值显著增大,经过氧化催化转换器(DOC)后,纯PODE燃烧的m(NO_2)/m(NO_x)值增大而复合燃烧的m(NO_2)/m(NO_x)值减小;复合燃烧的HC、CO、甲醛和乙醛排放量均明显高于纯PODE燃烧,且随着预混乙醇比例增加而增大,但可以被DOC高效氧化.复合燃烧的HC、CO和NO_x排放量经过DOC后均明显低于纯PODE燃烧的排放,而甲醛、乙醛和NO_2排放量与纯PODE燃烧时处于同一水平.