第43卷第11期熱力發(fā)電Vol 43 No2014年11月THERMAL POWER GENERATIONNov.2014氮氣稀釋富氫合成氣高莊燃嬈痔性數(shù)值模擬付忠廣,盧可,周揚,朱一鳴,劉雪琦(華北電力大學國家火力發(fā)電工程技術研究中心,北京102206)摘要]為研究高壓下氮氣稀釋富氫合成氣的微混合燃燒規(guī)律,利用常壓燃燒試驗校正模型對不同壓力、功率和當量比下的溫度場、火焰形態(tài)以及污染物排放進行了計算分析。結果表明,隨著壓力的升高,燃燒器火焰溫度和岀口溫度先升髙后略微下降,火焰寬度逐漸變小,火焰高度有增大趨勢,NO,排放指數(shù)升高,但在壓力>14MPa時,趨勢變緩。[關鍵詞]lGCC;氮氣稀釋;富氫合成氣;高壓燃燒;微預混;NO排放;數(shù)值模擬中圖分類號]TK16[文獻標識碼]A[文章編號]1002-3364(2014)11-0019-05[DOⅠ編號]10.3969/j.issn.1002-3364.2014.11.019Numerical study on combustion characteristicsof nitrogen diluted hydrogen-rich syngas at high pressuresFU Zhongguang, LU Ke, ZHOU Yang, ZHU Yiming, LIU XueqiNational Thermal Power Engineering & Technology Research Center, North China Electric Power University, Beijing 102206,ChinaAbstract Aiming at investigating the micro-mixing combustion characteristics of nitrogen diluted hydrogen-rich syngas at high pressures, the combustion model corrected at atmospheric pressure was adopted to analyze the temperature field flame shape and pollution emissions under conditions with different pressurespowers and equivalent ratios. The results show that, with an increase in pressure, the flame temperatureand outlet temperature of the burner rose first and then dropped slightly; the flame width decreased gradually while its height grew; the No emission indexes increased and tended to be smooth when the pressureincreased to higher than 14 MPKey words: IGCC, nitrogen dilution, hydrogen-rich syngas, high-pressure combustion, micro-mixing, NO,emission, numerical simulation整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(lGCC)是未來能源清潔硏究了在1~60個大氣壓下壓力和重力對甲烷-空高效利用的重要發(fā)展方向。燃氣輪機作為lGCC系氣同向層流擴散火焰結構的影響。 McCrain l i統(tǒng)中最重要的一環(huán),成為目前研究的重點。由于材等利用激光誘導熾光法(LI測量甲烷/乙烯燃燒料的限制,依靠提髙燃氣初溫提升燃氣輪機及其聯(lián)的層流擴散火焰中壓力提高對煙灰產(chǎn)量的影響,并合循環(huán)效率的方法具有很大的局限性。提高壓力成觀測到了壓力對火焰形態(tài)的影響。 Kevin a thom為另一條途徑。而釆用氮氣稀釋的微混合燃燒也是son等利用光譜煙灰排放(SSE)和視線衰減降低富氫燃料燃燒排放的一般手段。 Marc j(L.OSA)測量法對0.5~4MPa內(nèi)非預混的甲烷/空Charest等(通過數(shù)值模擬求解未修正全耦合方程,氣中國煤化工度進行了研究。煙灰收稿日期:2014-06-30THCNMHG基金項目:中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(13XS09,2014ZZD0)作者簡介:付忠廣(1963—),男,漢族,北京人,博士,教授,主要從事潔凈燃料發(fā)電技術的教學與研究。Fuze熱力發(fā)電2014年溫度測量結果顯示整體溫度隨壓力提高而増大,但為煙氣岀口,呈圓柱形狀。在圓柱側面設置了水平火焰高度越大時,溫度增長速率會變慢。 Hyun I.取樣孔,用來收集尾部煙氣以及測量煙溫Joo等研究了在寬壓力范圍中壓力對同流甲烷空1.2計算模型氣層流擴散火焰溫度場結構和煙灰形成特性1)首先采用 Gambit軟件建立燃燒室模型并進為了進一步提高現(xiàn)有IGCC系統(tǒng)效率,采用高行網(wǎng)格劃分(圖2)。其中三維矩形燃燒室的尺寸為壓力、提高機組參數(shù)也是一個非常有意義的發(fā)展方200mm×200mm×300mm,底部由25組旋流噴向。通過提高進入燃燒室合成氣及空氣的壓力,從嘴組成,按照5×5矩陣分布,每組噴嘴包含8個空而提高進入透平燃氣的壓力,可以有效地增大透平氣噴口,均傾斜20°。網(wǎng)格劃分采用結構化六面體的輸出功率。然而,采用高壓力則意味著高壓燃燒,網(wǎng)格,在燃燒器附近采用加密處理,網(wǎng)格總數(shù)量約為高壓力下合成氣的燃燒將不同于常壓燃燒,相同工106萬況下燃燒更為劇烈,燃燒溫度更高且更難以控制。由于富氫合成氣燃燒本身存在NO污染問題,因而在高壓下污染物產(chǎn)生可能會更多。對此,本文通過數(shù)值模擬研究了高壓力下氮氣稀釋富氫合成氣的燃燒特性及燃燒規(guī)律。數(shù)值計算模型1.1燃燒器結構以圖1所示的25孔微混合燃料噴射旋流燃燒器為例,對其常壓下的燃燒進行試驗研究。該燃燒器共設置了25組射流噴嘴,成5×5矩陣型排列,且每組噴嘴中的空氣噴口均傾斜20°,以產(chǎn)生旋流效圖2燃燒室模型及網(wǎng)格果。每個噴嘴均由1個中心燃料小噴口和周圍環(huán)繞Fig 2 Mesh generation of the combustor model的8個空氣噴口組成。燃料噴口直徑為2mm,空2)將25個中心噴口設置為燃料速度進口,8×氣噴口直徑為1.22mm,燃料噴口與空氣噴口的距25個旋流噴口設置為空氣速度進口,矩形燃燒室的離為6.6mm最上端面為出口。此外,采用壁面函數(shù)法對流場邊界壁面進行處理,流場中存在的非線性問題采用欠取樣口燃料噴口松弛方法。最后對計算的收斂標準進行設定,取能量方程的殘差值小于10-6,其余各項殘差值小于空氣噴口200mm單個噴嘴10石英窗F3)由于流場具有很強的旋流特性,因而根據(jù)文獻[7-8]采用標準kε湍流模型進行湍流流動模擬計算穹氣你4)采用渦耗散模型③對燃燒進行數(shù)值模擬,則反應r中物質i的產(chǎn)生速率R為@你Ri.r= min vi. Ap mingY噴嘴分布Ap,M、ABp2Y(1)圖1噴嘴微混合燃料噴射燃燒器結構式中仟何,種產(chǎn)物的化學組分;YR為某種產(chǎn)Fig. 1 Structure of the micro-mixing fuel物中國煤化分子量;v,和v"分injecting combustor and injector別CNMH反應物和生成物化學燃燒室為立方體結構,在中間部分的3個面設恰當比系數(shù);A、B為經(jīng)驗常數(shù),分別取4.0和0.5。有耐高溫石英玻璃觀察窗,以便觀察和測量。上部5)采用P-1輻射模型進行合成氣燃燒模擬計http://www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicals.net.cn第11期付忠廣等氮氣稀釋富氫合成氣高壓燃燒特性數(shù)值模擬算。采用灰氣體加權平均模型( weighted-sum ofgray gases model, WSGGM)計算氣體的吸收系數(shù),1300該模型根據(jù)壓力以及對輻射有吸收能力的氣體組分的濃度來計算氣體的吸收系數(shù)10口丑100015 kW15kw20kW10020kW1.3模型驗證25kW25kw利用現(xiàn)有的合成器常壓燃燒試驗臺對常壓燃燒0.50.60.70.80.91.00.50.60.70.80.91.0當量比當量比進行試驗,監(jiān)測不同當量比下的出口溫度,并與根據(jù)a)壓力5MPab)壓力14MP上述模型計算出的出口溫度進行對比,結果見圖3圖4燃燒器出口溫度與當量比的關系Fig.+ The influence of equivalent ratio on outlet temperature2.2溫度與壓力的關系在一定的當量比下,出口溫度和火焰溫度隨壓力的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5可見:在0.1--15kW計算值l0MPa范圍內(nèi),出口溫度和火焰溫度隨著壓力的增20kW計算值加而迅速升高;在10~14MPa范圍內(nèi),壓力的提高-25kW計算值使復合反應增強,輻射損失增大,出口溫度及火焰溫◆25kW實測度的升高速率減慢,溫度幾乎保持不變甚至略有下當量比降;當壓力大于14MPa時,燃燒室內(nèi)輻射損失快速圖3常壓下出口溫度與當量比關系增大,火焰溫度顯著下降。這是因為根據(jù)澤爾多維Fig 3 Relationship between the outlet temperature奇一弗蘭克一卡門尼茨基提出的預混火焰?zhèn)鞑ニ俣萢nd equivalent ratio at atmospheric pressure與壓力的關系取決于化學反應級數(shù),對于大多碳氫從圖3可見,在15、20、25kW3個功率下,出燃料,反應級數(shù)小于2,其火焰速度隨壓力增加而降溫度隨當量比的變化規(guī)律一致,即隨當量比的提高,低。輻射的影響會隨著速度梯度的降低越來越明出口溫度升高。從數(shù)值上看,本文的數(shù)值模型在常顯,因此在考慮熱輻射損失的條件下,隨著壓力的升壓下的計算結果比試驗結果略高,這是因為數(shù)值計高,火焰溫度先升高然后逐漸平緩下降算未計算環(huán)境的熱損失。可見,數(shù)值計算與試驗1200結果基本吻合,因此認為本文建立的數(shù)值模型是合1000理的。15kW15kw2結果分析-20kw+25kW+25kW利用數(shù)值模擬 Fluent軟件對當量比分別為1、0.83、0.71、0.63、0.5,功率分別為15、20、25kW,壓壓力/MPa壓力MPaa)當量比0.63力分別為0.1、1、5、10、14、20MPa工況下的燃燒器b)當量比0.71溫度場、火焰形態(tài)以及NO排放進行模擬計算,分析在高壓下氮氣稀釋富氫合成氣的燃燒特性165016002.1溫度與當量比的關系圖4為壓力分別在5、14MPa下燃燒器出口溫15kW綏150015kW20kW度與當量比的關系。從圖4可見,在不同壓力下,出-25 kw25kW1350口溫度均隨著當量比的增加而升高,這是因為隨著當量比的増加空氣流量減少,旋流射流速度降低,使中國煤化工壓力/MPa得氣體在燃燒器內(nèi)的停留時間增加,反應時間變長CNMHGd)當量比0.71ml火焰溫度的影響同時,空氣流量減少也會使熱量隨空氣擴散的速度Fig. 5 The influence of pressure on outlet temperature變慢,因此溫度升高and flame temperaturehttp://www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicals.net.cn熱力發(fā)電2014年2.3火焰半徑較大貢獻,因此NO生成速率和排放指數(shù)仍然呈上圖6為壓力對燃燒器火焰寬度的影響。從圖6升態(tài)勢,但趨勢逐漸變緩?？梢?壓力越大,火焰的寬度越小。這是因為高壓會1400使火焰的弗勞德數(shù)變小,浮力作用增大,浮力對火焰當量比0.71,功率25kW當量比0.83,功率20kW的影響作用超過重力,因此在浮力的作用下火焰向中心線靠攏并向高處延伸,火焰半徑逐漸變小。800+15kw204001620kW日1815kW起蘭25kW日16-20KW5kW圖8NO4排放指數(shù)與壓力關系壓力/MPaFig8 The relationship between NO emission index and pressurea)當量比0.71B)當量比0.83當量比0.71,功率25kW圖6壓力對火焰寬度的影響當量比0.71,功率25kW,熱力型NO25kW快速型NOFig. 6 The influence of pressure on flame radiusE604-+當里比3率kW熱力0火焰高度圖7為延燃燒器軸線的溫度分布。從圖7可見,火焰最高溫度點的高度隨著壓力的增大而變高。這說明在一定當量比和功率下,火焰高度隨著壓力的提高而增大。這是因為壓力越大,弗勞德數(shù)越小浮力對火焰的作用力越強,火焰向上延伸距離增大,壓力/MPa火焰高度則越高。本文計算時未考慮煙灰,因此火圖9NO2生成速率與壓力關系焰高度未做精確性統(tǒng)計。Fig 9 The relationship between NO, formation rate and pressure3結論1600·“sa1)提高壓力,火焰溫度和出口溫度先升高后略微下降。其中壓力低于10MPa時,溫度升高速率1000較快;壓力在10~14MPa時,溫度升高速率降低IMPa75MPa溫度基本不變甚至略有下降;壓力高于14MPa時b 10 MPa414 MPa溫度有所下降。在高壓下,提高當量比,出口溫度升●20Mpa火焰徑向高度/m2)提高壓力,火焰寬度逐漸變小,火焰高度有增圖7不同壓力下火焰徑向溫度分布大趨勢,這是由弗勞德數(shù)隨壓力提高而變小所致Fig. 7 The flame radial temperature distribution3)隨著壓力的升高,NO的排放指數(shù)均升高。at different pressures在壓力高于14MPa時,熱力型NO2的生成速率降低,而快速型NO,依然升高較快,因此壓力高于2.5NO,生成特性14MPa時NO生成速率和排放指數(shù)仍然呈上升態(tài)圖8、圖9分別為NO2排放指數(shù)及NO生成速率與壓力關系。從圖8、圖9可見,隨著壓力的升中國煤化工高,NO的排放指數(shù)均升高;在壓力>14MPa時,CNMHGL爹又獻]熱力型NO)的生成速率降低,快速型NO依然升[1]趙曉燕,李祥晟,豐鎮(zhèn)平,等,燃氣輪機低熱值合成氣燃高較快,而快速型NO,對總的NO生成速率有著燒室內(nèi)三維湍流流動的數(shù)值模擬研究[].動力工程,http://www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicals.net.cn第11期付忠廣等氮氣稀釋富氫合成氣高壓燃燒特性數(shù)值模擬2009,29(4):330-334NO, emission of a multi-stage self- preheatingrnerZHAO Xiaoyan, LI Xiangsheng, Feng Zhenping. N[J. Power Engineering, 2012. 32(10): 765-769lerical simulation research on three dimensional tur-[7]王福珍,王能,黃帆,等.微型燃氣輪機富氧燃燒室數(shù)值bulence flow in a gas turbine combustor burning low研究[J].熱力發(fā)電,2014,43(4):76-heat value syngasLJ. Power Engineering. 2009. 29(4)WANG Fuzhen, WANG Neng, HUANG Fan, Numeri[2] Charest M J, Groth C, Gulder O L. Effects of gravitymicro gas turbines [J].Thermal Power Generationand pressure on laminar coflow methane-air diffusion2014,43(4):76-81flames at pressures from 1 to 60 atmospheres[J]. Com- [8 Shih T H, Liou WW, Shabbir A, et al. A new k-e eddybustion and Flame, 2011, 158(5):860-875viscosity model for high reynolds number turbulent[3 McCrain L L, Roberts W L Measurements of the sootows[J]. Computers & Fluids, 1995,24(3): 227-238volume field in laminar diffusion flames at elevated[9]張永生.同向和反向合成氣旋流擴散燃燒研究[J.中pressures[J]. Combustion and Flame, 2005.140(1):60-國電機工程學報,2009,29(14):63-68ZHANG Yongsheng. Study on the co-swirl and count-[4 Thomson K A Gilder O L, Weckman E J, et al. Sooter-swirl combustion of the syngas diluted diffuse flarconcentration and temperature measurements in co-an[J. Proceedings of the CSEE, 2009. 29(14):63-68.nular, nonpremixed CH,/air laminar flait pres-[10]張引弟,周懷春,謝明亮,等.湍流擴散火焰的大渦模擬sures up to 4 MPa[J]. Combustion and Flame, 2005及驗證[].動力工程,2009,29(5):451-455140(3):222-232ZHANG Yindi, ZHoU Huaichun, XIE[5 Joo H I. Gulder O L.ootLarge eddy simulation and verification for turbulentfield structure in co-flow laminar methane-air diffusiondiffusion flame [JI. Power Engineering, 2009.29(5flames at pressures from 10 to 60atmLJ. Proceedings451-455of the Combustion Institute. 2009.32(1):769-775[1]朱紅鈞,林元華. Fluent12流體分析及工程仿真LM]6]陳冬林,成珊,贠英,等.預熱室結構對多段式自預熱燃北京:清華大學出版社,20燒器內(nèi)燃燒及NO,排放特性的影響[J].動力工程學ZHU Hongjun, LIN Yuanhua Fluent 12 fluid Analysis報,2012,32(10):765-769,785and engineering simulation[ M]. Beijing Tsinghua UniCHEN Donglin, CHENG Shan, YUN Ying. Effects ofversity press, 2011(in Chinese)the structure of preheating chamber on combustion and00。0000000000000。00000000000000000(上接第11頁6]張秋生,梁華,胡曉花,基于區(qū)域并網(wǎng)的AGC和一次調(diào)7]康靜秋,楊振勇,李衛(wèi)華,主蒸汽溫度控制系統(tǒng)前饋的頻控制回路的改進[].熱力發(fā)電,2010,39(7):69-71化[].熱力發(fā)電,2013,42(1):79-8ZHANG Qiusheng, LIANG Hua, HU Xiaohua. RetroKANG Jingqiu, YANG Zhenyong, LI Weihua, et alfit of control system for AGC and primary frequencyOptimization on feed forward controller in main steamconversion based on regional synchronizing and closingmperature control system[J]. Thermal Power Generinto power grid[J]. Thermal Power Generation, 2010ation,2013,42(1):79-8339(7):69-71H中國煤化工CNMHGhttp://www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicals.net.cn