合成气燃烧室NOx排放估算方法分析

第26卷第1期《燃气轮机技术》Vol. 26 No. 12013年3月GAS TURBINE TECHNOLOGYMar.,2013合成气燃烧室NO排放估算方法分析林清华1,23,张哲巅23,肖云汉21.中国科学院大学,北京1001902.中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;3.中国科学院能源动力研究中心,江苏连云港222069)摘要:随着燃气轮机NO,排放标准日趋严格,NO,排放预测在燃烧室设计阶段尤其初步设计阶段显得越来越重要。现有燃气轮机燃烧室NO,排放估算经验/半经验公式多建立在液体燃料和天然气燃料试验数据基础上,应用到合成气燃烧室NO,排放估算需进行验证。为此,筛选了多篇文献中多个典型的经验/半经验公式,并将估算值与CE公司F级燃烧室燃烧合成气时NO,排放的试验测量值比较。对比结果表明,经验/半经验公式不能直接适用于合成气燃烧室。通过分析并结合已有NO,排放数据对比提出新的适合于合成气扩散燃烧的燃气轮机燃烧室NO,排放估算公式。公式有效性以及参数的范围有待进一步验证。关键词:NO,估算;燃气轮机燃烧室;合成气中图分类号:TK472文献标识码:A文章编号:1009-2889(2013)01-000906符号说明V燃烧室燃烧区体积,m3。燃烧室总过量空气系数近年来,随着用户对燃气轮机性能要求的不断L理论空气量,kg/s;提高,设计者需要不断提高和完善在燃烧室不同设M,燃气的相对分子质量本文取298;计阶段的设计方法1;相关法律法规对燃烧室的污MNO,的相对分子质量,本文取46染排放标准要求越来越严格2),NO排放估算在燃m。进入燃烧室的总空气质量流量,kg/s;烧室设计阶段显得越来越重要。精确的污染物估算燃料质量流量,kg/s;模型不仅需要考虑详细的化学反应机理,还需要结NO.NO,的排放无特别说明时为体积分数;合三维数值模拟。Rik和 Mongia34应用详细的燃烧室进口压力,Pa;化学反应机理与三维数值模拟计算结合来建立NO,ΔP1/P。火焰筒压力损失与进口压力之比,本排放估算模型,模拟结果与试验结果吻合很好但该文取0.03;类精细模型需要耗费的时间与成本比较大。考虑到燃料与空气质量之比;时间和成本等因素,一般在燃烧室初步设计阶段qTTT化学当量比为1时的火焰温度,K;对NO2污染物排放的估算多选择使用经验/半经验主燃区温度,K;公式进行快速估算。燃烧室进口温度,KSullivan16根据前人估算公式形式提出了一个燃烧室出口温度,K简单的NO,估算公式,用该公式估算的结果与简单在公式2中表示NO的形成时间,其循环和联合循环中NO,排放试验值吻合很好。考他公式则表示燃气在主燃区的停留时间,ms;虑燃料的蒸发速率和燃料蒸气与空气的混合速率燃料蒸发所需要时间,msMellor提出了一个基于各种过程的特征时间为参收稿日期:2012-09-03改稿日期:2012-10-23中国煤化工基金项目:863计划重大项目课题(NO.2008AA0O5A301)CNMHG作者简价:林清华(1987-),女,广西玉林人,研究生,E-mal: qinghua_0305@163.cm。10燃气轮机技术第26卷数的№O排放估算模型,几种不同燃气轮机燃烧室烧室是燃气轮机的核心部件之一,适用于天然气、液的试验测量数据结果表明这个关系式的通用性。体燃料的燃气轮机和合成气燃气轮机的最大区别也Lefebvre、Rizk和 Mongia以及其他一些研究者在于燃烧室。传统天然气燃烧室改烧合成气时等1都根据各自开展的试验及结果,提出了简单需要对燃烧室进行相应的改造,以适应合成气燃烧,的计算NO,排放的经验半经验公式。这些公式在同时满足燃烧室的性能要求。与天然气和液体燃料预测相同类型燃烧室排放时都达到了一定的吻合程相比,合成气的热值和组分有很大的变化,其体积热度。国内陈晓丽等将文献出现的污染物估算公值低,约为天然气的1/3甚至更低,主要可燃组分是式进行了分析,意图找出适合R0110燃烧室的污染C0和H26。当燃气轮机燃烧低热值合成气时,物估算公式,但未找到适合该燃烧室特性的排放估为了使燃气轮机燃烧室的出口温度达到原来数值,算公式。就要比天然气多3倍以上体积流量。一般扩散由于上述研究者提出公式的很多实验数据是基燃烧只含CO和H2的合成气燃烧结果会使NO3排于液体燃料,随着燃烧室几何结构、燃烧方式以及燃放超标,因此需要对合成气进行稀释,通过掺混N2、料的多元化,这些经验/半经验公式可能不适合气体蒸汽、CO2或者它们的混合物来达到进一步降低燃燃料,特别是合成气燃料燃气轮机燃烧室NO,排放料热值的目的,进而使得NO,排放达标。合成气扩预测。本文筛选出现在文献中一些代表性的NO2散燃烧排放的NO主要来源:快速型NO,燃料型估算的经验/半经验公式并进行相应的实验数据对NO,和热力型NO,。燃料型NO,主要氧化合成气中比验证,以期找出适合以合成气为燃料的燃烧室的的含氮化合物,如HCN和NH3,这些含氮化合物来NO2排放估算经验公式;同时利用试验数据以及对源于气化过程。与热力型NO,相比快速型和燃经验公式进行系数修正获得新的经验关系式,适用料型NO,所占的比例很小,因此在燃烧室初步设计于合成气燃烧室NO、排放,供合成气燃烧室初步设阶段,对NO,的估算主要是热力型NO,估算可选计阶段使用。择相应的经验关系式进行计算。1合成气燃烧室2NO,经验/半经验公式合成气燃气轮机主要用于整体煤气化联合循环通过文献调研,用于燃烧室NO,排放估算的经( Integrated Gasification Combined Cycle,IcC)。燃验/半经验公式如表1所示。表1NO,经验/半经验估算公式列表作者经验关系式单位序号9×10-8P}25 Veep(0.01T压力:kPakg温度:KOdgers and Kretschmer(2, 8]29?216701-exp(-250)]g/kg压力:Pa温度:KPn3/Tn-1471压力:Psia0345温度:R0.0070(P68948)0x/.005Tm压力:Psia温度015×0(r-05n)0=(压力:kPaRizk and Mongia[9)温度:KM. Shehata[ 12]26×10-m(-50+36r-n=)×0-温度:KRokke et al(2.18.1×P14m:3q0n×10-6中国煤化工Lewis[8133192×10-6axp(0.0097757m)P93×10CNMHG合成气燃烧室NO,排放估算方法分析公式1适用于液体燃料燃烧室,若使用该式对贫预混预蒸发燃烧室NO,排放估算,需将公式中的T用T来替代。公式1在预测F00F101、J7917A、J9-17C、TF33、TF39、TF41等燃烧室的NO,排放中,与测试数据吻合相当好。公式2适用于液x新丐体燃料燃烧室。同时 Odgers和 Kretschmer推荐在计算航空燃烧室使用空气雾化器时NO2的形成特征时间取08ms,使用压力雾化器时NO,的形成时间取1.0ms;对于工业燃烧室燃烧液体燃料时,形燃料净比能(Mm3成时间范围为1.5~2.0ms。公式3适用于单环型燃烧室( single annular combustor)。公式4适用于图1不同稀释剂下合成气燃烧室NO,排放LPP燃烧室( lean premixed prevaporized combustor)值合成气工况下NO,的排放值。本文使用的合成公式5适用于液体燃料燃烧室。本文研究的燃烧室气组分是华东干基合成气组分,在相同比例的H2燃烧合成气,因此公式中T取为0。公式6适用于CO/CO2下再分别掺混N2、水蒸气和CO2,具体如表由传统燃烧室改造的LP燃烧室。适用参数范围2、表3和表4所示。所有NO,排放估算结果统一折为800~2000K。公式7适用于重型燃气轮机燃烧算到15%参考氧气体积浓度下的体积分数。室。该式计算结果与5台功率在1.5~34MW的工表2试验1燃料组分业燃气轮机燃烧天然气排放NO,的测量值吻合很燃料净比能/M:m3)C0HC好。公式8适用于贫均质燃料燃烧室。0.4550.3030.1080.134为了方便估算式与实验数据进行比较,需根据0.4040.2700.2070.119所有实验数据对公式结果进行单位的统一,下面是0.3540.2360.3060.104计算中用到的单位换算:87650.3030.2020.0.0891 gkg=2 054M/(aLoMNo)mg/m0.2530.1680.0.074(NO,)1so2=5.9(NO)/(20.9-(02)es)表3试验2燃料组分其中,1g/kg表示1g质量的NO,与单位质量燃料净比能/(MJ·m3)H2CO2燃料的比值;NO)和(O2)m分别表示出口NO,和氧气体0.326积分数。0.3540.4593经验公式验证0.2530.579对于不同NO,排放的估算公式,估算结果的准表4试验3燃料组分确性不仅与公式适用的燃烧室形式、燃料及燃烧方燃料净比能/(MJ·m3)COH2H20C2式有关,还与公式中参数的正确估算有很大的联系,0.4550.3030.1080.134如燃烧室主燃区的长度、燃烧区体积、主燃区温度以0.4040.2700.2070.119及主燃区空气流量等。准确地估算这些参数可0.3540.2360.3060.1以提高估算式的准确性。本文采用GE公司F级合成气燃气轮机燃烧室的NO,排放试验结果(如图10.2530.1680.5050.074所示)来校核NO排放经验公式的有效性和适用估算式中参数TnT4和过量空气系数α的确范围。定方法为采用 Chemkin中的 Chemical and Phase E图1是1990年GE公司在F级燃烧室上,以 quilibrium calculation模型来计算。过量空气系数aH2/CO/CO2为基本组分的燃料中掺混N2、水蒸汽或是在出口温中国煤化工,最后确定并者CO2,测试燃烧室的NO,排放特性(21。试验中保得出平衡后CNMHG和压力的设置持燃烧室出口温度在1400℃,测量在燃烧不同热来自F级燃烧至的多数,具俸但如表5。12燃气轮机技术第26卷表5估算参数往合成气中加入稀释剂CO2、水蒸气或者N2,P/PaTKv/m3×10△P1热释率以及火焰温度都会降低,且随着稀释剂量的1654637690.150.03增加,火焰温度会快速下降,有利于抑制热力型NO,。由于CO2的等压比热是N2的16倍左右,红4估算值与试验值比较外辐射吸收能力较强,在三体反应中的伴随效应较三组不同组分不同热值燃料下NO,排放的估N2强2,在相同体积分数的稀释剂下CO2的降温效算值与试验值随主燃区温度变化的比较,结果如图果要比N好。而根据热力型NO.的生成反应式2~图4所示。O+N2→NO+N、N+O2→→NO+0和N+10000OH—→NO+H可知,水蒸气与N2在燃烧温度达到定数值后都会促进NO的形成但是N2更强。由图5可以看出,水蒸气的稀释降温效果介于N2与CO2之间合成气组分及组分含量对于火焰温度有x尔雨很大的影响。由图1和图5可看到,主燃区火焰温度试验值与NO2排放随燃料净比能的变化趋势相似,也说明了合成气燃烧中生成NO,与主燃区温度密切相关。22002250230023502400245025002550图2试验1NO,随主燃区温度变化情况￥220Nx尔试验值60007000燃料净比能(kJmy图5燃料净比能与主燃区温度的变化关系图2~图4可以看出,随着主燃区温度的上升,式1式2、式5式7和式8的估算结果都是呈上升2100220023002400趋势,符合NO的排放规律;式6和式3则呈下降趋势,这与热力型NO,生成机理和实验数据不符;式4图3试验2NO,随主燃区温度变化情况几乎不随温度的变化而变化,原因是式4中与主燃区温度等都无关,只与进出口温度有关,也与热力型l000NO,生成机理和实验数据不符。式2和式7随温度变化也有变化但是斜率与试验数据曲线斜率相比过于平坦,不符合NO随温度变化的规律。式1和式8的斜率与试验曲线的斜率最接近,能比较正确的反应NO随温度变化的趋势,但是两者的估算结果都大大地偏离试验值,不能准确预测NO,的生成量式5在热值为5M/m3时估算结果与实验吻合较好,200021002200230024002500但随绝热中国煤化工K)后估算结果迅速增大,NMHGI NO,估算。图4试验3NO,随主燃区温度变化情况合成气燃烧中,合成气组分以及组分比例不同第1期合成气燃烧室NO,排放估算方法分析造成火焰温度有很大的不同,在合成气燃烧室中对于H2OK=-13.70727,B=0.00747;NO,的生成主要是热力型,因此在估算公式中,准确对于N2:K=-13.38317,B=0.00747地估算温度和选择正确的估算公式同样重要。对于不同的稀释剂,函数A与T4的函数关系不5NO3经验公式提出同。对于稀释剂为H2O时,利用文献[23]的试验结果进行拟合。在固定热值下,拟和ln(NO2)和燃烧由上面分析可知,所查的估算公式都不能直接室出口温度T的关系,从而得出K的具体表达式适用于合成气燃烧室NO,排放估算,为此需要提出结果如图7所示。新的经验公式。式5虽然在主燃区温度较低时能比较准确地估算NO,的排放但是主燃区温度往往很高,有必要提出一个在更高温度范围内可以反映合成气燃烧的预测NO,排放的经验关系式。由图1和图5可以看出,合成气燃烧室中NO,排放主要受主燃区温度的影响,同时随着燃烧室负荷的变化NO,的排放也会有变化。燃烧室的出口温度可以反映燃烧室的负荷变化。考虑这些因素估算公式初步假定的形式为3322NO, =ATexp( BT)70080090010001100120013001400150074k其中,A是与出口温度7有关的函数,B为图7出口温度与ln(NO,)拟合曲线常数。系数确定:根据GE试验得到的NO,排放值与最后,用H2O稀释时拟合得到NO,排放关系为:主燃区温度的变化关系曲线拟合。对上式两边取对ln(NO,)=0.002587+0.07477-17.31927数,得(3)In(No,)=ln(at)+Bt(2)相应N2稀释时图1中出口温度为定值,因此ln(A7)为定值,ln(NO2)=0.0025874+0.007477-169517设为K,(2)式变为In(NO,)=K+Bt(3)相应CO2稀释时:hn(NO)=0.0025874+0.00747T-17.69844(5)若是混合稀释按稀释剂的百分比加权平均:hn(NO2)=0.0025874+0.00747Tm-(17.31927X0+16.9951X(6)表6是中科院先进能源动力重点实验室进行的F级燃烧室试验所采用的合成气燃料的组分。试验中燃烧室进口压力为15845kPa,进口温度为68546K。200021002表6燃料组分图6主燃区温度与In(NO2)的关系COH2CHa从图6中可以看出,相同主燃区温度下,不同的比例0.3490.1000.089稀释剂对于NO4的排放还是有所不同,CO2最好,H2O次之,N2最次。但是,绝热火焰温度对ln(NO,表7试验结果与估算值比较排放曲线斜率的影响在不同的稀释剂条件下是相同估算值主燃区温度中国煤化工误差/的,将三条线线性拟和得YHCNMHG对于CO2:K=-14.08644,B=0.00747;2094.79.77863.214燃气轮机技术第26卷计算结果如表7所示,计算结果与实验结果吻8] Lefebvre arthur H. The role of fuel preparation in low-emission合很好,证明了公式的有效性。公式的应用条件之combustion[ J]. ASME, Paper 95-GT-465, 1995为合成气燃烧室,对于公式中参数范围仍需进[9 Rizk N. K. and Mongia H C, Semianalytical correlations for NOCO and UHC emissions[ J]. ASME, Paper 92-GT-130, 1992.步验证。[10] Mongia H. C, Combining Lefebvre,'s correlations with combustor6结论CFD[J]. AIAA, Paper 2004-3544, 2004[11 Steele R C, Malte P C, Nicol D G, et al, NO, and n2o1)由GE实验数据可以看出合成气燃烧室NO,lean-premixed jet-stired flames [J]. Combustion and Flame排放受主燃区温度影响很大,且合成气组分以及组[12] Shehata M, Emissions and wall temperatures for lean prevapor-分含量不同NO,的生成率也有很大不同。ized premixed gas turbine combustor[ J]. Fuel, 2009, 88: 4462)由所査得估算公式的计算结果与GE实验结果的比较可以知道,文中查得的估算公式都不适[13us.c, Williams F. A and Gebert K, A simplified, amen用于估算合成气燃烧室NO2的排放tally based method for calculating NO, emissions in lean premixedcombustor [J]. Combustion and Flame, 1999, 119: 367-3733)提出适合于合成气扩散燃烧的燃气轮机燃[14]陈晓丽,祁海鹰谢刚,等DLN燃烧室污染物排放估算方法烧室NO,排放估算公式,公式如下所示:析[J].热能与动力工程,2010,25(6)599-60n(NO,)=0.002874+0.00747T[15 Jones Robert M, Shilling Norman Z. IGCC Gas Turbine for Re(17.31927xno+16.99517Xy2+finery Applications [R]. GE Power Systems. GER-421917.69844Xco,)[16]雷宇徐纲房爱兵,等,燃气轮机合成气燃烧室动态特性的实验研究[门].工程热物理学报,2005,26(6):1057-1060用该公式进行NO,排放预测时与试验值吻合[17]徐纲,俞镔,雷宇,等,合成气燃气轮机燃烧室的试验研究很好但公式有效性以及参数的范围有待进一步[J].中国电机工程学报,2006,26(17):100-105验证。[18] Whitty K J, Zhang H R and Razdan M K, Emissions from syrgas combustion[J]. Combustion Science and Technology, 2008参考文献:voL.180:1117-1136[1] RizkN. K. and Mongia H. C, Three-dimensional NO, model for [19] Rizk N K, Chin IS Marshall A W, et al, Predictions of Norich/lean combustor[ R]. AlAA, Paper-93-0251, 1993formation under combined droplet and partially premixed reaction[2] Lefebvre Arthur H. Gas Turbine Combustion [M]. 1998, Taylorof diffusion flame combustors[J]. Jourmal of Engineering for Gasfrancis USATurbines and Power. 2002. 124:31[3] Rizk N. K. and Mongia H. C, Emissions predictions of different[20] Todd D M, Gas turbine improvements enhanced IGCC viabilitygas turbine combustors[R]. AlAA, Paper94-0118, 1993[RJ. GE Power Systems. 2000[4 Rizk N. K. and Mongia H. C, NO, model for lean combust[21 Cook C S, Corman J C and Todd D M, System evaluation andconcept[ J]. Jourmal of Propusion and Power, 1995, 11(1): 161LBTU fuel combustion studies for IGCC power generation[J]Jourmal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1995, 117:673-577[5] Allaire D. A, A physical-based emissions model for aircraft gasturbine combustors[ D]. Massachusetts: Massachusetts Institute of[22]安江涛蒋勇邱榕等,CO2稀释及合成气构成对预混燃烧特Technology, 2006性的影响[J].燃烧科学与技术,201,17(5):437-442[6]Sullivan D. A, A simple gas turbine combustor NO, correlation in. [23 Savelli J F, Touchton G L, Development of a gas turbine com-cluding the effect of vitiated air[ J]. ASME, Paper 76-GTbustion system for medium-Btu fuel[ C]. Intemational Gas Tur5.1976bine Conference and Exhibit. Houston. TX. USA. 18 Mar[7] Mellor A. M, Semi-empirical correlations for gas turbine ersions, ignition, and flame stabilization[ J]. Progress in Energy and(下转第26页Combustion Science. 1980. 6: 347-358中国煤化工CNMHG26燃气轮机技术第26卷Research and Improvement of performance ofMicro-Turbine Combustor Premixing StructureKANG Zhen-ya, ZHENG Hong-tao, JIA Xiang-yu, TANG Zhong-bin, HU Xiao-mingCollege of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)Abstract For the design of micro-combustor, numerical simulation of the Osaka University experiment and the optimization of itsstructure are carried out based on the conclusion of common engineering structures. The result shows that the fuel injection rate is inde-pendent of the position of injection holes in the premixed structure; while there is positive correlation between the fuel injection rate andareas of injection holes. Moreover, positions and diameters of injection holes have sigmificant influence on the premixing non-uniformityof fuel and air mixture. Through comparison of the maximum temperature in reacting zone and pollutant emission index of two improvedstructures, it is found out that the reduction of premixing non-uniformity has significant influence on combustion performance and reduction of maximum temperature Therefore, intensifying premixing and reducing non-uniformity by improving the structure of combustorcould lower maximum combustion temperature, though COemission will Increase.Key words: micro-turbine; combustor; DLE; premixing mode; unmixedness(上接第8页)Fault Analysis of Starting Procedure for A Marine Gas TurbineZHU Wei-jun, YU You-hong(1. Unit No 91959, Hainan Sanyan, 572000, China2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: The Gas turbine starting procedure includes motor drive, air compression, ignition and burning, turbine acceleration, etcIn the starting procedure that from static condition to dynamic condition, the electric energy and the fuel chemical energy convert to themechanical energy, and it is a sharp physicochemical change and an easily failing process. Based on analysis the gas turbine startingharacteristics, the probability fault types and reasons during starting is analysed. To analyse typical fault, the precautions and recom-mendation in real manipulation and operation are given in this paper.Key words: marine gas(上接第14页)Analysis of the Methods for Estimating Nox Emissions from Syngas CombustorLin Qing-hua,2, 3, ZHANG Zhe-dian2,,XIAO Yun-han(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Key Laboratory of Advanced Energyand Power, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3. Research Center for Clean Energy and Power, Chinese Academy of Sciences, Jiangsu Lianyungang 222069, China)Abstract: With regulations governing No, emissions becoming more stringent, it's more important to estimate NO, emissionsprocess of design gas turbine combustors. Correlations for NO, emissions predictions mostly were derived from data based on combiexperiments burned liquid fuel or natural gas. So it needs validation before using these correlations to predict NO, emissions from gasturbine combustor burned syngas. Compared these correlations results with NOn experimental data from GEs F-class combustors burned syngas, the results showed that all correlations appeared in this paper cant accurately predict NO, emissions from syngascombustors. Based on the GE's experimental data, a new correlation is proposed wisyngas combustors. Further validation of the correlation effectiveness and the scopeYH中国煤化工No, emissions fromCNMHGKey words: NO, emission predictions; gas turbine combustors; syngas