合成气柔和燃烧实现条件数值研究

第27卷第1期《燃气轮机技术》Ⅴol.27No.12014年3月GAS TURBINE TECHNOLOGYMar.,2014合成气柔和燃烧实现条件数值研究黄明明2,邵卫卫3,张哲巅,熊燕…,刘艳'3,肖云汉1.中国科学院能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;2.中国科学院大学,北京1001903.中国科学院能源动力研究中心,江苏连云港222069)摘要:运用 Chemkin程序建立空气分级、带烟气回流的燃烧模型,研究4种燃料、2种空气预热温度、3种工作压力下实现柔和燃烧所需的烟气回流比例。主当量比增加时,回流烟气的温度升高,氧摩尔分数降低,有利于为柔和燃烧创造¨“高温低氧”的氧化剂气氛,导致转捩回流比例降低。对于氢气燃料,相同烟气出口温度时,增加工作压力,转捩回流比例会升高,转捩NO排放降低,这可能和回流烟气的氧摩尔分数降低有关关键词:柔和燃烧;合成气;敏感性分析;NO、排放中图分类号:V231.2+5文献标识码:A文章编号:10092889(2014)01001606整体煤气化联合循环( Integrated Gasification氮气,研究经CO2或氮气稀释的烃类燃料柔和燃烧Combined Cycle,IGCC)中煤气化产物合成气中的氢的NO、排放特性,结果为NO排放降低,火焰亮度气含量受煤炭种类、气化工艺的影响在15%~50%降低。G.G.Sve6研究柔和燃烧用到经氮气或之间变化-2。如果合成气燃气轮机采用稀预混燃CO2稀释的天然气燃料,利用实验数据分析空气预热烧,氢气含量的变化引起预混火焰传播速度波动导温度对燃烧场温度分布的影响,结果表明在没有空气致燃烧不稳定和破坏性回火,影响安全稳定工作,因预热时即可得到较为均匀的温度分布。综上所述,学此燃机厂商大都采用稀释扩散燃烧技术。该技者多关注甲烷等烃类燃料的柔和燃烧特性,对合成气术由于需要添加稀释剂,运行成本会相应地增加;从柔和燃烧研究较少。为了探索IC背景下合成气环境保护的角度出发,需要进一步降低NO.生成,燃气轮机采用柔和燃烧技术的可行性,有必要开展数从而不得不添加更多的稀释剂,导致不稳定燃烧;另值模拟工作,为后续实验探究提供基础数据。本文建外,从工程应用的经验来看,该技术很难将NO、排放立空气分级、带烟气回流的燃烧模型,数值研究合成降到1.0×10以下。鉴于以上问题,有必要探索气燃料实现柔和燃烧所需要的条件,即回流多少比例NO、排放更低的燃烧技术。柔和燃烧是反应物亼口的烟气能实现柔和燃烧,最后综合回流比例和NO温度高于自燃温度、反应最高温升低于自燃温度的燃排放数据得到空气分配规律烧反应。反应物温度高于自燃温度,不存在燃烧稳定性的问题;温升低以致NO、排放和噪声较低。1模型的建立和计算条件作为一种新型燃烧方式,柔和燃烧引起国内外1.1建立模型和模型介绍学者的普遍关注。B.B.Dls, Amir mardani,研究的燃料是:10MJ/m3合成气(纯氧气化产P.Shia,YYu“研究柔和燃烧都用到甲烷/氢物)5Mm合成气(空气气化产物),氢气(10气混合物燃料。除了甲烷/氢气混合物燃料外,NPe°往甲烷、乙烯丙烷3种燃料中掺混CO2或m中国煤化工气氮气混合物(5MJCNMHO燃料的组分配比如表1收稿日期:20130509改稿日期:20130528基金项目:国家自然科学基金(51006104)作者简介:黄明明(1987-),男,博士研究生,学士,主要研究方向为燃气轮机燃烧室设计。E-il:huangmingming@iet.cn。第1期合成气柔和燃烧实现条件数值研究17所示,净比能均为标准状况下数值。运用 Chemkin软ⅣSR3是模型中的主燃烧区,SR4是辅助燃烧件,建立空气分级、带烟气回流的燃烧模型,通过调区,而FSR1和PSR2主要起掺混作用,因此PSR1和节回流比例,借助柔和燃烧判别准则,得到不同燃PSR2的反应器停留时间应设得小一些,为0.0005料、预热温度、工作压力下实现柔和燃烧所需要的烟预设温度也应该低一点,为300K;PSR3和PSR4的气回流比例(以下将实现柔和燃烧的最小回流比例停留时间设为0.1s,预设温度为1600K。1600K简称为转捩回流比例)。本文利用数值计算结果分预设温度起到辅助点火源的作用,只要氧浓度和燃析燃料种类、空气预热温度、工作压力、烟气岀口温料浓度合适,燃烧就会被激发。而PSR1中的300K度对转捩回流比例、NO排放的影响。燃烧模型中,预设温度起不到点火源的作用,且从PSR3流入的空气分两级进入燃烧系统,结合转捩回流比例和回流烟气中可燃物浓度太低,很难发生燃烧,导致NO、排放数据,得到空气最佳分配比例,为后续柔和PSR1中只掺混不反应;PSR2的预设温度也为燃烧实验研究提供数据参考。300K,但由于有新鲜燃料进入,即使没有辅助点火表1燃料配比源,只要从PSR1流出的氧化剂温度高于混合物自燃温度也能燃烧。10MJ/m3合成气38%48%14%模型中,空气从PSR1和PR4分两级进入系氢气统,质量流量分别记为mn和ma,FSR2的入口燃料5MJ/m3合成气质量流量记为m,定义主当量比46%me/mal注:将10MJ/m3合成气、氢气、5MJ/m3合成气、氢气/氮气分别(2)(mr/mu)ste简称为F1、F2、F3、F4式中:(m/mn)。是化学当量的燃-空质量流火焰面弥散是柔和燃烧的重要特点之一,在忽量比。中m实际上是图1中PSR1、PSR2和FR3组略燃烧室内轴向和径向的较小温度差距时,可以假成的子系统的当量比。如果空气不分级,即PSR4设燃烧室内各点温度相等。因此,可以用 Chemkin的入口空气流量也从psR进入系统,此时PSR4.1.1中的全混流反应器( Perfectly Stirred Reactor,PsR和PR3组成的子系统的当量比为:ⅨR)模拟柔和燃烧过程。本文用到的模型结构如图1所示。该模型由4个PSR组成,其中PSR3模拟柔和燃烧过程,PSR3产生的烟气部分回流到显然,Φ。>Φ',因此,空气分级时回流烟气PSRI和空气掺混掺混后形成的氧化剂进入FR2温度T3大于不分级时回流烟气温度T”,这样空气和燃料混合然后进入主燃烧区FR3燃烧。FR4分级时回流更少的烟气就可以实现柔和燃烧。可利用二次空气继续氧化PSR3产生的烟气,确保燃见,图1柔和燃烧模型采用空气分级的优点是有利料充分反应。回流烟气的作用主要有两个:预热空于实现柔和燃烧。气到一定温度,降低空气中氧气的摩尔分数。模型计算条件中的烟气回流比例用r表示,定义运用以上模型,本文计算7个算例,各算例的工况参数设置如表2所示。算例1~4的结果比较4种不同燃料的柔和燃烧转捩回流比例,算例1和5式中:m31是从PSR3流向PSR1的质量流量,’的结果比较不同空气预热温度下的柔和燃烧转捩回m24是从R3流向PSR4的质量流量。流比例与NO、排放,算例2、6和7的结果比较不同气psR工作压力下的柔和燃烧转捩回流比例。中国煤化工度为1373K时,图1燃料」PSR2PSR4烟气CNMHG量m=1.27g/s,在PSRI的入口空气质量流量ma与PSR4的入口空气空气质量流量m2的和保持10g/s不变的情况下,mn从10g/s减小到4.9g/s,主当量比Φnm相应的从图1柔和燃烧模型0.369增加到0.75。Φmm=0.369时,烟气温度是燃气轮机技术第27卷1373K,如果回流比例r太小,比如r=0,这时高,进人PSR2足以让燃料自燃,且产生一定温升298K的空气在ⅨSR中和298K的燃料掺混,由于时才可以认为实现了柔和燃烧。本研究正是借助温度太低不会燃烧,只有进入PSR3在有1600K辅FSR2中发生自燃、产生温升这一特征建立柔和燃助点火源的情况下才发生燃烧反应,这种燃烧反烧的判别准则:PSR2的出口温度T2高于PSR1的应只是传统的预混燃烧反应,不是柔和燃烧。为出口温度T1。使T2≥T1的最小烟气回流比例称了在ⅣR3中实现柔和燃烧,得增加烟气回流比例为转捩回流比例,转捩回流比例对应的NO、排放当r增加到一定程度,有充足的烟气进入PSR1称为转捩NO、。和空气掺混,使得从PSR1流出的氧化剂温度足够表2各工况参数设置空气人口温度燃料入口温度作压力总空气质量流量燃料质量流量出口温度算例燃料/K10l3251.27-1.771373-16731232981013250.110~0.1511373~1673298l013252982.36-3.51373-16732981373-16730.110~0.1501373~16732982987092750.110~0.11373~16733反应机制GRI-Mech3.0机制的最优反应条件是:温度2结果和分析1000~2500K,压力1332~101325Pa,当量比2.1不同燃料的柔和燃烧实现条件0.1-~5。结合表2,本文的计算条件在 GRI-Mech图2(a),2(b),2(c),2(d)分别是燃料Fl3.0机制最优反应条件内。另外,该机制是天然气P2、F3、F4的转捩回流比例和转捩NO、排放随主当的详细反应机理,而合成气组分H2,CO,N2,CO2的量比Φ。的变化关系曲线,燃料和空气的入口温氧化机理包含在该反应机理内。因此,合成气柔和度、工作压力、燃料和空气质量流量按照表2中的算燃烧用该机制是恰当的。例1、234设定,图中r-1373K表示PR4的出口GRi-Mech3.0包含53种组分的325步基元反温度T4=1373K时的转捩回流比例曲线,NO、应,其中NO、的生成涉及热力型机理、快速型机理1373K表示T4=1373K时的转捩NO、排放曲线,和N2O中间体机理。热力型机理包含以下其他符号的意思类推。反应从图2(a)可以看出,对于10MJM合成气,T40+NNO+N1373K时,当Φ。从0.37增加到0.8时,转捩回N+oNO+o流比例从61%逐渐降低到31%。可见,主当量比增+OH—NO+H加时,只需要回流较少的烟气即可实现柔和燃烧,这N2O-中间体机理包含反应是因为:当Φ。m从0.37增加到0.8时,PSR3产生0+n2+MN,0+M的回流烟气温度从1380K增加到2128K,而回流H+N,ONO+NH0+n,oHH中国煤化工到3.5%,即回流烟气CNMH显著降低,如图3所费尼莫尔机理包含的主要反应是12示。从而只需要回流较少量的烟气,即可在PSR1CH+N,hcn +N出口形成柔和燃烧所需要的“高温低氧”氧化剂C+n,cN+N气氛。第1期合成气柔和燃烧实现条件数值研究450r-1373Kr-147350e60r-1673KNO-1373K350NO-1473K回300r-1373+203据50NO1653求+250320015030N:163K4030500.30.4主当量比主当量比(a)OMJ/m合成气b)氢气回NO-1373K30“NO1673多0.300.7091.11.30.8主当量比主当量比(c)5MJm合成气(d氢气氮气图2四种燃料转捩回流比例和转捩NO,排放随主当量比的变化关系250014排放对基元反应208:NNH+0=NH+NO的敏感系数为正数且最大,说明该基元反应对NO排放有显著促进作用。Φm=0.6时,NO排放对基元反明1500应178:0+N2NO+N的敏感系数最大,而这个1000基元反应正是热力型NO、生成机理中的重要反应500之一,说明此时热力型机理对NO生成的作用开始占主导。从反应器温度的角度来看,Φmm=0.550.50.7时,73=1750K,Φmm=0.6时,73=1839K,可见当主当量比反应器温度超过1800K以后,热力型NO的生成对图3回流烟气温度和氧摩尔分数随主当量比的变化关系NO排放逐渐起主导作用,这一结论和 Stephen R观察图2(a)中的4条虚线,可以看出:主当量Tum2理论分析的结果一致。当Φ。m=0.7时,比增加时,转捩NO排放上升,且Φ=0.55-0.7基元反应178对NO排放起绝对的主导作用,而NO范围内,上升的很明显。PSR3的反应器停留时间最排放对其他基元反应的敏感系数越来越小。此时的长,且反应温度最高,所以NO主要在这个反应器中国煤化工度高于1800K后,随中产生。为了解释=0.5-07范围内NO着温CNMH GO生成反应对NO排排放明显上升的原因,对T=1373K时,PSR3中放的贡献将越来越突出。NO排放进行敏感性分析。敏感性分析中,得到综合图2(a)中的转捩回流比例曲线和转捩Φυ-=0.55,0.6,0.7三个主当量比下NO排放对基NO、曲线,当Φ。增加时,转捩回流比例减少,即更元反应的敏感系数,结果表明,Φ。=0.55时,NO易于实现柔和燃烧,但转捩NO.会相应的升高。因燃气轮机技术第27卷此,Φ。不是越大越好,权衡转捩回流比例和转捩(预热温度)是节约能源的重要措施之一。选取空NO3,选取Φ。=0.6是比较合适的,此时的NO排气预热温度T=623K,利用图1模型,探索T放为24×10-3左右,烟气回流比例为39%左右(权623K下10M/m合成气燃料柔和燃烧实现条件衡转捩回流比例和转捩NO3,选取合适Φ的依据燃料、空气的质量流量按照表2中算例5输入,得到是控制NO排放在2.5×10以内)的结果和Tm=298K的比较,分析空气预热温度对从趋势上看,图2(a)和2(b)中的曲线相似,同柔和燃烧实现条件的影响。样的思路分析图2(b)中的曲线。权衡转捩回流比图5和图6分别比较了两种空气预热温度下的例和转捩NO,选取Φ。=0.6较恰当,此时的NO、转捩回流比例和转捩NO排放。由图5可以看出排放为1.6×10-3左右,烟气回流比例为42%左右。Φm相同时,Tm=623K下的转捩回流比例较T对比图2(a)和2(c)中的数据发现,T和④298K小;而图6中,中m相同时,Tm=623K下的转相同时,5M/m合成气的转捩回流比例高于10捩NO.排放较Tm=298K大。它们都是因为相同MJ/m3合成气,而5MJ/m3合成气的转捩NO,低于主当量比下增加空气预热温度以后,回流烟气的温10MJ/m2合成气。这可能和回流烟气的温度有关,度升高。可见,增加空气预热温度有利于实现柔和图4给出了T=1373K时,两种合成气的T3随主燃烧。当量比的变化关系。从图中可以看出,Φm相同时,10MJ/m3合成气的回流烟气温度高于5MJ/m3605298K,1373K98K,1473K298K,573K合成气,因此回流更少的烟气就可以让PSR1流出-298K,1673K623K,1373K的氧化剂和燃料在PSR2中掺混后的混合物的温度-623K,1473K--623K,1573K高于其自燃温度,实现柔和燃烧,导致前者的转捩回△-623K,1673K流比例较小。另外,整个反应器模型中PSR3的温度最高,NO、也主要在R3中产生,因此PR3的工作温度决定了NO、排放,10MJ/m合成气的T3050较5MJ/m3合成气高,导致前者的转捩NO、高于后者。主当量比2200I0MJ/m图5两种空气预热温度下转捩回流比例2000-298K,1373K型1600-298K,1473K298K,1573K140298K1673K623K,1373K1200-623k.1473K-623K,1573K主当量比图4两种合成气T3随主当量比的变化综合图2(c)中的转捩回流比例和转捩NO曲主当量比线,权衡转捩回流比例和转捩NO3后,选取Φnn=而执沮下的转捩NO排放0.75比较合适。图2(d)给出了氢气/氮气的转捩中国煤化工5和图6中的转捩回回流比例和转换NO随主当量比的变化关系,分析流比,NMHG思路和图2(c)类似,不再赘述。权衡转捩回流比例比例又不会使得转捩NO.排放过高的情况下,选取和转捩NO3后,选取Φm=0.85较合适。Φ=0.52.2不同空气入口温度的柔和燃烧实现条件2.3不同工作压力的柔和燃烧实现条件燃气轮机实际工作条件中,提高空气入口温度高压是燃气轮机实际工作条件之一,本部分研第1期合成气柔和燃烧实现条件数值研究究F2燃料在两种工作压力P=405300Pa和P=降低。709275Pa下的柔和燃烧实现条件。温度和压力按(2)主当量比增加后,转捩回流比例降低,更易照表2中算例6和算例7中的数据输入,10g/s空于实现柔和燃烧,但是转捩NO、排放相应的升高气都从图1中的ⅨR1进入模型,即空气不分级。因此主当量比不是越大越好。权衡转捩回流比例和PSR2中的燃料流量按照表2中的数据供给,分别得转捩NO排放,10MJ/m3合成气、氢气MJ/m3合到四种烟气出口温度。即当m=0.110g/s,m1成气、氢气/氮气4种燃料的主当量比应该分别设为10g/s时,T4=1373K;m=0.123g/s,mn=10g/s0.60.6、0.75、0.85时,T4=1473K;m=0.136g/s,ma1=10g/s时,T4(3)对于氢气燃料,相同烟气出口温度时,增加=1573K;m=0.150g/s,ma=10g/s时,T=工作压力,转捩回流比例会升高,转捩NO3排放降1673K。在以上条件下,得到不同烟气岀口温度下低,这可能和回流烟气的氧摩尔分数降低有关。的柔和燃烧实现条件,并和常压(P=101325Pa)下以上研究结果是基于IGCC背景下合成气燃气的结果比较,结果如图7所示。从图中可以看岀,相轮机燃烧室柔和燃烧数值计算得到。研究用到的燃同烟气岀口温度下,工作压力从101325Pa增加到料是IGCC燃气轮机中常用的几种燃料,空气预热π09275Pa后,转捩回流比例略有上升,而转捩NO、温度、工作压力烟气出口温度也是基于IGCC燃气排放下降。为了解释其原因,比较了相同T4、不同轮机燃烧室的实际工作条件选取的,因此,本文的计压力(P=101325Pa和P=π09275Pa)下的回流烟算结果将为后续实验探究提供重要基础数据。气氧摩尔分数。结果发现,压力升高后,烟气的氧摩尔分数下降。而柔和燃烧的重要特征是混合物在温参考文献度高于自燃温度、氧浓度合适时发生自燃,氧摩尔分「1焦树建.论GCC电站气化炉型的选择[J,燃气轮机技术数的降低显然不利于自燃,因此需要回流更多的烟气。所以,图7中压力升高转捩回流比例升高,可能[2]郭树才.煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版社,1992:143和烟气氧摩尔分数的降低有关[3 Parkinson G. Gettingr coal gasification. Turbomachinary[4 Cavaliere A, Joannon M D. Mild combustion[ J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, 30: 329圣501--405305] Dally BB, Karpentis A N, Barlow R S. Strueture of turbulent nonpremixed jet flames in a diluted hot coflow[J]. Proceedings of theNO101325PaNO-405300Pa[6 Mardani A, Tabejamaat S. Effect of hydrogen on hydrogen-meth20NO-709275Pene turbulent non-premixed flame under MILD condition[J]. In1400[7] Sabia P, Joannon M D, Fierro S, et al. Hydrogen-enriched meth烟气出口温度压ane Mild Combustion in a well stirred reactor[J]. Experimental图7三种工作压力下的柔和燃烧实现条件比较Thermal and Fluid Science, 2007 31: 469-475[8 Yu Y, Wang G F, Lin QZ, et al. Flameless combustion for hy3结论[J]. International Journal of Hy本文建立空气分级、带烟气回流的柔和燃烧模91DB-me,rprN. Effect of fuel mixture on m-型,研究4种燃料(10MJ/m3合成气、氢气、5MJ/m合成气、氢气/氮气)、2种空气预热温度(298K、623中国煤化工K)、3种工作压力(101325Pa、405300P[10]CNMHG Operational characteristics of709275Pa)下的柔和燃烧实现条件,得到以下结论aparalleljetMildcombustionburnersystem[j].combustion(1)对于4种燃料,主当量比增加时,回流烟气nd Flame,2009,156:429-438的温度升高,氧摩尔分数降低,有利于为柔和燃烧创(下转第37页)造“高温低氧”的氧化剂气氛,导致转捩回流比例第1期基于 Matlab/ Simulink的微型燃气轮机动态仿真研究37机动态仿真研究[J].燃气轮机技术,2003,16(1):53Chengdu,sept.27-30,2011,779-788[7 J H. Kim, T.S. Kim, S T Ro. Analysis of the Dynamic Behav[9 Alberto Traverso, Aristide F. Massaro, Riccardo Sarpellini. Ex-ur of Regenerative Gas Turbine[ J]. Journal of Power and Enerternally Fired Micro-Gas Turbine: Modelling and Experimental Pe2001,215(3):339-346formance[ J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26( 16)[8 A Alimardani, H. Keshtkar, Babak Abdi, Optimization of Fuel935-1941ombustion in Micro-turbines[ C]. The Proceedings of Interna10]欧阳艳艳,张士杰,赵丽凤,微型燃气轮机动态模拟与分析ional Conference on Smart Grid and Clean Energy Technologie[J].工程热物理学报,2012,33(3):361-365Dynamic Simulation Study based on Micro-Turbine Using Matlab/SimulinkYAN Zhi -yuan, XIANG Wen-guo, ZHANG Shi-jie, XIAO Yun-han(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control, Ministry of EducationSchool of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China2. Key Laboratory of Advanced Energy and Power (IET), CAS, Beijing 100190, ChinaAbstract: Based on the platform of Matlab /Simulink, the model of each component was built, including compressor, combustionchamber, turbine and shaft model. And the dynamic model of micro turbine with the speed control system was developed. And then thedynamic responses to the stepwise load and load rejection were studiedTheto the load change process, and can be used as the model for the control system design and analysis. The speed control system meetsthe requirement of quick response and stability. The impact of combustion chamber gas heat inertia on dynamic performance was investigated. The result reveals that the impact can be ignored for the type of micro turbineKey words: micro-turbine; dynamic model dynamic response; heat inertia(上接第21页)[12] Stephen R. Turns.燃烧学导论:概念与应用:第二版[M].姚[1]GRI-MECH.[EB/OL].(2002-10-31)[20130328]ht强,译,北京:清华大学出版社,2009:137139Numerical Study on Realization Condition of Syngas MILD CombustionHUANG Ming-ming", SHAO Wei-wei", ZHANG Zhe-dianXIONG Yan LIU Yan, XIAO Yunhan(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3. Research Center for Clean Energy and Power, Chinese Academy of Sciences, Jiangsu Lianyungang 222069, ChinaAbstract: Combustion model with air staging and gas recirculation was established through CHEMKIN package and MILD combustionas recirculation ratio were determined for four fuels, two air preheated temperatures and three pressures. As main equivalence ratio increases, the temperature of the recirculatflue gas decreases, beneficial for the establishment of hot low oxygen oxidize中国煤化工 mole fraction of the hotLcritical gas recirculation ratio. For hydrogen fuel, pressure increment would elevate the critical equivaCNMHGNO emissions at the sameKey words: MILD combustion; syngas; sensitivity analysis; NO emissions