氮气稀释富氢合成气高压燃烧特性数值模拟

第43卷第11期热力发电Vol 43 No2014年11月THERMAL POWER GENERATIONNov.2014氮气稀释富氢合成气高庄燃娆痔性数值模拟付忠广,卢可,周扬,朱一鸣,刘雪琦(华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心,北京102206)摘要]为研究高压下氮气稀释富氢合成气的微混合燃烧规律,利用常压燃烧试验校正模型对不同压力、功率和当量比下的温度场、火焰形态以及污染物排放进行了计算分析。结果表明,随着压力的升高,燃烧器火焰温度和岀口温度先升髙后略微下降,火焰宽度逐渐变小,火焰高度有增大趋势,NO,排放指数升高,但在压力>14MPa时,趋势变缓。[关键词]lGCC;氮气稀释;富氢合成气;高压燃烧;微预混;NO排放;数值模拟中图分类号]TK16[文献标识码]A[文章编号]1002-3364(2014)11-0019-05[DOⅠ编号]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整体煤气化联合循环(lGCC)是未来能源清洁硏究了在1~60个大气压下压力和重力对甲烷-空高效利用的重要发展方向。燃气轮机作为lGCC系气同向层流扩散火焰结构的影响。 McCrain l i统中最重要的一环,成为目前研究的重点。由于材等利用激光诱导炽光法(LI测量甲烷/乙烯燃烧料的限制,依靠提髙燃气初温提升燃气轮机及其联的层流扩散火焰中压力提高对烟灰产量的影响,并合循环效率的方法具有很大的局限性。提高压力成观测到了压力对火焰形态的影响。 Kevin a thom为另一条途径。而釆用氮气稀释的微混合燃烧也是son等利用光谱烟灰排放(SSE)和视线衰减降低富氢燃料燃烧排放的一般手段。 Marc j(L.OSA)测量法对0.5~4MPa内非预混的甲烷/空Charest等(通过数值模拟求解未修正全耦合方程,气中国煤化工度进行了研究。烟灰收稿日期:2014-06-30THCNMHG基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(13XS09,2014ZZD0)作者简介:付忠广(1963—),男,汉族,北京人,博士,教授,主要从事洁净燃料发电技术的教学与研究。Fuze热力发电2014年温度测量结果显示整体温度随压力提高而増大,但为烟气岀口,呈圆柱形状。在圆柱侧面设置了水平火焰高度越大时,温度增长速率会变慢。 Hyun I.取样孔,用来收集尾部烟气以及测量烟温Joo等研究了在宽压力范围中压力对同流甲烷空1.2计算模型气层流扩散火焰温度场结构和烟灰形成特性1)首先采用 Gambit软件建立燃烧室模型并进为了进一步提高现有IGCC系统效率,采用高行网格划分(图2)。其中三维矩形燃烧室的尺寸为压力、提高机组参数也是一个非常有意义的发展方200mm×200mm×300mm,底部由25组旋流喷向。通过提高进入燃烧室合成气及空气的压力,从嘴组成,按照5×5矩阵分布,每组喷嘴包含8个空而提高进入透平燃气的压力,可以有效地增大透平气喷口,均倾斜20°。网格划分采用结构化六面体的输出功率。然而,采用高压力则意味着高压燃烧,网格,在燃烧器附近采用加密处理,网格总数量约为高压力下合成气的燃烧将不同于常压燃烧,相同工106万况下燃烧更为剧烈,燃烧温度更高且更难以控制。由于富氢合成气燃烧本身存在NO污染问题,因而在高压下污染物产生可能会更多。对此,本文通过数值模拟研究了高压力下氮气稀释富氢合成气的燃烧特性及燃烧规律。数值计算模型1.1燃烧器结构以图1所示的25孔微混合燃料喷射旋流燃烧器为例,对其常压下的燃烧进行试验研究。该燃烧器共设置了25组射流喷嘴,成5×5矩阵型排列,且每组喷嘴中的空气喷口均倾斜20°,以产生旋流效图2燃烧室模型及网格果。每个喷嘴均由1个中心燃料小喷口和周围环绕Fig 2 Mesh generation of the combustor model的8个空气喷口组成。燃料喷口直径为2mm,空2)将25个中心喷口设置为燃料速度进口,8×气喷口直径为1.22mm,燃料喷口与空气喷口的距25个旋流喷口设置为空气速度进口,矩形燃烧室的离为6.6mm最上端面为出口。此外,采用壁面函数法对流场边界壁面进行处理,流场中存在的非线性问题采用欠取样口燃料喷口松弛方法。最后对计算的收敛标准进行设定,取能量方程的残差值小于10-6,其余各项残差值小于空气喷口200mm单个喷嘴10石英窗F3)由于流场具有很强的旋流特性,因而根据文献[7-8]采用标准kε湍流模型进行湍流流动模拟计算穹气你4)采用涡耗散模型③对燃烧进行数值模拟,则反应r中物质i的产生速率R为@你Ri.r= min vi. Ap mingY喷嘴分布Ap,M、ABp2Y(1)图1喷嘴微混合燃料喷射燃烧器结构式中仟何,种产物的化学组分;YR为某种产Fig. 1 Structure of the micro-mixing fuel物中国煤化分子量;v,和v"分injecting combustor and injector别CNMH反应物和生成物化学燃烧室为立方体结构,在中间部分的3个面设恰当比系数;A、B为经验常数,分别取4.0和0.5。有耐高温石英玻璃观察窗,以便观察和测量。上部5)采用P-1辐射模型进行合成气燃烧模拟计http://www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicals.net.cn第11期付忠广等氮气稀释富氢合成气高压燃烧特性数值模拟算。采用灰气体加权平均模型( weighted-sum ofgray gases model, WSGGM)计算气体的吸收系数,1300该模型根据压力以及对辐射有吸收能力的气体组分的浓度来计算气体的吸收系数10口丑100015 kW15kw20kW10020kW1.3模型验证25kW25kw利用现有的合成器常压燃烧试验台对常压燃烧0.50.60.70.80.91.00.50.60.70.80.91.0当量比当量比进行试验,监测不同当量比下的出口温度,并与根据a)压力5MPab)压力14MP上述模型计算出的出口温度进行对比,结果见图3图4燃烧器出口温度与当量比的关系Fig.+ The influence of equivalent ratio on outlet temperature2.2温度与压力的关系在一定的当量比下,出口温度和火焰温度随压力的变化规律如图5所示。从图5可见:在0.1--15kW计算值l0MPa范围内,出口温度和火焰温度随着压力的增20kW计算值加而迅速升高;在10~14MPa范围内,压力的提高-25kW计算值使复合反应增强,辐射损失增大,出口温度及火焰温◆25kW实测度的升高速率减慢,温度几乎保持不变甚至略有下当量比降;当压力大于14MPa时,燃烧室内辐射损失快速图3常压下出口温度与当量比关系增大,火焰温度显著下降。这是因为根据泽尔多维Fig 3 Relationship between the outlet temperature奇一弗兰克一卡门尼茨基提出的预混火焰传播速度and equivalent ratio at atmospheric pressure与压力的关系取决于化学反应级数,对于大多碳氢从图3可见,在15、20、25kW3个功率下,出燃料,反应级数小于2,其火焰速度随压力增加而降温度随当量比的变化规律一致,即随当量比的提高,低。辐射的影响会随着速度梯度的降低越来越明出口温度升高。从数值上看,本文的数值模型在常显,因此在考虑热辐射损失的条件下,随着压力的升压下的计算结果比试验结果略高,这是因为数值计高,火焰温度先升高然后逐渐平缓下降算未计算环境的热损失。可见,数值计算与试验1200结果基本吻合,因此认为本文建立的数值模型是合1000理的。15kW15kw2结果分析-20kw+25kW+25kW利用数值模拟 Fluent软件对当量比分别为1、0.83、0.71、0.63、0.5,功率分别为15、20、25kW,压压力/MPa压力MPaa)当量比0.63力分别为0.1、1、5、10、14、20MPa工况下的燃烧器b)当量比0.71温度场、火焰形态以及NO排放进行模拟计算,分析在高压下氮气稀释富氢合成气的燃烧特性165016002.1温度与当量比的关系图4为压力分别在5、14MPa下燃烧器出口温15kW绥150015kW20kW度与当量比的关系。从图4可见,在不同压力下,出-25 kw25kW1350口温度均随着当量比的增加而升高,这是因为随着当量比的増加空气流量减少,旋流射流速度降低,使中国煤化工压力/MPa得气体在燃烧器内的停留时间增加,反应时间变长CNMHGd)当量比0.71ml火焰温度的影响同时,空气流量减少也会使热量随空气扩散的速度Fig. 5 The influence of pressure on outlet temperature变慢,因此温度升高and flame temperaturehttp://www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicals.net.cn热力发电2014年2.3火焰半径较大贡献,因此NO生成速率和排放指数仍然呈上图6为压力对燃烧器火焰宽度的影响。从图6升态势,但趋势逐渐变缓。可见,压力越大,火焰的宽度越小。这是因为高压会1400使火焰的弗劳德数变小,浮力作用增大,浮力对火焰当量比0.71,功率25kW当量比0.83,功率20kW的影响作用超过重力,因此在浮力的作用下火焰向中心线靠拢并向高处延伸,火焰半径逐渐变小。800+15kw204001620kW日1815kW起兰25kW日16-20KW5kW图8NO4排放指数与压力关系压力/MPaFig8 The relationship between NO emission index and pressurea)当量比0.71B)当量比0.83当量比0.71,功率25kW图6压力对火焰宽度的影响当量比0.71,功率25kW,热力型NO25kW快速型NOFig. 6 The influence of pressure on flame radiusE604-+当里比3率kW热力0火焰高度图7为延燃烧器轴线的温度分布。从图7可见,火焰最高温度点的高度随着压力的增大而变高。这说明在一定当量比和功率下,火焰高度随着压力的提高而增大。这是因为压力越大,弗劳德数越小浮力对火焰的作用力越强,火焰向上延伸距离增大,压力/MPa火焰高度则越高。本文计算时未考虑烟灰,因此火图9NO2生成速率与压力关系焰高度未做精确性统计。Fig 9 The relationship between NO, formation rate and pressure3结论1600·“sa1)提高压力,火焰温度和出口温度先升高后略微下降。其中压力低于10MPa时,温度升高速率1000较快;压力在10~14MPa时,温度升高速率降低IMPa75MPa温度基本不变甚至略有下降;压力高于14MPa时b 10 MPa414 MPa温度有所下降。在高压下,提高当量比,出口温度升●20Mpa火焰径向高度/m2)提高压力,火焰宽度逐渐变小,火焰高度有增图7不同压力下火焰径向温度分布大趋势,这是由弗劳德数随压力提高而变小所致Fig. 7 The flame radial temperature distribution3)随着压力的升高,NO的排放指数均升高。at different pressures在压力高于14MPa时,热力型NO2的生成速率降低,而快速型NO,依然升高较快,因此压力高于2.5NO,生成特性14MPa时NO生成速率和排放指数仍然呈上升态图8、图9分别为NO2排放指数及NO生成速率与压力关系。从图8、图9可见,随着压力的升中国煤化工高,NO的排放指数均升高;在压力>14MPa时,CNMHGL爹又献]热力型NO)的生成速率降低,快速型NO依然升[1]赵晓燕,李祥晟,丰镇平,等,燃气轮机低热值合成气燃高较快,而快速型NO,对总的NO生成速率有着烧室内三维湍流流动的数值模拟研究[].动力工程,http://www.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicals.net.cn第11期付忠广等氮气稀释富氢合成气高压燃烧特性数值模拟2009,29(4):330-334NO, emission of a multi-stage self- preheatingrnerZHAO Xiaoyan, LI Xiangsheng, Feng Zhenping. 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