燃气轮机燃烧室柔和燃烧机理与性能研究

【摘要】柔和燃烧具有排放低、燃烧稳定、烟气出口温度分布均匀、燃料适用范围广的特点,是燃气轮机燃烧技术的重要发展方向之一。本文针对燃气轮机燃烧室的运行条件,研究了柔和燃烧的热力学条件、化学动力学特性、流动条件以及模型燃烧室内柔和燃烧的实现与性能。论文具体工作如下：1.热力学条件和化学动力学特性研究建立了化学反应网络模型并进行了验证,研究了燃烧室运行条件变化对柔和燃烧热力学条件的影响,确定了B级、E+级、F级燃气轮机工况下实现柔和燃烧所需的烟气回流比例,分析了烟气回流比例对柔和燃烧点火延迟时间的影响,比较了柔和燃烧和传统燃烧的反应速率。结果表明,增加回流比例有利于柔和燃烧反应物初始温度的升高、反应温升的下降、反应速率的降低,导致柔和燃烧的点火延迟时间减少,因此提出了实现柔和燃烧应在热力学条件满足的基础上适当控制烟气回流比例、同时促进火焰抬升。2.流动条件研究建立了轴向分级概念燃烧室,针对CH4燃料,研究了掺混方式、烟气回流比例影响,针对10MJ/Nm3合成气燃料,分析了燃料射流速度影响。CH4柔和燃烧的研究表明,空气、燃料先分别和主流高温烟气掺混再接触有利于柔和燃烧的实现；回流比例的增加会延缓掺混区空气、燃料的直接掺混,有利于降低柔和燃烧区的OH*峰值、提高柔和燃烧区的OH*分布均匀性、抑制柔和燃烧区NO的生成,但回流比例过高会导致燃烧稳定性下降。10MJ/Nm3合成气柔和燃烧的研究表明,增加燃料射流速度有利于燃料和“高温低氧”氧化剂的快速混合,促进火焰的抬升、反应区的分散以及NOx排放的下降,但过高的燃料射流速度也会带来压损和CO排放升高的问题；燃料速度在199-299m/s之间有利于柔和燃烧的实现。3.模型燃烧室设计开展了冷态和热态计算,研究了燃烧室长宽比、喷嘴相对位置、喷嘴间距、空燃动量比对掺混和燃烧性能的影响。结果表明,燃烧室长宽比主要影响空气速度在燃烧室长度方向上的衰减,长宽比为1.1的模型燃烧室能充分利用燃烧室空间来组织流场,其空气射流速度在燃烧室长度方向上恰好完全衰减。燃料喷嘴远离燃烧室中心线有利于燃料在燃烧室内部的充分燃烧。增加空气、燃料喷嘴间距可推迟空气和燃料的汇合,但考虑到反应物的充分燃烧,增加喷嘴间距的同时也应保证空气喷嘴偏离燃烧室中心线一定距离。降低空燃动量比会推迟空气和燃料的汇合、促进反应区的分散、降低峰值火焰温度和CO排放。总体上,降低空燃动量比有利于柔和燃烧的实现。4.模型燃烧室性能加工模型燃烧室,开展实验研究了空燃动量比、当量比、空气预热温度、燃料种类对合成气柔和燃烧性能的影响。结果表明,降低空燃动量比有利于主反应区向燃烧室下游移动,促进CO排放降低。当量比影响方面,增加当量比有利于着火时间推迟、反应温度降低和反应区体积增大,贫燃条件下实现了合成气的柔和燃烧。空气预热温度升高会导致NOx排放升高、CO排放降低,但即使空气预热了,燃烧室内部的热力学条件、化学动力学特性和流动条件仍然是满足的,所以合成气在空气预热条件下也能实现柔和燃烧。柔和燃烧室应用于不同热值合成气时,随着热负荷的增加,反应区体积增大,NOx排放保持在低水平,所以综合来看,柔和燃烧适用于不同热值的合成气。
【作者】黄明明；
【导师】肖云汉；张哲巅；邵卫卫；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），热能工程，2014，博士
【关键词】柔和燃烧；空燃动量比；空气预热；合成气；扩散燃烧；

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