短環(huán)形燃燒室雙燃料燃燒流場污染物排放研究

權崇仁，宋少雷

（海裝沈陽局，遼寧 沈陽150078）

短環(huán)形燃燒室雙燃料燃燒流場污染物排放研究

權崇仁，宋少雷

（海裝沈陽局，遼寧 沈陽150078）

污染物排放研究一直都是燃氣輪機燃燒室的熱門課題。本文研究了短環(huán)形燃燒室分別混燒氫氣和裂解氣后對NOx排放的有利影響和不利影響。添加的氫氣質量分數(shù)分別為1%和10%，添加的裂解氣質量分數(shù)分別為1%、10%和15%。比較了使用不同燃油方案的燃燒室流場結果，分析了燃燒效率、出口溫度、NOx排放與其他燃燒室性能參數(shù)。結果證實氫氣可有效改進燃燒效率，但同時其易燃性與極快的化學反應速度又會導致火焰溫度升高以及NOx排放量增大，這一點違背了降低排放的初衷。而混燒裂解氣既可保留氫氣的優(yōu)點，同時組分水蒸氣的存在又能吸收高溫區(qū)部分熱量，降低火焰溫度，有利于降低NOx排放。從而使得燃燒室在保持較高的燃燒效率和較低的出口溫度的同時，NOx排放量不會劇烈增加。

雙燃料燃燒室；NOx排放量；數(shù)值模擬；裂解氣；氫氣

0 引言

污染物排放，特別是氮氧化物的排放量，是衡量現(xiàn)代發(fā)動機的重要指標。如何降低燃氣輪機的NOx排放量一直都是研究學者關心的對象?？刂芅Ox排放的方法通常根據(jù)燃燒過程的特點來設計，可分為燃燒前、燃燒中和燃燒后的控制技術三大類，燃燒前的燃料脫氮技術和燃燒后的煙氣脫硝技術不適用于燃氣輪機。因此燃氣輪機燃燒室的降低NOx研究通常是針對如何降低燃燒過程中的這兩種類型NOx開展的。

根據(jù)燃氣輪機的燃燒特性，其在燃燒過程當中易生成的是熱力型NOx和快速型NOx[1]。熱力型NOx受溫度和過量空氣系數(shù)(油氣比)影響十分明顯，而對碳氫燃料，過量空氣系數(shù)對快速型NOx的生成有很大影響。綜合考慮，對于燃用碳氫燃料的燃氣輪機，要降低NOx生成量，主要是控制燃燒區(qū)高溫核芯和過量空氣系數(shù)(油氣比)分布。因此，一般是通過分級燃燒的方式來控制燃燒區(qū)油氣比或者通過噴注稀釋劑如水蒸氣或惰性氣體稀釋降低燃燒區(qū)溫度繼而控制NOx生成量。

本文研究了燃用庚烷和裂解氣的雙燃料短環(huán)形燃燒室的NOx排放。裂解氣是高碳鏈的燃油經(jīng)過催化裂解成富含氫氣、甲烷和大量水蒸氣的氣體燃料。由于主要可燃成分是氫氣、甲烷和一氧化碳，具備良好的易燃性可摻混性，同時又含大量的水蒸氣，能夠適當控制高溫區(qū)溫度，是一種發(fā)展前景良好的燃料。如果燃燒室同時混燒裂解氣和 fuel，能夠同時具備低NOx排放和適宜的熱負荷，將很好地滿足燃氣輪機對燃燒室的性能要求。

許多學者都在使用中低熱值的燃料氣來稀釋甚至代替燃油用于燃氣輪機燃燒室中。Evulet[2]做了廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)干式低NOx燃燒室的實驗研究，但是實驗是在低 O2的條件下進行。Glaude[3]研究了關于使用生物質燃料取代化石燃料的相關問題，但其實驗數(shù)據(jù)顯示NOx排放量反而稍有增加。Chacartegui[4]研究了重型燃氣輪機燃用一組合成氣時的污染物排放，結果已經(jīng)被GE的MS7001F燃氣輪機實驗數(shù)據(jù)的證實。

也有學者在研究氫氣對燃燒結果及NOx排放的影響。Burguburu等人[5]向煤油中加入H2，分別測試部分預混和完全預混，結果顯示能夠增強火焰的穩(wěn)定性、有效減少CO的排放量，但是在恒功率時NOx排放隨著注入H2量的增加而增加[6]。Weiland[7]研究了使用氮稀釋的氫氣，NOx生成量隨著空氣噴射同軸速度的增加而減少。Frenillot[8]對比了貧油預混燃燒加氫和不加氫的情況下燃燒的穩(wěn)定性和污染物的排放。結果證明，不論加氫與否，空氣當量比都是控制NOx排放的重要因素之一。

除此之外，還有其他一些燃氣輪機排放的研究，F(xiàn)uruhata等人[9]提出的低NOx燃燒室采用的是分級燃燒的控制方式， Shehata[10]則是采用了貧油預混燃燒的方式控制油氣比，Ditaranto[11]對于工業(yè)燃氣輪機補燃階段的NOx排放實驗研究，Lebedev[12]預測污染物生成的簡單反應模型。

本文通過混燒氫氣和混燒裂解氣與原始燃油場的燃燒流場對比，分析了燃燒效率和高溫區(qū)分布情況，對比了出口的溫度和NOx排放量等因素，分析了添加氫氣和添加裂解氣的利弊，得到的結論對指導短環(huán)形燃燒室低排放設計研究十分有意義。

1 幾何模型與燃料介紹

采用的短環(huán)形燃燒室，模擬的時候僅截取了其中的 1/20，包括一個帶斜切孔的徑向旋流器和二十分之一的火焰筒段，具體結構如圖1所示?；鹧嫱灿?.2m長，0.1cm高，5個主燃孔和三排冷卻空，氫氣和裂解氣從斜切孔中的三個噴入燃燒室，燃油從噴油點開始蒸發(fā)摻混過程。

圖1 燃燒室?guī)缀文Ｐ蛨D

燃燒室流場的網(wǎng)格使用ICEM○R軟件生成，如圖2，網(wǎng)格總數(shù)655萬，質量在0.2之上，滿足數(shù)值模擬的要求。數(shù)值模擬通過ANSYS FLUENT○R進行的[13]。采用了Realizable k-ε湍流模型，快速化學反應機理和PDF燃燒模型。

圖2 燃燒室網(wǎng)格

本文使用的燃油是正庚烷，裂解氣是經(jīng)本課題組化學回熱循環(huán)試驗產(chǎn)生的柴油裂解氣，成分如表 1所示。該實驗是在500℃標注大氣壓下，水蒸氣和甲烷比為2的情況下進行的[14]。模擬方案先對比了添加氫氣為0%、1%、10%的情況，油氣比變化范圍在0.1～1.4，之后對比了添加裂解氣為0%、1%、10%、15%的情況，油氣比仍然在0.1～ 1.4。

表1 裂解氣成分

2 數(shù)理模型

2.1 湍流模型

本文Realizable k-ε模型修正了正應力，從而避免了標準模型可能導致負的正應力的情況，該模型在旋轉剪切流、自由射流、混合流、邊界層和分離流中得到了廣泛應用。

Realizable k-ε模型基本形式如下：

本文燃燒模型采用PDF模型。PDF假定流動處于某一狀態(tài)f的概率p(f)，函數(shù)p(f)的形狀描述了湍流中f的瞬時脈動值變化情況，那么組分質量分數(shù)、溫度、密度等標量的時間平均值就可通過p(f)計算出來，平均值與瞬時值的關系即為：

目前，應用最廣的PDF函數(shù)形式是β函數(shù)，其函數(shù)形式如下錯誤！未找到引用源。：

本文在使用FLUENT模擬時就是采用的β函數(shù)形式。邊界條件設定的具體內容見表2。

表2 邊界條件

3 計算結果與分析

3.1 添加氫氣的影響

和燃油比起來，本文中氫氣或者裂解氣的質量分數(shù)都比較低，而且氫氣燃燒速度極快，因此在下面計算燃燒效率時僅考慮到庚烷的燃盡情況。燃燒效率表達式為：

圖3是添加不同質量分數(shù)氫氣的燃燒流場和原始燃油燃燒流場的燃燒效率的比較結果。當量比Φ從0.1～1.4?？煽闯?，添加氫氣明顯減緩了燃燒效率隨當量比的下降趨勢。添加氫氣量越多，燃燒效率減小的速度越慢。在當量比Φ=0.8處，添加了10%氫氣的燃燒場燃燒效率是99.775%，而原始燃油燃燒場的燃燒效率是98.194%。然而二者的差值隨著當量比的增加而增大。在Φ=1.0處，10%氫氣的燃燒場燃燒效率是99.184%，而原始燃油燃燒場的燃燒效率是92.177%，而在Φ=1.4處，差距進一步加大，10%氫氣的燃燒場燃燒效率是97.108%，而原始燃油燃燒場的燃燒效率是73.402%。

圖3 添加氫氣的燃燒流場燃燒效率

添加氫氣后的燃燒場回流區(qū)溫度要比原始的燃油流場回流區(qū)溫度高。燃油燃燒場回流區(qū)的最高溫度達到1800K，而含10%氫氣的燃燒流場回流區(qū)最高溫度有2000K。圖4為含10%氫氣的燃燒流場中，中軸線上的溫度變化趨勢。可看出，當量比Φ大于0.4的工況在x=0.05～0.075m處，溫度驟降了大約700K?？紤]到PDF燃燒模型的特點，可合理推測火焰由于處于富油環(huán)境達到富油極限而熄滅。在燃燒室后半段未燃盡的燃料與主燃孔進入的新鮮空氣相遇，由于PDF模型的設定而重新燃燒，造成燃燒室后半段溫度反常升高。

圖4 添加10%氫氣燃燒流場中軸線溫度分布

圖5為不同氫氣添加量的燃燒室出口溫度隨當量比變化曲線。出口溫度的總體趨勢是隨當量比的增加而增加，并且添加氫氣的雙燃料燃燒場的出口溫度比同等當量比下的燃油燃燒場要高。在當量比 Φ=0.6～1.4處出口溫度異常高，再次證實火焰在回流區(qū)已經(jīng)熄滅并在燃燒室后半段遇新鮮空氣而重新燃燒的結論。

圖5 添加氫氣的雙燃料燃燒流場出口溫度

圖6列出了出口NOx總排放量。當當量比增加，也就是空氣質量流量下降時，NOx排放量隨之增加。當量比從Φ=0.1到Φ=0.6變化時，添加10%氫氣的燃燒場與燃油燃燒場的NOx排放量之間的差值越來越大。從圖3可知，添加氫氣有助于提高燃料的燃燒效率。而且從圖4也可看出，添加氫氣的雙燃料燃燒場溫度也比原始燃油燃燒場的要高很多。這兩個原因造成液體燃油在燃燒場中蒸發(fā)迅速、燃燒完全。也意味著燃燒場中回流區(qū)的溫度更高、高溫區(qū)范圍更大。高溫區(qū)越大，燃氣的駐留時間越長，這是影響熱力型NOx的主要因素之一。所有這些造成的結果是NOx總的生成速度加快，這從圖6中也可以看出在Φ=0.1～0.6段10%氫氣燃燒場的NOx曲線斜率比兩外兩種工況大許多。在Φ=0.6～1.4內，各燃燒場的NOx隨當量比的變化量均不大，但是添加氫氣的雙燃料燃燒場NOx排放量仍然要高出2倍左右。

3.2 添加裂解氣的影響

添加不同質量流量裂解氣的燃燒室燃燒效率如圖7所示。燃燒效率總體趨勢變化和圖3類似，添加裂解氣后在同樣當量比下，雖然總體燃燒效率提升效果不如直接添加氫氣高，但是仍然要比原始燃油燃燒效率高。在Φ=0.6處，含4種不同質量分數(shù)裂解氣(0%、1%、10%、15%)的燃燒場燃燒效率分別為99.498%、99.888%、99.834%和99.995%。隨當量比的增加，燃燒效果變差，燃燒效率有所下降。在 Φ=0.6處四種不同質量分數(shù)裂解氣(0%、1%，10%、15%)的燃燒場燃燒效率分別下降為73.402%、81.028%、90.685%和95.682%。

圖6 添加氫氣的雙燃料燃燒流場出口NOx

圖7 添加裂解氣的雙燃料燃燒流場燃燒效率

向燃燒室中注入裂解氣有助于燃油的燃燒。從表1可知，本文使用的裂解氣含有22.623%(摩爾分數(shù))的氫氣，這就是裂解氣能夠增強燃燒效率的原因。由于和添加純氫氣相比，裂解氣的氫含量較少，故對燃燒效率的影響也相對較少。并且由表1可知，該裂解氣還含有48.0849%的水蒸氣。水蒸氣會吸收一部分熱而降低回流區(qū)的燃燒溫度，這都會對燃燒流場造成一定影響。

圖8展示了含0%、1%、10%和15%四種不同質量分數(shù)裂解氣的雙燃料燃燒室出口平均溫度。在不同當量比下，裂解氣對出口溫度的影響也不同。當裂解氣的添加量為1%時，在Φ=0.2、0.4、0.6幾處，出口平均溫度均略微上漲，上漲幅度約10K。但是對于10%和15%的燃燒室，在Φ<1時，混燒裂解氣都會在一定程度上降低燃燒室出口平均溫度。其中下降幅度最大為78K，是在Φ=0.277處含10%裂解氣的燃燒室與原始燃油燃燒室出口平均溫度之間的差值。當燃燒室處于富油狀態(tài)，即Φ>1時，燃燒效果變差，裂解氣成分中的水蒸氣對火焰的降溫效果不明顯。由于PDF模型的假設條件，燃油與燃燒室后半段進入的二次空氣重新燃燒，造成燃燒室后半段溫度過高，出口燃氣溫度異常升高。

圖8 添加裂解氣的雙燃料燃燒流場出口溫度

裂解氣雙燃料燃燒室在不同質量流量下的出口NOx排放量如圖9所示。在當量比Φ=0.1～0.277時，裂解氣不同流量的出口NOx排放量十分接近。在當量比Φ=0.4～1.0時，NOx排放量隨當量比的增加而增加，但是增長速度和氫氣的雙燃料流場相比要慢很多。而當裂解氣質量流量增加時，NOx排放量而隨著增加。其中，NOx增量最大的是在當量比Φ=1.0時，10%裂解氣雙燃料燃燒室和原始燃油燃燒室出口排放量之間的差值，NOx增加了0.99E-03，而在氫氣的雙燃料燃燒場中，這個最大差值是4.58E-03，在Φ=0.6處，是裂解氣燃燒場的最大NOx增量的4.63倍。

裂解氣組分中的CH4和H2均反應迅速且完全，能夠改善燃燒效果，而同時，48.0849%含量的水蒸氣也會吸收部分高溫區(qū)的熱量。兩相作用之下，燃油裂解氣雙燃料燃燒室在擁有更高的燃燒效率的同時，也擁有一個較低的燃燒室出口溫度，并且NOx排放量相對增加不多。

圖9 添加裂解氣的雙燃料燃燒流場出口NOx

圖10、11位不同的燃料方案下在當量比Φ=0.4時中軸線上的溫度分布和NOx生成量分布?？煽闯?，雙燃料燃燒室的頭部燃燒區(qū)溫度都比原始燃燒場要高，在含10%氫氣的雙燃料燃燒場中，氫氣燃燒迅速，因此溫度上升很快，火焰熄滅時下降也很快。而裂解氣雙燃料燃燒場升溫速度較慢，但高溫區(qū)范圍更大。在x=0.11m附近，高溫燃氣與主燃孔進入的二次空氣混合，未燃盡的燃料氣與新鮮空氣再次進行燃燒反應，造成了圖10中的第二個溫度高峰，在這之后，燃料反應完全，燃氣溫度有所下降，這一點上所有燃料方案的燃燒室趨勢均相同，但含15%裂解氣的燃燒室在出口處溫度下降最多。

圖10 Φ=0.4工況下中心軸溫度分布

由圖11可知，含15%裂解氣的雙燃料燃燒場相比原始燃燒場，在Φ=0.4時擁有更低的NOx生成量。NOx生成速度增長緩慢，自x=0.14m開始生成量保持穩(wěn)定但略有下降直至燃燒室出口。含10%氫氣的雙燃料燃燒場NOx生成速度達到穩(wěn)定時是含15%裂解氣的雙燃料燃燒場穩(wěn)定后的NOx生成是速度的3倍，而其生成速度最高峰值是15%裂解氣的雙燃料燃燒場的5倍。

圖11 Φ=0.4工況下中軸線NOx生成

含15%裂解氣的雙燃料燃燒場繼承了氫氣燃燒場有助于提高燃燒效率的優(yōu)點，改善了燃燒穩(wěn)定性，同時又能保持較低的NOx排放量和燃燒室出口溫度。相對于添加純氫氣，裂解氣是雙燃料燃燒室輔助燃料更好的選擇，特別是對富油工況的燃燒室。

4 結論

本文模擬研究了短環(huán)形燃燒室雙燃料燃燒流場的NOx排放問題。分別對比了添加1%氫氣、10%氫氣、1%裂解氣、10%裂解氣、15%裂解氣和原始燃油燃燒場。詳細分析了雙燃料燃燒室各種當量比下的燃燒效率、燃燒室出口溫度和NOx排放量。得到以下幾點結論：

1）混燒氫氣和裂解氣毫無疑問可以提高燃油的燃燒效率?；鞜龤錃鈺r燃燒效率最低為97.108%，而混燒裂解氣時最低燃燒效率為95.682%。裂解氣改善燃燒效率的能力略低于純氫氣，這與其組分中氫氣的含量有關，證實了氫氣是優(yōu)化燃燒效果的直接原因。

2）混燒純氫氣會直接造成燃燒室出口溫度的上升，隨著當量比的增加，上升幅度也不斷增大。在同一當量比下，混燒裂解氣的燃燒室出口溫度要比燃油燃燒室出口溫度低10K左右，而比混燒氫氣的燃燒室出口溫度低更多。證明了氫氣是造成燃燒流場內溫度升高以及燃燒室出口溫度增高的主要原因。

3）燃料加入氫氣后燃燒室出口NOx量增長很多，并且增長速度極快。添加裂解氣則不會同氫氣一樣造成NOx排放量的劇增。當保持當量比<0.4時，混燒裂解氣后燃燒室的NOx排放量增長很少，屬于可接受范圍內。

4）雙燃料燃燒室混燒裂解氣后擁有更高的燃燒效率、更低的燃燒室出口溫度與合理的NOx排放量，對燃燒流場的優(yōu)化效果強于純氫氣，是一種更有發(fā)展前景的燃料。今后混燒裂解氣的雙燃料短環(huán)形燃燒室研究重點應為優(yōu)化燃燒室頭部結構、合理組織流場以及穩(wěn)定回流區(qū)內當量比，保證在雙燃料燃燒室中最大化利用裂解氣的各種優(yōu)勢。

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Emission Study in Dual-fuel Combustion Flow Field of Short Annular Combustor

QUAN Chong-ren,SONG Shao-lei
(Military Agent's Room of Naval Armaments Department Stationed in Shengyang,Shengyang 150078,China)

Emission study is always the hot topic for gas turbine combustors.This paper studies the advantages and disadvantages forNOxemission of adding hydrogen and reformed gas to combustion field of short annular combustors.The added hydrogen mass fraction is 1% and 10% in total mass flow.The added reformed gas mass fraction is 1%,10% and 15%,respectively.The combustion fields with different fuel compositions are compared.The combustion efficiency,outlet temperature,NOxemission and other combustion field characteristics are analyzed.The results show that hydrogen has great advantages in improving combustion efficiency.But its flammability and extremely fast chemical reaction velocity leads to higher temperature and increasesNOxemission,which can violate the original intention of reducing emission.Reformed gas retains the advantages of hydrogen.But the existence of the composition steam is good for reducingNOxemission.It absorbs heat,lowers the flame temperature in the combustion zone.So the combustor can have better combustion efficiency and lower outlet temperature whileNOxemission changes little.

dual fuel combustor;NOxemission; numerical simulation; reformed gas; hydrogen

TK 473; TK 16

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.001

權崇仁，男，工程師，船舶動力工程專業(yè)。