燃?xì)廨啓C(jī)天然氣摻氫燃燒及排放特性數(shù)值模擬研究

耿卅捷,潘禾吉田,楊歡,熊瑤,劉銀河

(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

燃?xì)廨啓C(jī)被譽(yù)為制造工業(yè)“皇冠上的明珠”,在環(huán)保性、清潔性、靈活性等方面具有突出優(yōu)勢,中國燃機(jī)發(fā)電容量近年來不斷升高[1]。燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)排放碳氧化物、未燃盡碳?xì)浠衔锖偷趸?NOx)等污染物。為達(dá)到環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格的污染物排放要求,燃機(jī)采用貧燃技術(shù)控制燃燒溫度實(shí)現(xiàn)低NOx排放[2],但嚴(yán)重偏離當(dāng)量比又會(huì)引起燃燒不穩(wěn)定[3],導(dǎo)致CO排放量增加、燃燒效率下降等問題。

文獻(xiàn)[4]研究表明:氫氣燃燒速度快,火焰溫度高(如表1所示),在工業(yè)生產(chǎn)中受到越來越多的關(guān)注。國際能源署數(shù)據(jù)顯示,截至2019年,全球各國針對(duì)天然氣管網(wǎng)摻氫輸送的示范項(xiàng)目有37個(gè)[5],天然氣中摻氫比高達(dá)20%(體積分?jǐn)?shù),下文摻氫比均為體積分?jǐn)?shù))。近年來,摻氫燃燒技術(shù)因具有燃燒高效、清潔低碳等優(yōu)點(diǎn),已成為目前的研究熱點(diǎn)。

表1 常溫常壓下氫氣和甲烷性質(zhì)的對(duì)比

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同火焰及終端設(shè)備恒定熱輸入摻氫情況下的燃燒性能得出了不同結(jié)論。Patel等[6]研究結(jié)果表明,摻氫使得旋流火焰長度變短,CO排放降低,NOx排放增加。Shih等[7]研究結(jié)果表明,摻氫使得微型煙氣輪機(jī)燃燒穩(wěn)定性增強(qiáng),燃燒溫度和NOx排放降低,火焰更寬更短,但CO排放大幅增加,燃燒效率下降。Rajpara等[8]對(duì)自行設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行了摻氫的試驗(yàn)及模擬研究,結(jié)果表明,在較高的氫濃度下,火焰相對(duì)更寬更短。摻氫提高了火焰速度、溫度及化學(xué)反應(yīng)速率降低了CO排放,但火焰溫度的升高帶來了NOx排放增高的問題。

不同熱設(shè)備在恒定燃料體積流量摻氫下的燃燒性能也有所差異。Meziane等[9]研究了天然氣-氫混合燃料對(duì)罐式燃燒器燃燒性能及污染物排放的影響,結(jié)果表明,向天然氣中添加10%的氫氣,CO和NOx排放量分別減小了約60%和14%,然而平均出口溫度的降低使得微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率降低。冷先銀等[10]研究發(fā)現(xiàn),摻氫提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度,提高了熱效率,減少了CO排放,增加了NOx排放。Shih等[7]的研究結(jié)果表明,摻氫使得火焰溫度升高,燃燒室熱負(fù)荷下降。Rajpara等[8]的研究結(jié)果表明,摻氫提高了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的火焰溫度,降低了火焰尺寸,減少了CO排放,同時(shí)略微增加了NOx排放。

氫氣是一種反應(yīng)活性較高的氣體,天然氣中加入氫氣可以拓寬燃料貧燃極限。劉兵等[11-12]研究發(fā)現(xiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃下可以得到較低的HC、CO、CO2和NOx排放量。

綜上所述可知,不同的摻氫工況會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生不同的影響,不同終端設(shè)備摻氫之后的表現(xiàn)不盡相同,燃?xì)廨啓C(jī)摻氫之后稀燃方面的研究還有待深入開展。因此,本文對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室摻氫燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分析摻氫比及燃料當(dāng)量比對(duì)其燃燒及排放特性的影響,旨在對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的摻氫設(shè)計(jì)與使用提供一定參考。

1 燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)

1.1 研究對(duì)象

本文以某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為研究對(duì)象,該燃?xì)廨啓C(jī)采用貧預(yù)混旋流燃燒技術(shù)[13-14],燃料氣分為兩路進(jìn)氣(見圖1),分別為流量占比2%的值班燃料氣和流量占比98%的主燃料氣。其中,值班燃料氣采用擴(kuò)散燃燒方式,通過8個(gè)燃料噴嘴進(jìn)入[15],而助燃空氣經(jīng)軸向旋流器旋流進(jìn)入。主燃料氣(也稱預(yù)混燃料氣)采用預(yù)混燃燒方式。主燃料與助燃空氣流經(jīng)角向旋流器混合后經(jīng)旋流器進(jìn)入燃燒室燃燒[16]。

圖1 燃燒室示意

1.2 計(jì)算域

燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)具有周期性,故計(jì)算域選為單頭部燃燒室扇形段。為了降低網(wǎng)格數(shù)量、節(jié)省計(jì)算資源,本文對(duì)燃燒室頭部進(jìn)行一定簡化:

(1)值班燃料由4個(gè)燃料噴嘴進(jìn)入,保證簡化前后入口截面流速相同;

(2)從主燃料助燃空氣入口處直接通入主燃料與助燃空氣的預(yù)混氣;

(3)通過在邊界條件中設(shè)置徑向速度分量來體現(xiàn)旋流器對(duì)氣流流動(dòng)的影響[17]。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本文計(jì)算區(qū)域采用四面體網(wǎng)格,為了提高計(jì)算精度,對(duì)燃燒室頭部區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密,如圖2所示。正式計(jì)算前進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過111萬時(shí),距燃燒室入口210 mm處的軸向速度和溫度分布不再隨網(wǎng)格增加明顯變化,詳見圖3,因此本文采用111萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖2 燃燒室的網(wǎng)格劃分

(a)距燃燒室入口210 mm處的軸向速度分布

2.2 數(shù)學(xué)模型

采用RANS(雷諾時(shí)均方法)模擬湍流平均速度、平均標(biāo)量場以及平均作用力,選用realizablek-ε湍流模型模擬湍流流動(dòng),以提高對(duì)燃燒室中旋流流動(dòng)預(yù)測的準(zhǔn)確性,正確捕捉回流區(qū)范圍。

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中發(fā)生的燃燒反應(yīng)為快速反應(yīng),因此采用通用有限速度模型來模擬燃燒室氣相湍流燃燒過程。本文使用能夠綜合考慮化學(xué)反應(yīng)與湍流的相互作用的有限速率/渦耗散模型燃燒模型,可計(jì)算阿列尼烏斯反應(yīng)速率與湍流反應(yīng)速率并取兩者較小值。燃燒機(jī)理采用文獻(xiàn)[18]給出的JL-2甲烷4步燃燒反應(yīng)機(jī)理。

由于NOx生成反應(yīng)的時(shí)間尺度比燃料燃燒的湍流混合時(shí)間尺度要大得多,且生成所產(chǎn)生的質(zhì)量和熱量對(duì)燃燒流場的影響較小[19],因此本文基于穩(wěn)定的燃燒流場采用后處理的方法來計(jì)算NOx生成量。考慮熱力型NOx及快速型NOx的生成,其中熱力型NOx的O和OH基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)基于部分平衡假設(shè),采用PDF模型考慮湍流和化學(xué)反應(yīng)的耦合作用。

2.3 邊界條件

燃料及空氣入口為速度入口,燃燒室外環(huán)為無滑移絕熱壁面;兩個(gè)周向邊界設(shè)為周期性邊界條件,燃燒室出口采用壓力出口邊界條件。工況條件見表2。

表2 工況條件

由管網(wǎng)摻氫試驗(yàn)及燃料互換性的相關(guān)計(jì)算[20-24]可知,能夠滿足管道運(yùn)輸及12T天然氣指標(biāo)[25]的燃料摻氫比約為0～27%。所以,本文研究燃料摻氫比為0～30%、間隔為5%的各個(gè)工況下燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒特性及排放特性。摻氫比是指摻氫之后氫氣的體積流量占總?cè)剂象w積流量的比例,公式為

(1)

式中:α(H2)為摻氫比;qV(H2)、qV(CH4)分別為氫氣和甲烷的體積流量。

因?yàn)橹蛋嗳剂险急容^少(僅占總?cè)剂系?%),值班燃料的助燃空氣量很小,所以當(dāng)燃料組分變化時(shí),僅考慮值班燃料和主燃料組分和流量的變化、主燃料助燃空氣量的變化,不討論值班燃料助燃空氣量的變化。針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用場景,考慮兩個(gè)摻氫工況。

(1)摻氫前后燃料體積流量不變,此時(shí)燃料射流速度不變,摻氫前后燃料噴射壓力相同,燃料輸入熱功率會(huì)有變化。

(2)摻氫前后燃料輸入熱功率不變,此時(shí)熱負(fù)荷恒定,電力輸出恒定,燃料體積流量需要調(diào)整。燃料輸入熱功率公式為

Q=qV(H2)q(H2)+qV(CH4)q(CH4)

(2)

式中:Q為燃料輸入熱功率;q(H2)、q(CH4)分別為氫氣和甲烷的低位體積熱值。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的工作過程具有高溫、高氣流速度、高燃燒強(qiáng)度以及高過量空氣系數(shù)等特點(diǎn)。將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[26]進(jìn)行比較,結(jié)果如表3所示。可以看出,本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果精度較好。

表3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

3.1.1 燃料為純甲烷時(shí)的速度分布

純甲烷燃燒時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中心截面的速度分布及流線如圖4所示?？梢钥闯?燃燒室存在兩個(gè)回流區(qū),分別為外部回流區(qū)和中心回流區(qū)[27]。外部回流區(qū)是由于氣體燃料和空氣進(jìn)入燃燒室后燃燒區(qū)域突擴(kuò)形成的。中心回流區(qū)是燃料和空氣旋流進(jìn)入,導(dǎo)致在燃燒室中心形成的一個(gè)大范圍的回流區(qū),其增加了高溫燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間,有利于氣體燃料的充分燃燒,減少未燃盡混合物排放。燃燒室尾部氣體流通截面積的減小造成了燃?xì)饬魉僭黾?出口截面燃?xì)馄骄魉偌s為171.6 m/s。

(a)速度分布

3.1.2 燃料為純甲烷時(shí)的溫度分布

純甲烷燃燒時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中心截面的溫度分布如圖5所示?？梢钥闯?燃燒室內(nèi)整體溫度為1 800～1 850 K。這是由于算例中直接通入預(yù)混燃料氣,主燃料與助燃空氣混合均勻。同時(shí),燃燒室表面敷設(shè)耐熱材料,從而大大降低了熱損失。整個(gè)燃燒室溫度均勻,僅在值班燃料入口處存在一個(gè)燃燒溫度為2 000 K左右的局部高溫區(qū)。

圖5 純甲烷燃燒時(shí)燃燒室中心截面的溫度分布

3.1.3 燃料為純甲烷時(shí)的NOx分布

純甲烷燃燒時(shí),燃燒室中心截面的NOx分布如圖6所示。圖中,φ(NOx)為NOx的體積分?jǐn)?shù)?？梢钥闯?在值班燃料入口處,NOx含量最高,出口截面燃?xì)釴Ox含量較低,約為2.64 μL/L。NOx排放主要受燃燒溫度、燃燒均勻性、停留時(shí)間共3方面因素影響[28]。在值班燃料入口處,溫度分布不均勻,所以NOx含量最高;在燃燒室內(nèi),溫度分布均勻,所以NOx含量較低。

圖6 純甲烷燃燒室中心截面的NOx分布

3.2 燃料體積流量不變時(shí)摻氫對(duì)燃燒及排放特性的影響

3.2.1 設(shè)計(jì)當(dāng)量比下的摻氫燃燒特性

本文研究了當(dāng)燃料的體積流量恒定(0.062 m3/s)且燃料當(dāng)量比為設(shè)計(jì)值0.53時(shí),摻氫對(duì)燃燒以及排放特性的影響。

不同摻氫比下的燃燒特性如圖7所示?？梢钥闯?隨著摻氫比的增加,燃燒室內(nèi)的最高燃燒溫度Tmax和燃燒室的出口截面燃?xì)馄骄鶞囟萒out,avg均升高;燃燒室最高燃燒溫度升高速率減緩,出口截面的燃?xì)馄骄鶞囟入S摻氫比的增加呈近似線性升高的趨勢。在控制燃料入口體積流量恒定的前提下,摻氫導(dǎo)致燃燒室熱負(fù)荷隨著摻氫比的增加而線性減小。

圖7 恒定燃料體積流量下?lián)綒湓O(shè)計(jì)當(dāng)量比的燃燒特性

燃燒溫度的升高可能造成燃?xì)獬瑴?導(dǎo)致對(duì)渦輪葉片等熱部件的損壞,同時(shí)會(huì)帶來燃燒室的冷卻問題。氫氣的體積熱值低于甲烷的,導(dǎo)致燃料的輸入熱量隨著摻氫比的增加而線性減小,燃燒室出口的熱負(fù)荷降低。維持設(shè)計(jì)當(dāng)量比,摻氫之后空氣體積流量減小。因此,隨著摻氫比的增加,燃料和空氣總體積流量減小,燃?xì)獾捏w積流量減小。

不同摻氫比下的排放特性如表4所示?？梢钥闯?隨著摻氫比的增加,燃?xì)庵械腃O2含量顯著下降,CO含量略微下降,NOx含量明顯升高,排放總量升高,相同熱負(fù)荷(100 MW,下同)下的排放量升高。當(dāng)摻氫比從0變?yōu)?0%時(shí),燃?xì)庵蠧O2含量降低15%,NOx含量升高362.07%,NOx排放總量升高326.97%,相同熱負(fù)荷下的NOx排放總量升高438.79%。

表4 恒定燃料體積流量下?lián)綒湓O(shè)計(jì)當(dāng)量比的污染物排放量

氫氣摻混起到了降碳的作用,同時(shí)其較高的反應(yīng)活性促進(jìn)了CO燃燒轉(zhuǎn)化,使得燃?xì)庵蠧O濃度下降。氫氣燃燒速度快,在燃燒室的停留時(shí)間短,有利于NOx減排,但是摻氫之后溫度的升高導(dǎo)致熱力型NOx排放的升高占主導(dǎo)地位,因此摻氫導(dǎo)致了NOx濃度上升,NOx排放總量升高,相同熱負(fù)荷下產(chǎn)生的NOx總量升高。

綜上可知,在燃料體積流量恒定的條件下,摻氫使得燃燒溫度上升,導(dǎo)致燃?xì)庵蠳Ox排放增加。但是,由于氫氣摻混可以拓寬傳統(tǒng)碳?xì)淙剂系呢毴紭O限,使得摻氫天然氣能夠?qū)崿F(xiàn)在稀薄條件(低于燃機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)量比)下的穩(wěn)定燃燒,因此本文進(jìn)一步探究了摻氫時(shí)稀燃下的燃燒及排放特性。

3.2.2 摻氫后的稀燃特性

氫氣摻混得越多,燃料能夠達(dá)到的貧燃極限就越低,即摻氫比越大,研究的當(dāng)量比變化的范圍就越大。為使研究結(jié)果具有普適性,本文選取了較寬的當(dāng)量比范圍。工況條件如表5所示。其中,下限選定為在燃料及空氣恒定體積流量下?lián)綒鋾r(shí)的折算當(dāng)量比φz,上限選定為設(shè)計(jì)當(dāng)量比,間隔選為0.01。

表5 燃料及空氣恒定體積流量下?lián)綒鋾r(shí)的折算當(dāng)量比

燃料體積流量不變,摻氫后稀燃情況下的燃燒特性見圖8?？梢钥闯?在相同摻氫比下,燃燒溫度隨著當(dāng)量比降低而降低。燃燒室最高燃燒溫度在當(dāng)量比為0.50～0.53時(shí)變化不大。隨著當(dāng)量比進(jìn)一步降低,燃燒室最高燃燒溫度呈現(xiàn)出明顯降低趨勢。出口截面燃?xì)馄骄鶞囟入S著當(dāng)量比的降低呈現(xiàn)出近線性降低的趨勢。這是因?yàn)樵谙嗤膿綒浔认?當(dāng)量比降低意味通入的空氣量增多,從而稀釋了燃燒,降低了燃燒溫度,使得燃燒最高溫度和燃燒室出口截面燃?xì)馄骄鶞囟冉档?而且稀釋作用會(huì)隨著當(dāng)量比的降低而逐漸顯著。

圖8 恒定燃料體積流量摻氫稀燃下的燃燒特性

摻氫之后調(diào)整當(dāng)量比進(jìn)行燃燒。當(dāng)出口截面燃?xì)馄骄鶞囟鹊陀诨虻扔诩兗淄槿紵某隹诮孛嫒細(xì)馄骄鶞囟? 839 K時(shí),可解決燃?xì)獬瑴氐膯栴},將滿足該條件的最大當(dāng)量比定義為推薦當(dāng)量比φt。不同摻氫比下的推薦當(dāng)量比如表6所示。

表6 恒定燃料體積流量不同摻氫比下的推薦當(dāng)量比

恒定燃料體積流量摻氫稀燃的排放特性見圖9?？梢钥闯?在相同的摻氫比下,隨著當(dāng)量比的降低,燃?xì)庵蠳Ox濃度呈現(xiàn)出指數(shù)型下降的趨勢,CO2濃度呈現(xiàn)出近似于直線下降的趨勢,CO濃度先降低后升高。

(a)NOx體積分?jǐn)?shù)及CO2排放摩爾份額

在相同的摻氫比下,當(dāng)量比降低時(shí)空氣量增加,燃燒溫度降低,因此CO2和NOx濃度下降。但是,貧燃降低了燃燒穩(wěn)定性,加劇了燃料的不完全燃燒,故CO濃度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。

恒定燃料體積流量摻氫時(shí),不同摻氫比下按照推薦當(dāng)量比燃燒時(shí)的NOx排放特性見表7?？梢钥闯?與純甲烷燃燒時(shí)相比,摻氫使得NOx濃度及排放總量下降,相同熱負(fù)荷下NOx排放總量降低。這表明摻氫后應(yīng)該控制燃料當(dāng)量比小于或等于推薦當(dāng)量比。

表7 恒定燃料體積流量下?lián)綒渫扑]當(dāng)量比的NOx排放量

3.3 熱負(fù)荷不變時(shí)摻氫對(duì)燃燒及排放特性的影響

3.3.1 設(shè)計(jì)當(dāng)量比下的摻氫燃燒特性

在恒定熱負(fù)荷(364 MW)、當(dāng)量比維持設(shè)計(jì)值0.53時(shí),不同摻氫比下燃燒室中心截面的溫度分布見圖10,燃燒特性見圖11。結(jié)合兩幅圖可以看出,摻氫對(duì)燃燒室中的溫度分布均勻性影響較小,但隨著摻氫比的增加,燃燒開始的位置提前,燃燒室內(nèi)的燃燒溫度升高,燃燒室最高燃燒溫度和出口截面的燃?xì)馄骄鶞囟入S摻氫比的增加而呈現(xiàn)近線性升高的趨勢,且燃燒室內(nèi)的最高溫度始終出現(xiàn)在值班燃料入口處的局部高溫區(qū)中。

圖10 恒定熱負(fù)荷、設(shè)計(jì)當(dāng)量比下的燃燒室中心截面溫度分布

圖11 恒定熱負(fù)荷、設(shè)計(jì)當(dāng)量比下的燃燒特性

當(dāng)摻氫比從0變化到5%時(shí),主燃料進(jìn)入后形成的低溫區(qū)的形狀未產(chǎn)生較大變化;當(dāng)摻氫比從5%變化到30%時(shí),該低溫區(qū)的形狀明顯變小,說明摻氫比提高使得燃燒位置提前,同時(shí)伴隨著局部高溫區(qū)的燃燒溫度升高。氫氣的體積熱值低于甲烷。由式(2)可知,摻氫之后需增加燃料體積流量,才能保證燃?xì)廨啓C(jī)熱負(fù)荷不變。同時(shí),氫氣完全燃燒時(shí),化學(xué)計(jì)量比小于甲烷,摻氫之后所需空氣體積流量減小。最終,這二者導(dǎo)致隨著摻氫比的增加,燃料和空氣總體積流量減小,燃?xì)獾捏w積流量減小。

恒定熱負(fù)荷、設(shè)計(jì)當(dāng)量比下的排放特性見表8。隨著摻氫比的增加,燃?xì)庵械腃O2含量顯著下降,CO含量略微下降,NOx含量明顯升高。當(dāng)摻氫比從0變化為30%時(shí),出口燃?xì)庵械腃O2含量降低21%,NOx含量升高313.57%,NOx排放總量升高289.50%。

表8 恒定熱負(fù)荷、設(shè)計(jì)當(dāng)量比下的污染物排放

在恒定熱負(fù)荷、維持設(shè)計(jì)當(dāng)量比燃燒的摻氫工況下,摻氫使得燃燒溫度升高,燃?xì)庵蠳Ox排放升高,因此考慮減小當(dāng)量比降低燃燒溫度以保護(hù)葉片,同時(shí)減少NOx排放。

3.3.2 摻氫后稀燃的特性

恒定熱負(fù)荷、變當(dāng)量比時(shí)的燃燒特性見圖12?？梢钥闯?在相同的摻氫比下,隨著當(dāng)量比降低,燃燒室內(nèi)的燃燒溫度降低,且燃燒室最高燃燒溫度和出口截面的燃?xì)馄骄鶞囟瘸尸F(xiàn)出近線性降低的趨勢。在相同當(dāng)量比下,隨著摻氫比的增大,燃燒室內(nèi)的燃燒溫度升高,燃燒室最高燃燒溫度和出口截面的燃?xì)馄骄鶞囟入S摻氫比的增加而增高。不同摻氫比下的推薦當(dāng)量如表9所示。

圖12 恒定熱負(fù)荷稀燃下的燃燒特性

表9 恒定熱負(fù)荷不同摻氫比下的推薦當(dāng)量比

恒定熱負(fù)荷、變當(dāng)量比時(shí)的排放特性見圖13?？梢钥闯?在同一摻氫比下隨著當(dāng)量比的降低,燃?xì)庵蠳Ox濃度和CO2濃度降低,CO濃度先降低后升高,其中,NOx濃度隨著當(dāng)量比的降低呈現(xiàn)出近似指數(shù)型下降的趨勢。CO2濃度隨著當(dāng)量比的降低呈現(xiàn)出線性降低的趨勢。

(a)NOx體積分?jǐn)?shù)及CO2排放摩爾份額

恒定熱負(fù)荷摻氫時(shí),不同摻氫比下按照推薦當(dāng)量比燃燒時(shí)的NOx排放特性見表10。可以看出,摻氫之后控制燃料當(dāng)量比為推薦當(dāng)量比時(shí)可以減少NOx排放。

表10 恒定熱負(fù)荷、推薦當(dāng)量比下的NOx排放量

綜合分析可知,維持熱負(fù)荷恒定時(shí),摻氫天然氣可以通過稀燃的方式降低燃燒溫度,降低燃?xì)庵械腘Ox、CO、CO2濃度。

4 結(jié) 論

在天然氣中摻入氫氣可以拓寬貧燃極限、提高燃燒效率,具有降低NOx的潛力,也是減少燃?xì)廨啓C(jī)碳排放的一種新興方法。本文對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)中摻氫燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,預(yù)測了燃用摻氫天然氣之后的燃燒特性及排放特性,分析了氫氣在混合燃料中的作用,可為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的摻氫設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考。

(1)維持燃料體積流量恒定,摻氫之后燃?xì)廨啓C(jī)熱負(fù)荷下降。維持設(shè)計(jì)當(dāng)量比燃燒時(shí),摻氫使得最高燃燒溫度和出口截面平均溫度升高。燃?xì)庵蠳Ox含量升高,CO和CO2含量降低。當(dāng)摻氫比從0變?yōu)?0%時(shí),CO2含量降低15%,NOx含量升高362.07%,NOx排放總量升高326.97%,相同熱負(fù)荷下的NOx排放總量升高438.79%。摻氫后,燃機(jī)運(yùn)行有超溫和NOx排放超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)維持燃料體積流量恒定,在相同的摻氫比下,隨著當(dāng)量比的降低,最高燃燒溫度及出口截面燃?xì)馄骄鶞囟冉档?。燃?xì)庵蠳Ox濃度降低,CO2濃度降低,CO濃度先降低后上升。

(3)維持燃料輸入熱量不變,摻氫之后燃?xì)廨啓C(jī)熱負(fù)荷不變。維持設(shè)計(jì)當(dāng)量比燃燒時(shí),摻氫使得最高燃燒溫度及出口截面燃?xì)馄骄鶞囟壬?增加了燃?xì)獬瑴氐娘L(fēng)險(xiǎn)。燃?xì)庵蠳Ox含量升高,CO和CO2含量降低。當(dāng)摻氫比從0變?yōu)?0%時(shí),燃?xì)庵械腃O2含量降低21%,NOx含量升高313.57%,NOx排放總量升高289.50%。

(4)維持燃料輸入熱量不變,相同的摻氫比下,隨著當(dāng)量比的降低,燃燒室最高燃燒溫度及出口截面燃?xì)馄骄鶞囟冉档?。燃?xì)庵蠳Ox含量降低,CO2含量降低,CO含量先降低后上升。摻氫之后可以通過稀燃的方式降低燃燒溫度,降低燃?xì)庵蠳Ox、CO、CO2含量,降低NOx排放總量。