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燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧中低热值煤气的比较


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前言煤炭联产系统可以提高煤炭生产的综合效益，同时降低大气污染，支持煤炭企业由传统产业向高技术产业的转型，其中的关键问题就是提供适用多种燃料（包括中低热值煤气、天然气等）的低NOX排放新型燃气轮机燃烧室。将燃烧室的燃料由天然气改为中低热值煤气将会面临以下几个问题： · 燃油流量的增加：在燃烧室功率不变的情况下，由于中低热值煤气热值的下降，燃油流量将增加3－10倍，相应需要向燃烧区提供更大的空气流量，改变燃烧-冷却-掺混的空气配比，且燃烧火焰将加长。因此，需要改变燃料系统，燃烧区和掺混区的总体尺寸和结构。 · 燃烧稳定性问题：中低热值煤气燃烧的特点是平均温升较低，局部温升较高。又由于燃油流量的增加导致煤气喷射速度增加，煤气中的主要物质co的着火下限较高，当机组工作在低负荷工况时容易出现熄火现象。 · 控制Nox排放与co排放的矛盾：中低热值煤气的燃烧温升较高，而火焰传播速度较低，容易产生co排放超标。通过提高燃烧区的温度可大幅降低co的排放量。但这与降低燃烧区温度来降低Nox含量相矛盾。现在比较先进的DLN燃烧室通过预混燃烧来降低燃烧温度已降低Nox含量。但预混燃烧的稳定性较低，而本身中低热值煤气的燃烧稳定性较低，故移植到中低热值煤气燃烧室较为困难。 · 冷却问题：煤气中含有H2，局部燃烧温度较高，易烧坏喷嘴。前面提到由于燃油流量的增加，相应需要向燃烧区提供更大的空气流量，这将导致用于冷却的空气量减少。这些问题的的解决依赖于实验、计算紧密结合：燃烧问题本身是比较复杂的，而中低热值煤气的成份比天然气多，反映过程也相应复杂。以往的工作是以实验为主，数值模拟较为困难。随着CFD技术的发展，我们目前已有了解决这类问题的工具，可以进行湍流、多组分扩散、化学反应进行联合模拟。本文中采用FLUENT软件对同一燃烧室采用天然气和中低热值煤气进行了对比计算，对温度分布，火焰结构，燃烧效率及Nox分布进行了比较。算法简介本文采用的是FLUENT软件中的UNS算法。采用SIMPLE法求解雷诺平均的NS方程，湍流模型采用标准k-ε模型，壁面函数采用标准壁面函数。燃烧模型采用非绝热的PDF模型。 · UNS的核心算法：该算法源于经典的SIMPLE算法。其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动（马赫数小于1）。这种算法不对Navier-Stokes方程联立求解，而是对动量方程进行压力修正。该算法是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证。 · PDF燃烧模型：该模型不求解单个组分输运方程，但求解混合组分分布的输运方程。各组分浓度由混合组分分布求得。 PDF模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过程。在该模型中，用概率密度函数PDF来考虑湍流效应。该模型不要求用户显式地定义反应机理，而是通过火焰面方法(即混即燃模型)或化学平衡计算来处理，因此比有限速率模型有更多的优势。该模型适应用于非预混燃烧（湍流扩散火焰），可以用来计算燃气轮机燃烧室中的燃烧问题及液体/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。 · NOx模拟：Fluent软件提供了三种NOx形成的模型：Thermal NOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。在本文中选用了其中的Thermal NOx、Prompt Nox · 辐射模型：Fluent软件提供了四种辐射模型，本文选用的是P-1模型。P-1模型是P-N模型的简化，适用于大尺度辐射计算。对比DTRM模型，其优点在于计算量更小，且包含散射效应。当燃烧计算域的尺寸比较大时，P-1模型非常有效。另外P-1模型可应用在较为复杂的计算域中。算例分析计算采用的中低热值煤气的组分为（图片）（图片）在前言中已经提到中低热值煤气燃烧的主要问题之一是燃烧稳定性问题，对于中低热值煤气燃烧燃烧室有两种结构可供选择，第一种是采用圆筒型燃烧室，第二种是采用环形或环管型燃烧室。圆筒性结构更容易解决中低热值煤气燃烧的难题〖3〗。故本文计算的燃烧室是首先是上海交大的某实验用模型圆筒型燃烧室〖1〗。实验用的燃烧器没有一次空气射流孔和参混孔。喷嘴为直射式，周向有6个直径为1.2mm燃油喷射孔，旋流器叶片扭角为50o。然后模拟了GE某型号燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧中低热值煤气。图1，2为圆筒型燃烧室的结构图和网格图，网格采用了15万混合网格。图3，4为GE燃烧室结构图和网格图，整个燃烧室共有18个喷嘴，本文采用周期性边界条件模拟了单个喷嘴，共为20.8万网格。 1．圆筒型燃烧室燃烧天然气模拟（图片）图5为温度等值线图，从图中可以看到，高温区面积较大，在上下端部形成两个高温涡区，但比较小。从喷气迹线图（图6）中可以清晰的看到燃油喷嘴喷入的天然气在旋流空气的作用下旋转进入燃烧段，并在燃烧段出口分为两路，一路卷吸回燃烧段形成高温涡区，一路径直到达出口。 2．圆筒型燃烧室燃烧中低热值煤气模拟（图片）在纵切面温度等值线图中（图7），可以看到火焰的高温区明显比燃烧天然气是要小，由于煤气喷射速度较快，在迹线图（图8）中回流区向上卷曲，流态同燃烧天然气时完全不同。 3． GE燃烧室燃烧天然气模拟图9为纵切面温度分布,可以看到燃烧主要集中在一次进气区,第一个位于上筒壁的阻燃孔成功的将火焰阻断,下筒壁的阻燃孔和下游的掺混孔也起到了作用。再结合图10和图11来分析整个高温区的三维结构。图10为横截面温度分布。在主燃区里，高温区分布非常规则，火焰为中心温度低而外围温度高；到了阻燃区受到阻燃射流的影响，高温区受到挤压。这一点从图11上可以看得更清楚。图11是1400K的温度等值面图，由于上筒壁中心射流的影响，火焰被阻断，高温气体向两侧变形。图12为纵截面速度矢量图，各射流孔对主流起了较大的影响，各台阶冷却缝也起到了气膜冷却分作用。图13为出口CH4组分分布，可以看到燃烧非常充分，已看不到CH4的存在。图14为燃烧室出口Nox组分分布，在这里先不作评价，而同其余工况（燃烧中低热值煤气，改进燃料喷口）比较来说明。图12为纵截面速度矢量图，各射流孔对主流起了较大的影响。（图片） 4． GE燃烧室燃烧中低热值煤气模拟由于煤气的热值较低，为获得同样的功率，需要的燃料流量要增加5倍。那么采用同燃烧天然气同样的几何结构，同样的空气流量，燃烧室内的流动结构发生了很大的变化，图15为纵切面温度分布，可以看到阻燃孔没有起作用。由图16看到高温区明显变小，台阶缝射流的作用也不明显，高温燃气在出口附近直接冲到了下筒壁上。出口的温度分布也不合理。由图17的矢量图就可以清楚以上现象是由于燃料喷射的流量增加而喷口尺寸未变，喷射速度增加，燃料射流的刚度增强引起的。在出口截面CO有一点剩余（图18），但Nox含量（图19）却比燃烧天然气时下降了。这主要是由于燃烧温度比燃烧天然气时要低。（图片） 5．改进喷嘴后燃烧中低热值煤气模拟由上一段看到问题的关键在于燃料的流速太快，那么我们就扩大喷口来降低燃料速度――将喷口面积增加4倍。图20为纵截面温度分布，比较图15，流态结构有了一定的改善。上筒壁阻燃射流起到了一定的作用，台阶缝的气膜冷却射流也将高温区抬离了下筒壁。在图21和图22的横截面温度分布和1400K温度等值面图中可以更清楚的看到阻燃孔和射流孔的作用。美中不足的是出口截面的Nox组分有所增加。（图片）（图片）结论对圆筒型燃烧室和环形燃烧室燃烧天然气和中低热值煤气进行了数值模拟。在圆筒型燃烧室中两种燃料的燃烧流动结构有一定差别但比环形燃烧室差别要小。原本燃烧天然气的燃烧室直接改为燃烧中低热值煤气，会产生燃料射流速度太快的问题，使阻燃孔失效，火焰太长，高温燃气直接冲击下筒壁出口。仅仅增大燃料喷嘴口径可已在一定程度上改善燃烧室内流动结构，使阻燃孔和掺混孔起一定的作用，气膜冷却射流也将高温区抬离了下筒壁。但仍需对阻燃射流、掺混射流和气膜冷却气流进行整体优化。参考文献 [1] 胡宗军等，大湿度燃烧计算模型及蒸汽喷注对燃烧室燃烧流场特性的影响，热能动力工程，15卷，2000.3 [2] 赵士杭，燃器轮机循环和变工况性能，清华大学出版社，1993.7 [3] 焦树建，整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC），中国电力出版社，1996.12 [4] Fluent Inc. Product Documentation-User's Guide 1/8/2010

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