【摘要】：隨燃氣輪機級別提高,燃氣輪機燃燒室出口溫度最高已接近1973K,常規(guī)貧預混燃燒即使在摻混均勻的情況下也無法滿足日益嚴格的低NOx排放要求。燃料軸向分級燃燒技術將燃燒室軸向分成主燃區(qū)和二級燃燒區(qū),部分燃料在二級燃燒區(qū)噴入形成低氧燃燒,實現更寬負荷范圍內低NOx排放,目前已在商業(yè)燃氣輪機上獲得應用。然而,燃料軸向分級燃燒抑制NOx生成的內在機制尚不完全清楚,如何將燃料軸向分級燃燒與常規(guī)貧預混燃燒結合應用于燃燒室設計仍待細致研究。論文針對1973 K燃氣輪機燃燒室,采用模擬分析和實驗研究相結合的方法,研究了二級負荷比例、當量比等關鍵參數對CO/NOx排放的影響規(guī)律,分析了軸向分級燃燒中NOx抑制機制;研究了摻混性能耦合二級關鍵參數對軸向分級燃燒CO/NOx排放的影響規(guī)律;設計模型燃燒器,實驗研究天然氣軸向分級預混燃燒特性,具體如下:1)基于Chemkin軟件平臺,建立了理想摻混情況下的燃料軸向分級燃燒室和貧預混燃燒室化學網絡模型,研究了二級燃燒區(qū)關鍵參數對CO/NOx排放特性的影響規(guī)律。結果表明,相對于常規(guī)貧預混燃燒,燃料軸向分級燃燒具有較寬的低NOx排放的工況范圍,尤其在在高溫情況下低NOx排放優(yōu)勢明顯。通過NOx再燃抑制NOx生成的占比較小,最高僅4.5%,抑制熱力型NOx生成是燃料軸向分級燃燒實現低NOx的主因,其中在保證燃燒穩(wěn)定、CO燃盡的前提下,降低主燃區(qū)燃燒溫度、縮短二級停留時間是實現低NOx排放的有效手段。2)建立化學反應網絡模型,研究了主流高溫煙氣/二級未燃預混氣摻混不均勻性和二級燃/空預混不均勻性對污染物生成的影響規(guī)律。結果表明,摻混不均勻度的增加導致NOx、CO排放增加,且在較高的二級當量比、二級負荷比例下,摻混不均勻性對污染物排放的影響更嚴重。摻混性能耦合二級負荷比例、二級當量比作用時,針對NOx排放存在二級負荷比例和二級當量比的最佳值。二級燃/空預混氣采用貧燃運行方式,更有利于實現低NOx排放,同時對二級噴嘴結構預混均勻性設計有更寬的容許裕度。3)設計模型燃燒器并在常壓狀態(tài)下開展了不同二級負荷比例、二級當量比和總當量比下的模型燃燒器燃燒特性實驗研究。結果體現了軸向分級燃燒的低NOx排放特性,且模型燃燒器存在最佳二級負荷比例實現低NOx排放,而CO排放僅稍增;主流高溫煙氣與二級未燃預混氣摻混不均勻的影響隨二級負荷比例增加趨于嚴重。
【圖文】：

以及粉塵顆粒物［５］，其中ＮＯｘ為污染物重要組成成分。燃燒室作為燃氣輪機的逡逑核心部件，如何使燃燒室在更寬負荷下穩(wěn)定、低排放燃燒在國際上被重點關注，逡逑同時ＮＯｘ和ＣＯ的生成都與火焰溫度有關，如圖１．２所示［６］。圖１．２顯示ＮＯｘ、逡逑ＣＯ生成在穩(wěn)定低排放燃燒溫度范圍內相互矛盾，如何解決或者平衡燃燒溫度和逡逑ＮＯｘ、ＣＯ排放之間的矛盾，是當前燃氣輪機燃燒室發(fā)展的關鍵問題。逡逑１２０邋邐邋３０逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋；逡逑１００邋－邐—ｒａｎｇｅ邋ｆｏｒ邐／邐－邋２５逡逑ｌｏｗ邐：邐／逡逑ｓ邐丨邐ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ邐丨邐／ｎｏ，邐Ｉ逡逑Ｓ．邋８０邋—邐／邐—邋２０邋ｇ逡逑Ｉ邋＼邋丨邐＇＇邐Ｉ逡逑ｃ0＼邐：：邐＼邐＼逡逑0邋—＾１邋ｉ邐１邐１邐１邐0逡逑１５００邐１６００邐１７００邐１８００邐１９００邐２０００邐２１００逡逑Ｉ’ｒｉｍａｒｙ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋Ｋ逡逑ｉ000ｋ＾—邋ｃ0＝＝ｒｃｅ0ｒｚ匕一＾５00ｋ逡逑圖１．２邋ＮＯｘ和ＣＯ排放與燃燒溫度關系曲線圖Ｗ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＮＯｘ／ＣＯ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｆｉｒｉｎｇ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ１６１逡逑目前，由于國內外應用最廣的燃氣輪機燃燒技術為干式低ＮＯｘ技術（Ｄｒｙ逡逑ＬｏｗＮＯｘ，ＤＬＮ），，通過調研ＧＥ公司ＤＬＮ燃燒技術的發(fā)展，如表１．１所示，可逡逑２逡逑

燃料軸向分級燃燒技術（Ａｘｉａｌ邋Ｆｕｅｌ邋Ｓｔａｇｅ，ＡＦＳ）是指將燃料和空氣分成兩逡逑部分噴入燃燒室，同時燃燒室在軸線方向上分成兩個區(qū)域，即主燃區(qū)和二級燃燒逡逑區(qū)，如圖１．３所示，一級燃料和一級空氣在主燃區(qū)完成預混燃燒，二級燃料和二逡逑級空氣的未燃預混氣與主流高溫煙氣摻混均勻后在二級燃燒區(qū)完成整個燃燒過逡逑程。逡逑３逡逑
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK473

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本文編號：2653129