發(fā)布時(shí)間：2020-05-28 18:05

【摘要】：污染物排放控制是燃燒室的關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)之一,發(fā)展適用于NOx排放預(yù)測的數(shù)值方法是預(yù)先評(píng)估低污染燃燒室的重要途徑�；贑FD模擬結(jié)果的化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型(CRN)方法具有快速預(yù)估燃燒室NOx排放的優(yōu)勢。本文首先通過CFD數(shù)值模擬手段獲得了貧預(yù)混燃燒室流場、溫度場以及組分分布等特征,重點(diǎn)研究了CRN模型區(qū)域劃分的方法。基于燃料空氣摻混特性、速度場、溫度場、OH分布以及Da數(shù),燃燒室被離散劃分為預(yù)熱區(qū)域、火焰鋒面區(qū)域、火焰過渡區(qū)域、后火焰區(qū)域、中心回流區(qū)域以及角回流區(qū)域,建立了復(fù)雜的CRN模型表征燃燒室內(nèi)部的流動(dòng)特征和火焰結(jié)構(gòu)。研究CRN區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)和CRN模型差異對(duì)預(yù)測燃燒室出口NOx排放特性的影響。與簡單的CRN模型相比,在較高的絕熱火焰溫度條件下,復(fù)雜CRN模型預(yù)測NOx排放特性的優(yōu)勢更明顯,表明CFD-CRN混合模擬方法更適用于高當(dāng)量比條件下貧預(yù)混燃燒室NOx排放的快速有效預(yù)測。不同CRN區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)的差異主要體現(xiàn)在相鄰區(qū)域之間的停留時(shí)間分布的變化,而對(duì)燃燒室總停留時(shí)間和總煙氣回流分配比例影響較小,因此對(duì)CFD-CRN方法預(yù)測燃燒室NOx排放的影響較小。在驗(yàn)證CFD-CRN方法有效性的基礎(chǔ)上,通過敏感性和不確定性分析研究反應(yīng)區(qū)域停留時(shí)間和煙氣回流比例等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)NOx排放預(yù)測的影響。單樣本統(tǒng)計(jì)分析和Levene檢驗(yàn)表明在相同擾動(dòng)強(qiáng)度的條件下,反應(yīng)預(yù)熱區(qū)域和火焰鋒面區(qū)域的停留時(shí)間擾動(dòng)對(duì)CRN模型預(yù)測NOx的生成量和穩(wěn)定性影響更顯著。在較高的絕熱火焰溫度條件下,煙氣回流分配比對(duì)CFD-CRN方法預(yù)測NOx生成有顯著影響,因而需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確性計(jì)算。對(duì)不同壓力和燃/空摻混不均勻性條件下貧預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,分別比較在高壓和燃/空摻混惡化條件下燃燒室CRN區(qū)域劃分、停留時(shí)間和煙氣回流比等關(guān)鍵參數(shù)的變化差異。結(jié)果表明,壓力升高和燃/空摻混不均勻性增加時(shí)的CRN區(qū)域分布特征具有相似性,但是高壓和燃/空摻混惡化均導(dǎo)致燃燒室火焰溫度升高,使得燃燒室高溫區(qū)域逐漸向燃燒室上游進(jìn)行移動(dòng),對(duì)反應(yīng)預(yù)熱區(qū)域、火焰鋒面區(qū)域和中心回流區(qū)域分布的影響更明顯。停留時(shí)間和煙氣回流比例等關(guān)鍵參數(shù)變化引起的流體動(dòng)力學(xué)特性差異對(duì)CRN模型預(yù)測燃燒室NOx生成的影響并不顯著。利用CRN模型研究了絕熱火焰溫度、壓力和預(yù)混不均勻性對(duì)NOx生成和反應(yīng)路徑的影響機(jī)制。在較低的絕熱火焰溫度和燃/空摻混均勻條件下,壓力升高時(shí)O自由基濃度降低,導(dǎo)致燃燒室NOx生成量逐漸減小,但是燃/空摻混惡化會(huì)導(dǎo)致NOx生成量隨著壓力的升高而呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。在較高的絕熱火焰溫度條件下,即使預(yù)混均勻性較好,NOx生成量隨著壓力的升高而呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,并且隨著預(yù)混均勻性變差,壓力的負(fù)面影響也越來越大,壓力升高促進(jìn)NOx生成的趨勢更顯著。最后絕熱火焰溫度和壓力升高導(dǎo)致燃/空摻混不均勻性對(duì)NOx生成的敏感性更高,NOx生成量隨著預(yù)混不均勻性增加而增加的趨勢更顯著�？傊�,本論文以貧預(yù)混燃燒器為對(duì)象,通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,建立了適用于貧預(yù)混燃燒室NOx排放預(yù)測的CFD-CRN模擬方法,分析了高壓和燃/空摻混惡化條件下該方法預(yù)測燃燒室NOx排放的適用性。CFD-CRN模擬方法是燃燒室污染物排放預(yù)估的便捷有效方法,對(duì)低污染燃燒室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

件下低ＮＯｘ污染物排放的穩(wěn)定燃燒。逡逑１．２．１邋ＧＥ邋公司逡逑ＧＥ公司燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)發(fā)展趨勢如圖１．３所示，１９世紀(jì)８０年代，ＧＥ公司燃逡逑燒技術(shù)主要以多噴嘴的擴(kuò)散燃燒技術(shù)為主，為了滿足美國環(huán)保局提出的新的污染物逡逑ＮＯｘ排放標(biāo)準(zhǔn)７５ｐｐｍｖｄ（＠１５％0２），ＧＥ公司開始開發(fā)適用于干式燃油的ＤＬＮ１技術(shù)，逡逑隨著污染物排放標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格，ＧＥ公司對(duì)燃燒噴嘴結(jié)構(gòu)、燃料系統(tǒng)方式等不逡逑斷優(yōu)化，形成了最新的ＤＬＮ邋２．６＋燃燒技術(shù)。逡逑Ｉ邋ＤＩＮ２邋６＊￣Ｉ逡逑Ｉ邋ｌｕｏｏｌｆｕｆ邋Ｉ逡逑�。疱澹樱穑辏辏椋蒎义�0邋—邐ｆ邋ｆ邋Ｉ逡逑0邐ｒ邋■邋■邋■邋＿邋ｔ邐＼逡逑ｔｕ邐Ｓｔａｎｄｏｒｔｉ邋Ｍｕｌｔｉ邋Ｎ0￡ｚｉ？邐ＯＬＮ１逡逑？Ｅ邐ｃｏｃｎｂｕｉｔｏｒ邋Ｑｕｉｖｔ邋Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ邐．邐邐逡逑■ｇ邐：邐＂＝？？？－邐０１Ｎ１？逡逑圖１．３邋ＧＥ公司燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)演化Ｗ逡逑Ｆｉｇｌ．３邋Ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＧＥ［９１逡逑３逡逑

逡逑ＤＬＮ１燃燒技術(shù)是同串聯(lián)式同心徑向燃料分級(jí)預(yù)混燃燒系統(tǒng)，如圖１．４所示。外逡逑圍旋流預(yù)混噴嘴與中心體值班擴(kuò)散噴嘴在相對(duì)軸向位置上前后錯(cuò)開，利用火焰筒的逡逑橫截面進(jìn)行燃料分級(jí)以滿足燃燒系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式要求：初級(jí)燃燒模式，，貧－貧燃逡逑燒模式、二級(jí)燃燒模式和預(yù)混燃燒模式。商業(yè)機(jī)組運(yùn)行結(jié)果表明ＤＬＮ１燃燒系統(tǒng)的逡逑ＮＯｘ最高排放極限下降至１８．４５邋ｍｇ／ｍ３［１Ｇ］。逡逑Ｐｒｉｍａｒｙ邋Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ邋（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋Ｆｌａｍｅ）邐Ｌｅａｎ－Ｌｅａｎ邋Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑Ｆｕｅｌ邋－邋Ｉｇｎｉｔｉｏｎ邋ｔｏ邋２０％邋Ｌｏａｄ邐￡ｕｅＬ邋－邋２０邋ｔｏ邋５０％邋Ｌｏａｄ逡逑１００％邋ｙｉ邐ｉ－ｙｊ邐Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ邋６０％逡逑Ｍ邐Ｐａｒｔｉａｌｌｙ逡逑—＇￣￣Ｐｒｅｔｔｉｅｄ逡逑３ｒｌ邐Ｈ］邋Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ邋Ｚｏｎｅ邐ＩＬ邐ＬＬＩ逡逑Ｐｒｉｍａｒｙ邋Ｚｏｎｅ邐｜邐｜逡逑Ｕｕ＊＞ＵｎｎＱ邋．邋ＨｓｗＳＭｖｔ邋Ｉ逡逑ｍ邋ｙ邋ｎｊ邐逡逑邐邋－邋ｐｒ＾ｌｅｌＳｓｈｅｄ邐－邋Ｐｎｎ＾．ｏｎｅｃｏｎｖｅｒｔａｄｔｏｐ．ｅｍ．ｘｅｒ逡逑二］＾邐＾邋｜Ｐ＿＿＾逡逑巧；？＜Ｃ邐－邋一邋ｍ邐［■ｉｐ＝＾＝ｚｚｚ——邐邐逡逑Ｘｌ邐Ｌｏｗ邋ＮＯ？，ＣＯ逡逑（ａ）邋ＤＬＮ１燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)邐（ｂ）邋ＤＬＮ－１變工況燃燒運(yùn)行模式逡逑圖１．４邋ＤＬＮ－１燃燒系統(tǒng)以及燃燒運(yùn)行模式逡逑Ｆｉｇ．１．４邋Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ａｎｄ邋ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅ邋ｏｆ邋ＤＬＮ－ｌ｜ｎｉ逡逑為了達(dá)到ＮＯｘ污染物排放標(biāo)準(zhǔn)降低到５ＰＰｍ、Ｃ？污染物排放標(biāo)準(zhǔn)降低到逡逑２５ｐｐｍ
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK16

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