提高燃燒室出口溫度是提升燃氣輪機效率的有效途徑之一,但提高燃燒室出口溫度將會大幅增加NO_x排放。為緩和燃燒室出口溫度與NO_x排放之間的矛盾,燃料軸向分級形式的燃燒室設計方案逐漸受到關注并在高等級（1975 K）燃機中具有應用潛力。為評估燃料軸向分級燃燒降低NO_x排放的潛力、探究影響NO_x和CO排放性能的關鍵因素并了解其二級燃燒區(qū)的火焰特征,本文針對燃料軸向分級燃燒技術開展了一系列的模擬和實驗研究,主要研究內容如下:首先,基于二級反應物與煙氣的完全摻混和不完全摻混假設,分別構建了簡化的燃料軸向分級燃燒化學反應器網絡模型,并對燃料分配、停留時間分配、二級摻混不均勻性、壁面熱損失、進氣溫度和壓力等因素進行了參數化研究。針對燃機工況下的模擬計算表明,當燃燒室出口溫度達到1975 K時,單級燃燒模式的NO_x排放水平將會達到60 ppm@15%O₂左右。而理想摻混條件下軸向分級燃燒方案可將NO_x排放降低至16 ppm@15%O₂

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁數】：195 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

LPM燃燒技術最低NO排放理論值的預測（P=25atm,τres=25ms）[3]

第1章緒論3圖1.2LPM燃燒技術當量比區(qū)間[30]Figure1.2Operationalrangeoffuel/airratioforLPMcombustion[30]催化燃燒技術通過多相催化機制實現燃料/空氣在極低當量比條件下（如圖1.2所示）的穩(wěn)定氧化過程，其反應溫度通常低于1500℃[30]，因此該技術大大降低了熱力型NO的生成，并在催化條件下可保證燃料的充分燃盡[6]。GE公司已開展了應用于其MS9001E型燃機的全負荷催化燃燒試驗（燃燒室出口溫度1190℃）并實現了極低的NOx排放（<2ppm）[6;30]。但是，由于該技術對反應溫度的限制，其應用于高參數燃機的可行性仍有待研究。EGR燃燒技術通過循環(huán)部分煙氣進入主燃燒區(qū)并與反應物進行混合，降低了反應區(qū)的O2和O自由基濃度并增加了H2O和CO2濃度，從而抑制熱力型NOx生成的主反應N2+ONO+N的進行，實現對燃燒室整體NOx排放水平的控制[3]。EGR技術也是實現MILD燃燒或無焰燃燒的可行方案之一[16]。但是由于該技術尤其是煙氣外循環(huán)燃燒技術降低了燃燒反應的初始氧濃度，往往會引起火焰穩(wěn)定性和燃燒效率的下降[31]，進而導致CO和未燃碳氫化合物排放量的增加[32]。因此EGR燃燒系統(tǒng)中氧化劑的氧含量通常不低于16%（體積分數）[31]。MHI公司已開展了將煙氣外循環(huán)技術應用于1975K級燃機的高壓試驗研究，并在進口氧含量為17%的工況下實現了NOx排放低于50ppm@15%O2和CO排放低于10ppm@15%O2的排放水平[14]。MILD燃燒通常又被稱為無焰燃燒（FlamelessOxidation，FLOX）或高溫空氣燃燒（HighTemperatureAirCombustion，HiTAC）[16]。盡管不同命名下其定義略有區(qū)別[16]，但本質上都是通過對反應物的預熱和稀釋，降低燃燒區(qū)氧濃度和熱釋放強度，抑制局部高溫區(qū)的形成，從而實現對NOx生成的有效控制。目前，逆流[33]、平行射流[34;35]以及旋流[36;37]等不

第1章緒論5圖1.4DLN與燃料軸向分級燃燒技術NOx減排潛力的對比[18]Figure1.4ComparisonoftheNOx-abatmentpotentialbetweenDLNandaxial-fuel-stagedcombustion[18]綜上所述，考慮到當前的LPM燃燒技術隨著燃燒室出口溫度的進一步提高，有可能無法滿足未來更低的NOx排放標準[4;5;38]，而燃料軸向分級燃燒的設計方案，既可以發(fā)揮常規(guī)LPM技術在其優(yōu)勢當量比區(qū)間內的低NOx排放優(yōu)勢，又有可能可利用二級燃燒區(qū)潛在的MILD燃燒機制以最小的NOx增量實現更高的燃燒室出口溫度，在未來更高級別的燃燒室設計中具有很好的應用前景。但是，需要指出的是，上述Goh等人[18]對分級燃燒NOx減排潛力預測基于完全摻混假設，且其模型最優(yōu)工況下二級停留時間甚至低于1ms，這在實際應用中很難實現。而實際摻混條件下，二級燃燒區(qū)的NOx排放將會受二級火焰抬升、一、二級當量比范圍、二級預混不均勻度、二級噴嘴形式等各種因素的影響，且這些因素往往互相耦合，為軸向分級燃燒室的NOx減排效果帶來了很大的不確定性。因此，開展實際摻混條件下的燃料軸向分級燃燒研究對于進一步評估其NOx減排潛力、揭示其二級NOx抑制和生成機制、了解其在實際應用中的價值和潛在風險具有重要意義。本論文以典型交叉射流作為二級流場的組織形式，開展了一系列針對燃料軸向分級燃燒技術的模擬和實驗研究，希望進一步揭示燃料軸向分級燃燒在不完全摻混條件下的NOx排放機制和火焰特征，對于燃料軸向分級燃燒室的設計以及實現高等級（1975K）燃機燃燒室方案的國產化具有一定的參考價值和借鑒意義。燃料軸向分級燃燒技術的研究現狀二十世紀七十年代，NASA的ECCP計劃（ExperimentalCleanCombustorProgram）首先提出了分級燃燒室可以降低NOx排放，并在Pratt&Whitney（P&W）公司的JT8D和JT

【參考文獻】：
期刊論文
[1]航空發(fā)動機加力燃燒技術發(fā)展[J]. 夏姣輝.  航空動力. 2020(03)
[2]基于小火焰生成流型模型的噴霧燃燒數值計算[J]. 周奇艷,錢勇,馬立坤,呂興才.  燃燒科學與技術. 2020(01)
[3]Turbulent combustion modeling using a flamelet generated manifold approach——a validation study in Open FOAM[J]. Tao LI,Fanfu KONG,Baopeng XU,Xiaohan WANG.  Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2019(08)
[4]燃氣輪機燃燒室預混燃燒器天然氣燃料/空氣摻混均勻性研究[J]. 邵衛(wèi)衛(wèi),趙巖,劉艷,王翰林,田勇,路源,張哲巔,肖云漢.  中國電機工程學報. 2017(03)
[5]G/H級燃氣輪機燃燒室技術研發(fā)的分析與思考[J]. 付鎮(zhèn)柏,蔣洪德,張珊珊,呂煊.  燃氣輪機技術. 2015(04)
[6]湍流擴散火焰局部熄火現象的大渦模擬研究[J]. 朱文中,楊漸志,陳靖,陳義良.  推進技術. 2015(06)
[7]Large-eddy simulation: Past, present and the future[J]. Yang Zhiyin.  Chinese Journal of Aeronautics. 2015(01)
[8]重型燃機干低NOx燃燒室設計中的關鍵問題[J]. 謝剛,艾松,陶健,趙世全,楊勇,馮珍珍.  東方電氣評論. 2014(02)

碩士論文
[1]平行射流柔和燃燒器燃燒特性研究[D]. 張環(huán).中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所) 2018
[2]天然氣高效低NOx鍋爐柔和燃燒器研究[D]. 陳衛(wèi)杰.中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所) 2018



本文編號：3357101