第26卷第1期《燃氣輪機技術》Vol. 26 No. 12013年3月GAS TURBINE TECHNOLOGYMar.,2013合成氣燃燒室NO排放估算方法分析林清華1,23,張哲巔23,肖云漢21.中國科學院大學,北京1001902.中國科學院先進能源動力重點實驗室(工程熱物理研究所),北京100190;3.中國科學院能源動力研究中心,江蘇連云港222069)摘要:隨著燃氣輪機NO,排放標準日趨嚴格,NO,排放預測在燃燒室設計階段尤其初步設計階段顯得越來越重要?，F有燃氣輪機燃燒室NO,排放估算經驗/半經驗公式多建立在液體燃料和天然氣燃料試驗數據基礎上,應用到合成氣燃燒室NO,排放估算需進行驗證。為此,篩選了多篇文獻中多個典型的經驗/半經驗公式,并將估算值與CE公司F級燃燒室燃燒合成氣時NO,排放的試驗測量值比較。對比結果表明,經驗/半經驗公式不能直接適用于合成氣燃燒室。通過分析并結合已有NO,排放數據對比提出新的適合于合成氣擴散燃燒的燃氣輪機燃燒室NO,排放估算公式。公式有效性以及參數的范圍有待進一步驗證。關鍵詞:NO,估算;燃氣輪機燃燒室;合成氣中圖分類號:TK472文獻標識碼:A文章編號:1009-2889(2013)01-000906符號說明V燃燒室燃燒區(qū)體積,m3。燃燒室總過量空氣系數近年來,隨著用戶對燃氣輪機性能要求的不斷L理論空氣量,kg/s;提高,設計者需要不斷提高和完善在燃燒室不同設M,燃氣的相對分子質量本文取298;計階段的設計方法1;相關法律法規(guī)對燃燒室的污MNO,的相對分子質量,本文取46染排放標準要求越來越嚴格2),NO排放估算在燃m。進入燃燒室的總空氣質量流量,kg/s;燒室設計階段顯得越來越重要。精確的污染物估算燃料質量流量,kg/s;模型不僅需要考慮詳細的化學反應機理,還需要結NO.NO,的排放無特別說明時為體積分數;合三維數值模擬。Rik和 Mongia34應用詳細的燃燒室進口壓力,Pa;化學反應機理與三維數值模擬計算結合來建立NO,ΔP1/P?；鹧嫱矇毫p失與進口壓力之比,本排放估算模型,模擬結果與試驗結果吻合很好但該文取0.03;類精細模型需要耗費的時間與成本比較大?？紤]到燃料與空氣質量之比;時間和成本等因素,一般在燃燒室初步設計階段qTTT化學當量比為1時的火焰溫度,K;對NO2污染物排放的估算多選擇使用經驗/半經驗主燃區(qū)溫度,K;公式進行快速估算。燃燒室進口溫度,KSullivan16根據前人估算公式形式提出了一個燃燒室出口溫度,K簡單的NO,估算公式,用該公式估算的結果與簡單在公式2中表示NO的形成時間,其循環(huán)和聯合循環(huán)中NO,排放試驗值吻合很好?？妓絼t表示燃氣在主燃區(qū)的停留時間,ms;慮燃料的蒸發(fā)速率和燃料蒸氣與空氣的混合速率燃料蒸發(fā)所需要時間,msMellor提出了一個基于各種過程的特征時間為參收稿日期:2012-09-03改稿日期:2012-10-23中國煤化工基金項目:863計劃重大項目課題(NO.2008AA0O5A301)CNMHG作者簡價:林清華(1987-),女,廣西玉林人,研究生,E-mal: qinghua_0305@163.cm。10燃氣輪機技術第26卷數的№O排放估算模型,幾種不同燃氣輪機燃燒室燒室是燃氣輪機的核心部件之一,適用于天然氣、液的試驗測量數據結果表明這個關系式的通用性。體燃料的燃氣輪機和合成氣燃氣輪機的最大區(qū)別也Lefebvre、Rizk和 Mongia以及其他一些研究者在于燃燒室。傳統(tǒng)天然氣燃燒室改燒合成氣時等1都根據各自開展的試驗及結果,提出了簡單需要對燃燒室進行相應的改造,以適應合成氣燃燒,的計算NO,排放的經驗半經驗公式。這些公式在同時滿足燃燒室的性能要求。與天然氣和液體燃料預測相同類型燃燒室排放時都達到了一定的吻合程相比,合成氣的熱值和組分有很大的變化,其體積熱度。國內陳曉麗等將文獻出現的污染物估算公值低,約為天然氣的1/3甚至更低,主要可燃組分是式進行了分析,意圖找出適合R0110燃燒室的污染C0和H26。當燃氣輪機燃燒低熱值合成氣時,物估算公式,但未找到適合該燃燒室特性的排放估為了使燃氣輪機燃燒室的出口溫度達到原來數值,算公式。就要比天然氣多3倍以上體積流量。一般擴散由于上述研究者提出公式的很多實驗數據是基燃燒只含CO和H2的合成氣燃燒結果會使NO3排于液體燃料,隨著燃燒室?guī)缀谓Y構、燃燒方式以及燃放超標,因此需要對合成氣進行稀釋,通過摻混N2、料的多元化,這些經驗/半經驗公式可能不適合氣體蒸汽、CO2或者它們的混合物來達到進一步降低燃燃料,特別是合成氣燃料燃氣輪機燃燒室NO,排放料熱值的目的,進而使得NO,排放達標。合成氣擴預測。本文篩選出現在文獻中一些代表性的NO2散燃燒排放的NO主要來源:快速型NO,燃料型估算的經驗/半經驗公式并進行相應的實驗數據對NO,和熱力型NO,。燃料型NO,主要氧化合成氣中比驗證,以期找出適合以合成氣為燃料的燃燒室的的含氮化合物,如HCN和NH3,這些含氮化合物來NO2排放估算經驗公式;同時利用試驗數據以及對源于氣化過程。與熱力型NO,相比快速型和燃經驗公式進行系數修正獲得新的經驗關系式,適用料型NO,所占的比例很小,因此在燃燒室初步設計于合成氣燃燒室NO、排放,供合成氣燃燒室初步設階段,對NO,的估算主要是熱力型NO,估算可選計階段使用。擇相應的經驗關系式進行計算。1合成氣燃燒室2NO,經驗/半經驗公式合成氣燃氣輪機主要用于整體煤氣化聯合循環(huán)通過文獻調研,用于燃燒室NO,排放估算的經( Integrated Gasification Combined Cycle,IcC)。燃驗/半經驗公式如表1所示。表1NO,經驗/半經驗估算公式列表作者經驗關系式單位序號9×10-8P}25 Veep(0.01T壓力:kPakg溫度:KOdgers and Kretschmer(2, 8]29?216701-exp(-250)]g/kg壓力:Pa溫度:KPn3/Tn-1471壓力:Psia0345溫度:R0.0070(P68948)0x/.005Tm壓力:Psia溫度015×0(r-05n)0=(壓力:kPaRizk and Mongia[9)溫度:KM. Shehata[ 12]26×10-m(-50+36r-n=)×0-溫度:KRokke et al(2.18.1×P14m:3q0n×10-6中國煤化工Lewis[8133192×10-6axp(0.0097757m)P93×10CNMHG合成氣燃燒室NO,排放估算方法分析公式1適用于液體燃料燃燒室,若使用該式對貧預混預蒸發(fā)燃燒室NO,排放估算,需將公式中的T用T來替代。公式1在預測F00F101、J7917A、J9-17C、TF33、TF39、TF41等燃燒室的NO,排放中,與測試數據吻合相當好。公式2適用于液x新丐體燃料燃燒室。同時 Odgers和 Kretschmer推薦在計算航空燃燒室使用空氣霧化器時NO2的形成特征時間取08ms,使用壓力霧化器時NO,的形成時間取1.0ms;對于工業(yè)燃燒室燃燒液體燃料時,形燃料凈比能(Mm3成時間范圍為1.5~2.0ms。公式3適用于單環(huán)型燃燒室( single annular combustor)。公式4適用于圖1不同稀釋劑下合成氣燃燒室NO,排放LPP燃燒室( lean premixed prevaporized combustor)值合成氣工況下NO,的排放值。本文使用的合成公式5適用于液體燃料燃燒室。本文研究的燃燒室氣組分是華東干基合成氣組分,在相同比例的H2燃燒合成氣,因此公式中T取為0。公式6適用于CO/CO2下再分別摻混N2、水蒸氣和CO2,具體如表由傳統(tǒng)燃燒室改造的LP燃燒室。適用參數范圍2、表3和表4所示。所有NO,排放估算結果統(tǒng)一折為800~2000K。公式7適用于重型燃氣輪機燃燒算到15%參考氧氣體積濃度下的體積分數。室。該式計算結果與5臺功率在1.5~34MW的工表2試驗1燃料組分業(yè)燃氣輪機燃燒天然氣排放NO,的測量值吻合很燃料凈比能/M:m3)C0HC好。公式8適用于貧均質燃料燃燒室。0.4550.3030.1080.134為了方便估算式與實驗數據進行比較,需根據0.4040.2700.2070.119所有實驗數據對公式結果進行單位的統(tǒng)一,下面是0.3540.2360.3060.104計算中用到的單位換算:87650.3030.2020.0.0891 gkg=2 054M/(aLoMNo)mg/m0.2530.1680.0.074(NO,)1so2=5.9(NO)/(20.9-(02)es)表3試驗2燃料組分其中,1g/kg表示1g質量的NO,與單位質量燃料凈比能/(MJ·m3)H2CO2燃料的比值;NO)和(O2)m分別表示出口NO,和氧氣體0.326積分數。0.3540.4593經驗公式驗證0.2530.579對于不同NO,排放的估算公式,估算結果的準表4試驗3燃料組分確性不僅與公式適用的燃燒室形式、燃料及燃燒方燃料凈比能/(MJ·m3)COH2H20C2式有關,還與公式中參數的正確估算有很大的聯系,0.4550.3030.1080.134如燃燒室主燃區(qū)的長度、燃燒區(qū)體積、主燃區(qū)溫度以0.4040.2700.2070.119及主燃區(qū)空氣流量等。準確地估算這些參數可0.3540.2360.3060.1以提高估算式的準確性。本文采用GE公司F級合成氣燃氣輪機燃燒室的NO,排放試驗結果(如圖10.2530.1680.5050.074所示)來校核NO排放經驗公式的有效性和適用估算式中參數TnT4和過量空氣系數α的確范圍。定方法為采用 Chemkin中的 Chemical and Phase E圖1是1990年GE公司在F級燃燒室上,以 quilibrium calculation模型來計算。過量空氣系數aH2/CO/CO2為基本組分的燃料中摻混N2、水蒸汽或是在出口溫中國煤化工,最后確定并者CO2,測試燃燒室的NO,排放特性(21。試驗中保得出平衡后CNMHG和壓力的設置持燃燒室出口溫度在1400℃,測量在燃燒不同熱來自F級燃燒至的多數,具俸但如表5。12燃氣輪機技術第26卷表5估算參數往合成氣中加入稀釋劑CO2、水蒸氣或者N2,P/PaTKv/m3×10△P1熱釋率以及火焰溫度都會降低,且隨著稀釋劑量的1654637690.150.03增加,火焰溫度會快速下降,有利于抑制熱力型NO,。由于CO2的等壓比熱是N2的16倍左右,紅4估算值與試驗值比較外輻射吸收能力較強,在三體反應中的伴隨效應較三組不同組分不同熱值燃料下NO,排放的估N2強2,在相同體積分數的稀釋劑下CO2的降溫效算值與試驗值隨主燃區(qū)溫度變化的比較,結果如圖果要比N好。而根據熱力型NO.的生成反應式2~圖4所示。O+N2→NO+N、N+O2→→NO+0和N+10000OH—→NO+H可知,水蒸氣與N2在燃燒溫度達到定數值后都會促進NO的形成但是N2更強。由圖5可以看出,水蒸氣的稀釋降溫效果介于N2與CO2之間合成氣組分及組分含量對于火焰溫度有x爾雨很大的影響。由圖1和圖5可看到,主燃區(qū)火焰溫度試驗值與NO2排放隨燃料凈比能的變化趨勢相似,也說明了合成氣燃燒中生成NO,與主燃區(qū)溫度密切相關。22002250230023502400245025002550圖2試驗1NO,隨主燃區(qū)溫度變化情況￥220Nx爾試驗值60007000燃料凈比能(kJmy圖5燃料凈比能與主燃區(qū)溫度的變化關系圖2~圖4可以看出,隨著主燃區(qū)溫度的上升,式1式2、式5式7和式8的估算結果都是呈上升2100220023002400趨勢,符合NO的排放規(guī)律;式6和式3則呈下降趨勢,這與熱力型NO,生成機理和實驗數據不符;式4圖3試驗2NO,隨主燃區(qū)溫度變化情況幾乎不隨溫度的變化而變化,原因是式4中與主燃區(qū)溫度等都無關,只與進出口溫度有關,也與熱力型l000NO,生成機理和實驗數據不符。式2和式7隨溫度變化也有變化但是斜率與試驗數據曲線斜率相比過于平坦,不符合NO隨溫度變化的規(guī)律。式1和式8的斜率與試驗曲線的斜率最接近,能比較正確的反應NO隨溫度變化的趨勢,但是兩者的估算結果都大大地偏離試驗值,不能準確預測NO,的生成量式5在熱值為5M/m3時估算結果與實驗吻合較好,200021002200230024002500但隨絕熱中國煤化工K)后估算結果迅速增大,NMHGI NO,估算。圖4試驗3NO,隨主燃區(qū)溫度變化情況合成氣燃燒中,合成氣組分以及組分比例不同第1期合成氣燃燒室NO,排放估算方法分析造成火焰溫度有很大的不同,在合成氣燃燒室中對于H2OK=-13.70727,B=0.00747;NO,的生成主要是熱力型,因此在估算公式中,準確對于N2:K=-13.38317,B=0.00747地估算溫度和選擇正確的估算公式同樣重要。對于不同的稀釋劑,函數A與T4的函數關系不5NO3經驗公式提出同。對于稀釋劑為H2O時,利用文獻[23]的試驗結果進行擬合。在固定熱值下,擬和ln(NO2)和燃燒由上面分析可知,所查的估算公式都不能直接室出口溫度T的關系,從而得出K的具體表達式適用于合成氣燃燒室NO,排放估算,為此需要提出結果如圖7所示。新的經驗公式。式5雖然在主燃區(qū)溫度較低時能比較準確地估算NO,的排放但是主燃區(qū)溫度往往很高,有必要提出一個在更高溫度范圍內可以反映合成氣燃燒的預測NO,排放的經驗關系式。由圖1和圖5可以看出,合成氣燃燒室中NO,排放主要受主燃區(qū)溫度的影響,同時隨著燃燒室負荷的變化NO,的排放也會有變化。燃燒室的出口溫度可以反映燃燒室的負荷變化?？紤]這些因素估算公式初步假定的形式為3322NO, =ATexp( BT)70080090010001100120013001400150074k其中,A是與出口溫度7有關的函數,B為圖7出口溫度與ln(NO,)擬合曲線常數。系數確定:根據GE試驗得到的NO,排放值與最后,用H2O稀釋時擬合得到NO,排放關系為:主燃區(qū)溫度的變化關系曲線擬合。對上式兩邊取對ln(NO,)=0.002587+0.07477-17.31927數,得(3)In(No,)=ln(at)+Bt(2)相應N2稀釋時圖1中出口溫度為定值,因此ln(A7)為定值,ln(NO2)=0.0025874+0.007477-169517設為K,(2)式變?yōu)镮n(NO,)=K+Bt(3)相應CO2稀釋時:hn(NO)=0.0025874+0.00747T-17.69844(5)若是混合稀釋按稀釋劑的百分比加權平均:hn(NO2)=0.0025874+0.00747Tm-(17.31927X0+16.9951X(6)表6是中科院先進能源動力重點實驗室進行的F級燃燒室試驗所采用的合成氣燃料的組分。試驗中燃燒室進口壓力為15845kPa,進口溫度為68546K。200021002表6燃料組分圖6主燃區(qū)溫度與In(NO2)的關系COH2CHa從圖6中可以看出,相同主燃區(qū)溫度下,不同的比例0.3490.1000.089稀釋劑對于NO4的排放還是有所不同,CO2最好,H2O次之,N2最次。但是,絕熱火焰溫度對ln(NO,表7試驗結果與估算值比較排放曲線斜率的影響在不同的稀釋劑條件下是相同估算值主燃區(qū)溫度中國煤化工誤差/的,將三條線線性擬和得YHCNMHG對于CO2:K=-14.08644,B=0.00747;2094.79.77863.214燃氣輪機技術第26卷計算結果如表7所示,計算結果與實驗結果吻8] Lefebvre arthur H. The role of fuel preparation in low-emission合很好,證明了公式的有效性。公式的應用條件之combustion[ J]. ASME, Paper 95-GT-465, 1995為合成氣燃燒室,對于公式中參數范圍仍需進[9 Rizk N. K. and Mongia H C, Semianalytical correlations for NOCO and UHC emissions[ J]. ASME, Paper 92-GT-130, 1992.步驗證。[10] Mongia H. C, Combining Lefebvre,'s correlations with combustor6結論CFD[J]. AIAA, Paper 2004-3544, 2004[11 Steele R C, Malte P C, Nicol D G, et al, NO, and n2o1)由GE實驗數據可以看出合成氣燃燒室NO,lean-premixed jet-stired flames [J]. Combustion and Flame排放受主燃區(qū)溫度影響很大,且合成氣組分以及組[12] Shehata M, Emissions and wall temperatures for lean prevapor-分含量不同NO,的生成率也有很大不同。ized premixed gas turbine combustor[ J]. Fuel, 2009, 88: 4462)由所査得估算公式的計算結果與GE實驗結果的比較可以知道,文中查得的估算公式都不適[13us.c, Williams F. A and Gebert K, A simplified, amen用于估算合成氣燃燒室NO2的排放tally based method for calculating NO, emissions in lean premixedcombustor [J]. Combustion and Flame, 1999, 119: 367-3733)提出適合于合成氣擴散燃燒的燃氣輪機燃[14]陳曉麗,祁海鷹謝剛,等DLN燃燒室污染物排放估算方法燒室NO,排放估算公式,公式如下所示:析[J].熱能與動力工程,2010,25(6)599-60n(NO,)=0.002874+0.00747T[15 Jones Robert M, Shilling Norman Z. IGCC Gas Turbine for Re(17.31927xno+16.99517Xy2+finery Applications [R]. GE Power Systems. GER-421917.69844Xco,)[16]雷宇徐綱房愛兵,等,燃氣輪機合成氣燃燒室動態(tài)特性的實驗研究[門].工程熱物理學報,2005,26(6):1057-1060用該公式進行NO,排放預測時與試驗值吻合[17]徐綱,俞鑌,雷宇,等,合成氣燃氣輪機燃燒室的試驗研究很好但公式有效性以及參數的范圍有待進一步[J].中國電機工程學報,2006,26(17):100-105驗證。[18] Whitty K J, Zhang H R and Razdan M K, Emissions from syrgas combustion[J]. Combustion Science and Technology, 2008參考文獻:voL.180:1117-1136[1] RizkN. K. and Mongia H. C, Three-dimensional NO, model for [19] Rizk N K, Chin IS Marshall A W, et al, Predictions of Norich/lean combustor[ R]. AlAA, Paper-93-0251, 1993formation under combined droplet and partially premixed reaction[2] Lefebvre Arthur H. Gas Turbine Combustion [M]. 1998, Taylorof diffusion flame combustors[J]. 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ASME, Paper 76-GTbustion system for medium-Btu fuel[ C]. Intemational Gas Tur5.1976bine Conference and Exhibit. Houston. TX. USA. 18 Mar[7] Mellor A. M, Semi-empirical correlations for gas turbine ersions, ignition, and flame stabilization[ J]. Progress in Energy and(下轉第26頁Combustion Science. 1980. 6: 347-358中國煤化工CNMHG26燃氣輪機技術第26卷Research and Improvement of performance ofMicro-Turbine Combustor Premixing StructureKANG Zhen-ya, ZHENG Hong-tao, JIA Xiang-yu, TANG Zhong-bin, HU Xiao-mingCollege of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)Abstract For the design of micro-combustor, numerical simulation of the Osaka University experiment and the optimization of itsstructure are carried out based on the conclusion of common engineering structures. The result shows that the fuel injection rate is inde-pendent of the position of injection holes in the premixed structure; while there is positive correlation between the fuel injection rate andareas of injection holes. Moreover, positions and diameters of injection holes have sigmificant influence on the premixing non-uniformityof fuel and air mixture. Through comparison of the maximum temperature in reacting zone and pollutant emission index of two improvedstructures, it is found out that the reduction of premixing non-uniformity has significant influence on combustion performance and reduction of maximum temperature Therefore, intensifying premixing and reducing non-uniformity by improving the structure of combustorcould lower maximum combustion temperature, though COemission will Increase.Key words: micro-turbine; combustor; DLE; premixing mode; unmixedness(上接第8頁)Fault Analysis of Starting Procedure for A Marine Gas TurbineZHU Wei-jun, YU You-hong(1. Unit No 91959, Hainan Sanyan, 572000, China2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: The Gas turbine starting procedure includes motor drive, air compression, ignition and burning, turbine acceleration, etcIn the starting procedure that from static condition to dynamic condition, the electric energy and the fuel chemical energy convert to themechanical energy, and it is a sharp physicochemical change and an easily failing process. Based on analysis the gas turbine startingharacteristics, the probability fault types and reasons during starting is analysed. To analyse typical fault, the precautions and recom-mendation in real manipulation and operation are given in this paper.Key words: marine gas(上接第14頁)Analysis of the Methods for Estimating Nox Emissions from Syngas CombustorLin Qing-hua,2, 3, ZHANG Zhe-dian2,,XIAO Yun-han(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Key Laboratory of Advanced Energyand Power, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3. Research Center for Clean Energy and Power, Chinese Academy of Sciences, Jiangsu Lianyungang 222069, China)Abstract: With regulations governing No, emissions becoming more stringent, it's more important to estimate NO, emissionsprocess of design gas turbine combustors. Correlations for NO, emissions predictions mostly were derived from data based on combiexperiments burned liquid fuel or natural gas. So it needs validation before using these correlations to predict NO, emissions from gasturbine combustor burned syngas. Compared these correlations results with NOn experimental data from GEs F-class combustors burned syngas, the results showed that all correlations appeared in this paper cant accurately predict NO, emissions from syngascombustors. Based on the GE's experimental data, a new correlation is proposed wisyngas combustors. Further validation of the correlation effectiveness and the scopeYH中國煤化工No, emissions fromCNMHGKey words: NO, emission predictions; gas turbine combustors; syngas