第29卷第1期工程熱物理學報Vol 29. No. 12008年1月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJan.2008燃氣輪機合成氣燃燒室燃料氣加濕實驗研究雷宇12房愛兵12徐綱1聶超群1黃偉光1(1.中國科學院工程熱物理研究所,北京100080;,2.中國科學院研究生院,北京100080)擁要本文針對一種燃用合成氣的40MW級燃氣輪機燃燒室,進行了該型燃燒室的全壓燃料氣蒸汽加濕試驗研究得到了燃燒室在基本負荷下隨加濕量變化污染物排放、燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力、火焰筒壁面溫度等重要參數(shù)的變化規(guī)律,分析了燃料氣加濕對燃氣輪機總體性能、污染物排放、火焰筒壁溫及燃燒穩(wěn)定性方面的影響,探討了燃料氣加濕對合成氣燃燒中NOx生成的機理性作用,研究表明燃料氣加濕是降低燃用合成氣的燃氣輪機氮氧化物排放的有效方式關(guān)鍵詞燃氣輪機;合成氣燃燒室;燃料氣加濕;NOx排放中圖分類號:TM61124文獻標識碼;A文章編號0253231X(2008)01-016104EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE EFFECTSOF FUEL DILUTION WITH STEAM OF ON AGAS TURBINE FIRING SYNGASLEI YU I, 2 FANG Ai-Bing, 2 XU Gang! NIE Chao-Qun HUANG Wei-Guang I(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China)Abstract This paper describes the study focusing on the influence about steam dilution of fuel forreducing the NOr emission. Experimental investigations are conducted on a 40 M gas turbine firedwith syngas. The pollutant emissions, combustor dynamic pressure, metal temperature distribution ofliner and combustion efficiency are measured and analyzed at the base load of gas turbine with differentsteam injection rate to fuel flow for further understandings about NO formation characteristics insteam diluted syngas and its influence on gas turbine performance. The investigation of this paperswork shows that steam dilution is an effective method for NO emission control in practical gas turbinecombustion systems fired with syngas.Key words gas turbine combustor; syngas; fuel dilution with steam; NOr emission1引言以往這方面的技術(shù)研究多集中于以天然氣和重油為隨著整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GCC)燃料的燃氣輪機機組中,通過向燃燒室中噴射水或和煤炭聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以煤氣化過程中產(chǎn)生的合成水蒸汽,在保證機組穩(wěn)定運行的前提下,最多可獲氣為燃料的燃氣輪機獲得了越來越廣泛的應(yīng)用.盡得降低70%NO2排放的效果國. Lupandin2和管合成氣作為一種清潔燃料具有幾乎不產(chǎn)生SOx、 blevins等針對擴散火焰和預(yù)混火焰的加濕燃燒進粉塵、廢棄物污染的優(yōu)良特性,但如何通過合適的行了研究,發(fā)現(xiàn)加濕量對NO2和CO排放有顯著的手段控制和降低燃燒過程中產(chǎn)生的NOx,使其滿足影響. Touchton進行了直接噴射水到燃燒室中的環(huán)保法規(guī)的要求,仍然是一個不可回避的問題研究,發(fā)現(xiàn)過量的噴水會造成燃燒不穩(wěn)定并降低燃向擴散型燃燒室中噴射水或蒸汽來降低NO=排燒室熱效率.Li比較了N2、H2O、CO2和Ar稀放是一種得到廣泛應(yīng)用的燃氣輪機污染控制手段釋對甲中國煤化工句,認為H2O稀收稿日期:20061201;修訂日期:2007-11-27CNMHG作者簡介雷宇(1972-)男,湖北宜昌人,助理研究員,博士研究生,主要從事氣相燃燒方面的研究工作工程熱物理學報29卷釋是其中最有效的NOx減排手段分布.樣本氣體在除濕器內(nèi)簡單的除濕后,流經(jīng)伴針對合成氣的加濕燃燒研究近年來日益受到重熱管線進入分析儀,伴熱管線恒溫保持在150°C,視.Aen等研究了CO/H2O/N2混合物的氧化反排氣分析裝置使用 MRU VarioLus增強型煙氣分析應(yīng)機理. Charlston-Goch(等利用激光誘導熒光技儀進行測量.該儀器在試驗前后均按GB/T183451術(shù)(LI)進行了預(yù)混合成氣火焰中的Nox生成機理2001要求用標準氣樣進行了現(xiàn)場標定與校核.可測研究. Daniel 8A5H針對合成氣擴散對沖火焰進行了量排氣中的NO=、CO、UHC、COz及O2等排N2、H2O和CO2稀釋降低NO2的數(shù)值計算比較,氣組分濃度,火焰筒壁面上布置了50支K型熱電認為H2O稀釋仍是降低合成氣燃燒NO2排放的最偶,用來監(jiān)測火焰筒的壁面溫度.一支 Kulite動態(tài)有效手段,其原因在于水蒸氣的較大比熱以及其對壓力傳感器布置在火焰筒的聯(lián)焰管處,用來測量燃反應(yīng)中間產(chǎn)物CH根的降低作用. Tomczyk等在燒室內(nèi)的壓力振蕩,監(jiān)測燃燒過程的穩(wěn)定性.燃燒室燃氣輪機全壓實驗臺上進行了向天然氣燃料中摻燒內(nèi)壓力振蕩的特征頻率一般在幾十至二三百赫茲的不同比例氫氣模擬合成氣的燃氣輪機性能試驗,并范圍內(nèi),而此動態(tài)壓力傳感器的頻響在100kHz以監(jiān)測了火焰筒壁溫、燃燒室動態(tài)壓力和NO=排放特上,能夠滿足測量的需要性,發(fā)現(xiàn)由于氫氣的加入將顯著增加NO2的排放目前關(guān)于合成氣燃氣輪機的全壓燃料氣加濕試驗結(jié)果還鮮有報道,由于實型機組的全壓實驗?zāi)軌蛑苯涌荚u燃料氣加濕對機組性能、污染物排放、燃燒穩(wěn)燃燒室冂1進氣閥站定性等方面的影響,因而能更加全面地反映燃料氣頂萄透平脫硫后甲醇加濕用加濕對降低燃氣輪機NO排放的作用,并對一體化合成氣弛放氣蒸汽快速截止閥的濕化合成氣噴嘴設(shè)計提供幫助加熱用本文針對一種燃用合成氣的燃氣輪機燃燒室,進蒸汽行了該型燃燒室的全壓燃料氣蒸汽加濕試驗研究,得到了燃燒室在基本負荷下隨加濕量變化污染物排放、燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力、火焰筒壁面溫度等重要參燃料氣加熱器減壓閥C燃料氣流量計數(shù)的變化規(guī)律,分析了燃料氣加濕對燃氣輪機總體圖1燃料氣加濕系統(tǒng)圖性能、污染物排放、火焰筒壁溫及燃燒穩(wěn)定性方面的影響,探討了燃料氣加濕對合成氣燃燒中NOx生23實驗參數(shù)與性能指標的定義成的機理性作用(1)相對加濕度2實驗簡介相對加濕度DOH是加濕燃燒的關(guān)鍵參數(shù),下面給出其定義21總體介紹DOH=水/蒸汽質(zhì)量流址×107%試驗在某型合成氣燃氣輪機機組上進行.燃料氣燃料氣質(zhì)量流量加濕通過向機組合成氣母管注入過熱蒸汽來實現(xiàn)蒸(2)燃氣分析成分與參考氧濃度汽來源于機組余熱鍋爐,蒸汽壓力為37MPa,溫度實驗過程中通過燃氣分析儀直接獲得的結(jié)果是為44°C.試驗過程中調(diào)整燃料氣加熱器加熱功率各成分的實測濃度,使用下面的公式把各成分的實保證混合后閥站進口的合成氣溫度保持在150°C.測濃度轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一參考氧濃度下的相對濃度,其中加濕后的燃料氣中的水蒸汽不產(chǎn)生凝結(jié),無液態(tài)成C代表各成分的相對濃度,參考氧濃度取為16%:分進入燃燒室.燃料氣加濕試驗系統(tǒng)圖如圖1所示21-參考氧濃度2.2試驗測量裝置x實測濃度21-燃氣中殘留氧濃度擬測量的主要燃燒特性參數(shù)包括:排氣污染物24試驗組織濃度(NOx,CO,UHC)、火焰筒壁面溫度和燃燒室進行了燃氣輪機基本負荷下的燃料氣加濕試內(nèi)動態(tài)壓力驗,研究了燃料氣加濕對燃氣輪機總體性能、污染燃氣采樣系統(tǒng)由采樣探頭、除濕器、帶加熱裝物排中國煤化工等方面的影響置的樣氣管線、燃氣分析儀構(gòu)成,排氣采樣探頭使調(diào)整燃機負用取平均值的多孔探頭,在機組排氣道內(nèi)呈等間距荷CNMH個加濕試驗過程雷宇等:燃氣輪機合成氣燃燒室燃料氣加濕實驗研究中透平出口溫度保持在溫控線設(shè)定值536°C左右,CH2+N2→HCN+NH由于試驗過程中燃機負荷保持40MW不變,這樣也就保證了試驗過程中燃燒室出口溫度穩(wěn)定不變,從生成物HCN、NH和N再被氧化為NO,它與而便于比較不同加濕量對燃氣輪機污染物排放的影熱力型NO不同,對溫度的依賴性低,空氣加濕燃響.實驗工況如下表所示燒使火焰溫度下降,從而減少了熱力型NO生成另外火焰中的水蒸汽降低了CH根的濃度,從而減表1試驗工況表少了快速型NO生成蒸汽流量(kg/)006811220932燃料氣加濕對火焰筒壁溫的影響172圖3表示了燃料加濕量對火焰筒壁溫的影響實驗過程中,布置于火焰筒壁面上的50支熱電偶使3實驗結(jié)果和討論用1Hz采樣頻率進行連續(xù)的溫度采集.圖中選取了有代表性的沿軸向的壁溫分布點進行繪制。壁溫監(jiān)31然料氣加濕對排氣污染物排放的影響測表明,隨著加濕量的增加,火焰筒的壁溫總體壁溫圖2為排氣中的污染物濃度與燃料氣加濕量的分布趨勢并無明顯變化,但存在火焰后移的現(xiàn)象關(guān)系曲線.從圖中可以看出在不加濕時,排氣中的可能的原因為蒸汽加入使得燃料整體流量增大,造NO2濃度為405mg/Nm3016%O2,隨著燃料氣相對成旋流器出口軸向速度增加,使得燃燒區(qū)變長和后加濕量的增加,當相對加濕量為17:%時,燃機排氣移中的NO=排放可降至119mg/Nm3@16%O2,而排氣中的CO濃度也由56mg/Nm3降至125mg/Nm3由此表明燃料氣加濕能夠顯著地降低機組污染物排2 600H+DOH-1.2%放水平DOH=11.0%DOH=8.9%DOH=0.0%300距噴嘴端面的軸向距離/mm100圖3燃料加濕量對火焰筒壁溫的影響相對加濕量3.3燃料加濕對燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力的影響燃燒室內(nèi)的動態(tài)壓力波動是監(jiān)測燃燒室工作狀圖2燃料氣加濕對排氣污染物濃度的影響況的重要指標,該參數(shù)主要用以反映燃燒室內(nèi)的火焰燃燒及穩(wěn)定特性,試驗中利用一只高頻響的 KuliteNO生成機理有熱力型(2 Zeldovich)、快速型動態(tài)壓力傳感器由聯(lián)焰管伸入燃燒室測量不同加濕( Thermal Prompt)和燃料型(主要指含氮燃料)量下的燃燒室動態(tài)壓力特性熱力型NO生成機理如下:試驗中動態(tài)壓力采樣頻率為5120Hz,圖4顯O+N2→NO+N示了對不同燃料加濕量下的燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力信號進行頻譜分析的結(jié)果.頻譜分析采用快速傅立葉變N+O2→NO+O換(FFT),窗口長度為1024點,燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力熱力型NO主要在燃燒區(qū)下游的高溫區(qū)生成.監(jiān)測表明隨加濕量增加燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力的震蕩主快速型NO是經(jīng)HCN、NH和N等中間產(chǎn)物而形頻穩(wěn)定在335Hz左右,在試驗范圍內(nèi)加濕過程對燃成的,而這些中間產(chǎn)物又是由烴類化合物中的活性燒振蕩主頻并無明顯影響,而動態(tài)壓力的振幅隨加碳化氫與N2反應(yīng)生成的濕量中國煤化工對燃燒震蕩現(xiàn)象有CNMHG濕化燃燒火焰溫CH+N2→HCN+N度較低伺工程熱理學報29卷隨加濕量的增加而減小參考文獻門趙黛青,等譯新井紀男,主編.燃燒生成物的發(fā)生與抑制技術(shù),北京科學出版社出版,2001,408411320Lupandin V, et al. Design, Development and Testing of°動態(tài)壓力a Gas Turbine Steam Injection and Water Recovery Sys-特征頻率tem.ASME2001-GT0111,2001[3] Blevins L G, et al. An Experimental Study of NOz Re蒸汽流量/kg/sin Laminar Diffusion Flames by Addition of HighLevels of Steam. ASME 95-GT-327, 19954 Touchton G L. Influence of Gas Turbine Combustor De圖4燃料加濕量對燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力的影響sign and Operating Parameters on Effectiveness of NOxSuppression by Injected Steam of Water. ASME 84-4結(jié)論[5] Li SC, et al. NOz Formation in Two-Stage Methane-AirFlames. Combust Flame, 1999, 118: 399-414(1)燃料氣加濕能夠顯著降低合成氣燃燒室的[6] Allen MT, et al. High Pressure Studies of Moist Car-bon Monoxide/Nitrous Oxide Kinetics. Combust FlamNOx排放濃度,其原因在于加濕燃燒使火焰溫度下1997,109:449470降,減少了熱力型NO生成;與此同時火焰中水蒸7 Charston-Goch D,etal. Laser-induced Fluorescence氣的存在降低了CH根的濃度,抑制快速型NO生Measurements And Modeling of Nitric Oxide in Pre-mixed Flames of Co+H2+CH4 and Air at High Pres-成sures. Combust Flame, 2001, 125: 729-743(2)火焰筒壁面溫度的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果表明隨加濕[8 Daniel E Giles, et al. No Emission Characteristics of量的增加火焰筒的壁溫總體壁溫分布趨勢并無明顯Counterflow Syngas Diffusion Flames with Airstream Di-lution.Fuel,2006,85:172-1742變化,但存在火焰后移的跡象tion of a Gas Turbine Com-(3)燃燒室內(nèi)動態(tài)壓力監(jiān)測表明在試驗范圍內(nèi)加bustion System Fired with Mixtures of Natural Gas andHydrogen. IFRF Combustion Journal, Article Number濕對燃燒振蕩頻率無明顯影響,而動態(tài)壓力的振幅200207,2002中國煤化工CNMHG