短环形燃烧室双燃料燃烧流场污染物排放研究

权崇仁，宋少雷

（海装沈阳局，辽宁 沈阳150078）

短环形燃烧室双燃料燃烧流场污染物排放研究

权崇仁，宋少雷

（海装沈阳局，辽宁 沈阳150078）

污染物排放研究一直都是燃气轮机燃烧室的热门课题。本文研究了短环形燃烧室分别混烧氢气和裂解气后对NOx排放的有利影响和不利影响。添加的氢气质量分数分别为1%和10%，添加的裂解气质量分数分别为1%、10%和15%。比较了使用不同燃油方案的燃烧室流场结果，分析了燃烧效率、出口温度、NOx排放与其他燃烧室性能参数。结果证实氢气可有效改进燃烧效率，但同时其易燃性与极快的化学反应速度又会导致火焰温度升高以及NOx排放量增大，这一点违背了降低排放的初衷。而混烧裂解气既可保留氢气的优点，同时组分水蒸气的存在又能吸收高温区部分热量，降低火焰温度，有利于降低NOx排放。从而使得燃烧室在保持较高的燃烧效率和较低的出口温度的同时，NOx排放量不会剧烈增加。

双燃料燃烧室；NOx排放量；数值模拟；裂解气；氢气

0 引言

污染物排放，特别是氮氧化物的排放量，是衡量现代发动机的重要指标。如何降低燃气轮机的NOx排放量一直都是研究学者关心的对象。控制NOx排放的方法通常根据燃烧过程的特点来设计，可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后的控制技术三大类，燃烧前的燃料脱氮技术和燃烧后的烟气脱硝技术不适用于燃气轮机。因此燃气轮机燃烧室的降低NOx研究通常是针对如何降低燃烧过程中的这两种类型NOx开展的。

根据燃气轮机的燃烧特性，其在燃烧过程当中易生成的是热力型NOx和快速型NOx[1]。热力型NOx受温度和过量空气系数(油气比)影响十分明显，而对碳氢燃料，过量空气系数对快速型NOx的生成有很大影响。综合考虑，对于燃用碳氢燃料的燃气轮机，要降低NOx生成量，主要是控制燃烧区高温核芯和过量空气系数(油气比)分布。因此，一般是通过分级燃烧的方式来控制燃烧区油气比或者通过喷注稀释剂如水蒸气或惰性气体稀释降低燃烧区温度继而控制NOx生成量。

本文研究了燃用庚烷和裂解气的双燃料短环形燃烧室的NOx排放。裂解气是高碳链的燃油经过催化裂解成富含氢气、甲烷和大量水蒸气的气体燃料。由于主要可燃成分是氢气、甲烷和一氧化碳，具备良好的易燃性可掺混性，同时又含大量的水蒸气，能够适当控制高温区温度，是一种发展前景良好的燃料。如果燃烧室同时混烧裂解气和 fuel，能够同时具备低NOx排放和适宜的热负荷，将很好地满足燃气轮机对燃烧室的性能要求。

许多学者都在使用中低热值的燃料气来稀释甚至代替燃油用于燃气轮机燃烧室中。Evulet[2]做了废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)干式低NOx燃烧室的实验研究，但是实验是在低 O2的条件下进行。Glaude[3]研究了关于使用生物质燃料取代化石燃料的相关问题，但其实验数据显示NOx排放量反而稍有增加。Chacartegui[4]研究了重型燃气轮机燃用一组合成气时的污染物排放，结果已经被GE的MS7001F燃气轮机实验数据的证实。

也有学者在研究氢气对燃烧结果及NOx排放的影响。Burguburu等人[5]向煤油中加入H2，分别测试部分预混和完全预混，结果显示能够增强火焰的稳定性、有效减少CO的排放量，但是在恒功率时NOx排放随着注入H2量的增加而增加[6]。Weiland[7]研究了使用氮稀释的氢气，NOx生成量随着空气喷射同轴速度的增加而减少。Frenillot[8]对比了贫油预混燃烧加氢和不加氢的情况下燃烧的稳定性和污染物的排放。结果证明，不论加氢与否，空气当量比都是控制NOx排放的重要因素之一。

除此之外，还有其他一些燃气轮机排放的研究，Furuhata等人[9]提出的低NOx燃烧室采用的是分级燃烧的控制方式， Shehata[10]则是采用了贫油预混燃烧的方式控制油气比，Ditaranto[11]对于工业燃气轮机补燃阶段的NOx排放实验研究，Lebedev[12]预测污染物生成的简单反应模型。

本文通过混烧氢气和混烧裂解气与原始燃油场的燃烧流场对比，分析了燃烧效率和高温区分布情况，对比了出口的温度和NOx排放量等因素，分析了添加氢气和添加裂解气的利弊，得到的结论对指导短环形燃烧室低排放设计研究十分有意义。

1 几何模型与燃料介绍

采用的短环形燃烧室，模拟的时候仅截取了其中的 1/20，包括一个带斜切孔的径向旋流器和二十分之一的火焰筒段，具体结构如图1所示。火焰筒有0.2m长，0.1cm高，5个主燃孔和三排冷却空，氢气和裂解气从斜切孔中的三个喷入燃烧室，燃油从喷油点开始蒸发掺混过程。

图1 燃烧室几何模型图

燃烧室流场的网格使用ICEM○R软件生成，如图2，网格总数655万，质量在0.2之上，满足数值模拟的要求。数值模拟通过ANSYS FLUENT○R进行的[13]。采用了Realizable k-ε湍流模型，快速化学反应机理和PDF燃烧模型。

图2 燃烧室网格

本文使用的燃油是正庚烷，裂解气是经本课题组化学回热循环试验产生的柴油裂解气，成分如表 1所示。该实验是在500℃标注大气压下，水蒸气和甲烷比为2的情况下进行的[14]。模拟方案先对比了添加氢气为0%、1%、10%的情况，油气比变化范围在0.1～1.4，之后对比了添加裂解气为0%、1%、10%、15%的情况，油气比仍然在0.1～ 1.4。

表1 裂解气成分

2 数理模型

2.1 湍流模型

本文Realizable k-ε模型修正了正应力，从而避免了标准模型可能导致负的正应力的情况，该模型在旋转剪切流、自由射流、混合流、边界层和分离流中得到了广泛应用。

Realizable k-ε模型基本形式如下：

本文燃烧模型采用PDF模型。PDF假定流动处于某一状态f的概率p(f)，函数p(f)的形状描述了湍流中f的瞬时脉动值变化情况，那么组分质量分数、温度、密度等标量的时间平均值就可通过p(f)计算出来，平均值与瞬时值的关系即为：

目前，应用最广的PDF函数形式是β函数，其函数形式如下错误！未找到引用源。：

本文在使用FLUENT模拟时就是采用的β函数形式。边界条件设定的具体内容见表2。

表2 边界条件

3 计算结果与分析

3.1 添加氢气的影响

和燃油比起来，本文中氢气或者裂解气的质量分数都比较低，而且氢气燃烧速度极快，因此在下面计算燃烧效率时仅考虑到庚烷的燃尽情况。燃烧效率表达式为：

图3是添加不同质量分数氢气的燃烧流场和原始燃油燃烧流场的燃烧效率的比较结果。当量比Φ从0.1～1.4。可看出，添加氢气明显减缓了燃烧效率随当量比的下降趋势。添加氢气量越多，燃烧效率减小的速度越慢。在当量比Φ=0.8处，添加了10%氢气的燃烧场燃烧效率是99.775%，而原始燃油燃烧场的燃烧效率是98.194%。然而二者的差值随着当量比的增加而增大。在Φ=1.0处，10%氢气的燃烧场燃烧效率是99.184%，而原始燃油燃烧场的燃烧效率是92.177%，而在Φ=1.4处，差距进一步加大，10%氢气的燃烧场燃烧效率是97.108%，而原始燃油燃烧场的燃烧效率是73.402%。

图3 添加氢气的燃烧流场燃烧效率

添加氢气后的燃烧场回流区温度要比原始的燃油流场回流区温度高。燃油燃烧场回流区的最高温度达到1800K，而含10%氢气的燃烧流场回流区最高温度有2000K。图4为含10%氢气的燃烧流场中，中轴线上的温度变化趋势。可看出，当量比Φ大于0.4的工况在x=0.05～0.075m处，温度骤降了大约700K。考虑到PDF燃烧模型的特点，可合理推测火焰由于处于富油环境达到富油极限而熄灭。在燃烧室后半段未燃尽的燃料与主燃孔进入的新鲜空气相遇，由于PDF模型的设定而重新燃烧，造成燃烧室后半段温度反常升高。

图4 添加10%氢气燃烧流场中轴线温度分布

图5为不同氢气添加量的燃烧室出口温度随当量比变化曲线。出口温度的总体趋势是随当量比的增加而增加，并且添加氢气的双燃料燃烧场的出口温度比同等当量比下的燃油燃烧场要高。在当量比 Φ=0.6～1.4处出口温度异常高，再次证实火焰在回流区已经熄灭并在燃烧室后半段遇新鲜空气而重新燃烧的结论。

图5 添加氢气的双燃料燃烧流场出口温度

图6列出了出口NOx总排放量。当当量比增加，也就是空气质量流量下降时，NOx排放量随之增加。当量比从Φ=0.1到Φ=0.6变化时，添加10%氢气的燃烧场与燃油燃烧场的NOx排放量之间的差值越来越大。从图3可知，添加氢气有助于提高燃料的燃烧效率。而且从图4也可看出，添加氢气的双燃料燃烧场温度也比原始燃油燃烧场的要高很多。这两个原因造成液体燃油在燃烧场中蒸发迅速、燃烧完全。也意味着燃烧场中回流区的温度更高、高温区范围更大。高温区越大，燃气的驻留时间越长，这是影响热力型NOx的主要因素之一。所有这些造成的结果是NOx总的生成速度加快，这从图6中也可以看出在Φ=0.1～0.6段10%氢气燃烧场的NOx曲线斜率比两外两种工况大许多。在Φ=0.6～1.4内，各燃烧场的NOx随当量比的变化量均不大，但是添加氢气的双燃料燃烧场NOx排放量仍然要高出2倍左右。

3.2 添加裂解气的影响

添加不同质量流量裂解气的燃烧室燃烧效率如图7所示。燃烧效率总体趋势变化和图3类似，添加裂解气后在同样当量比下，虽然总体燃烧效率提升效果不如直接添加氢气高，但是仍然要比原始燃油燃烧效率高。在Φ=0.6处，含4种不同质量分数裂解气(0%、1%、10%、15%)的燃烧场燃烧效率分别为99.498%、99.888%、99.834%和99.995%。随当量比的增加，燃烧效果变差，燃烧效率有所下降。在 Φ=0.6处四种不同质量分数裂解气(0%、1%，10%、15%)的燃烧场燃烧效率分别下降为73.402%、81.028%、90.685%和95.682%。

图6 添加氢气的双燃料燃烧流场出口NOx

图7 添加裂解气的双燃料燃烧流场燃烧效率

向燃烧室中注入裂解气有助于燃油的燃烧。从表1可知，本文使用的裂解气含有22.623%(摩尔分数)的氢气，这就是裂解气能够增强燃烧效率的原因。由于和添加纯氢气相比，裂解气的氢含量较少，故对燃烧效率的影响也相对较少。并且由表1可知，该裂解气还含有48.0849%的水蒸气。水蒸气会吸收一部分热而降低回流区的燃烧温度，这都会对燃烧流场造成一定影响。

图8展示了含0%、1%、10%和15%四种不同质量分数裂解气的双燃料燃烧室出口平均温度。在不同当量比下，裂解气对出口温度的影响也不同。当裂解气的添加量为1%时，在Φ=0.2、0.4、0.6几处，出口平均温度均略微上涨，上涨幅度约10K。但是对于10%和15%的燃烧室，在Φ<1时，混烧裂解气都会在一定程度上降低燃烧室出口平均温度。其中下降幅度最大为78K，是在Φ=0.277处含10%裂解气的燃烧室与原始燃油燃烧室出口平均温度之间的差值。当燃烧室处于富油状态，即Φ>1时，燃烧效果变差，裂解气成分中的水蒸气对火焰的降温效果不明显。由于PDF模型的假设条件，燃油与燃烧室后半段进入的二次空气重新燃烧，造成燃烧室后半段温度过高，出口燃气温度异常升高。

图8 添加裂解气的双燃料燃烧流场出口温度

裂解气双燃料燃烧室在不同质量流量下的出口NOx排放量如图9所示。在当量比Φ=0.1～0.277时，裂解气不同流量的出口NOx排放量十分接近。在当量比Φ=0.4～1.0时，NOx排放量随当量比的增加而增加，但是增长速度和氢气的双燃料流场相比要慢很多。而当裂解气质量流量增加时，NOx排放量而随着增加。其中，NOx增量最大的是在当量比Φ=1.0时，10%裂解气双燃料燃烧室和原始燃油燃烧室出口排放量之间的差值，NOx增加了0.99E-03，而在氢气的双燃料燃烧场中，这个最大差值是4.58E-03，在Φ=0.6处，是裂解气燃烧场的最大NOx增量的4.63倍。

裂解气组分中的CH4和H2均反应迅速且完全，能够改善燃烧效果，而同时，48.0849%含量的水蒸气也会吸收部分高温区的热量。两相作用之下，燃油裂解气双燃料燃烧室在拥有更高的燃烧效率的同时，也拥有一个较低的燃烧室出口温度，并且NOx排放量相对增加不多。

图9 添加裂解气的双燃料燃烧流场出口NOx

图10、11位不同的燃料方案下在当量比Φ=0.4时中轴线上的温度分布和NOx生成量分布。可看出，双燃料燃烧室的头部燃烧区温度都比原始燃烧场要高，在含10%氢气的双燃料燃烧场中，氢气燃烧迅速，因此温度上升很快，火焰熄灭时下降也很快。而裂解气双燃料燃烧场升温速度较慢，但高温区范围更大。在x=0.11m附近，高温燃气与主燃孔进入的二次空气混合，未燃尽的燃料气与新鲜空气再次进行燃烧反应，造成了图10中的第二个温度高峰，在这之后，燃料反应完全，燃气温度有所下降，这一点上所有燃料方案的燃烧室趋势均相同，但含15%裂解气的燃烧室在出口处温度下降最多。

图10 Φ=0.4工况下中心轴温度分布

由图11可知，含15%裂解气的双燃料燃烧场相比原始燃烧场，在Φ=0.4时拥有更低的NOx生成量。NOx生成速度增长缓慢，自x=0.14m开始生成量保持稳定但略有下降直至燃烧室出口。含10%氢气的双燃料燃烧场NOx生成速度达到稳定时是含15%裂解气的双燃料燃烧场稳定后的NOx生成是速度的3倍，而其生成速度最高峰值是15%裂解气的双燃料燃烧场的5倍。

图11 Φ=0.4工况下中轴线NOx生成

含15%裂解气的双燃料燃烧场继承了氢气燃烧场有助于提高燃烧效率的优点，改善了燃烧稳定性，同时又能保持较低的NOx排放量和燃烧室出口温度。相对于添加纯氢气，裂解气是双燃料燃烧室辅助燃料更好的选择，特别是对富油工况的燃烧室。

4 结论

本文模拟研究了短环形燃烧室双燃料燃烧流场的NOx排放问题。分别对比了添加1%氢气、10%氢气、1%裂解气、10%裂解气、15%裂解气和原始燃油燃烧场。详细分析了双燃料燃烧室各种当量比下的燃烧效率、燃烧室出口温度和NOx排放量。得到以下几点结论：

1）混烧氢气和裂解气毫无疑问可以提高燃油的燃烧效率。混烧氢气时燃烧效率最低为97.108%，而混烧裂解气时最低燃烧效率为95.682%。裂解气改善燃烧效率的能力略低于纯氢气，这与其组分中氢气的含量有关，证实了氢气是优化燃烧效果的直接原因。

2）混烧纯氢气会直接造成燃烧室出口温度的上升，随着当量比的增加，上升幅度也不断增大。在同一当量比下，混烧裂解气的燃烧室出口温度要比燃油燃烧室出口温度低10K左右，而比混烧氢气的燃烧室出口温度低更多。证明了氢气是造成燃烧流场内温度升高以及燃烧室出口温度增高的主要原因。

3）燃料加入氢气后燃烧室出口NOx量增长很多，并且增长速度极快。添加裂解气则不会同氢气一样造成NOx排放量的剧增。当保持当量比<0.4时，混烧裂解气后燃烧室的NOx排放量增长很少，属于可接受范围内。

4）双燃料燃烧室混烧裂解气后拥有更高的燃烧效率、更低的燃烧室出口温度与合理的NOx排放量，对燃烧流场的优化效果强于纯氢气，是一种更有发展前景的燃料。今后混烧裂解气的双燃料短环形燃烧室研究重点应为优化燃烧室头部结构、合理组织流场以及稳定回流区内当量比，保证在双燃料燃烧室中最大化利用裂解气的各种优势。

[1]Baukal Jr C E,Schwartz R E.The John Zink combustion handbook,2013(6): .

[2]Evulet A T,ELKady A M,Brand A R ,Chinn D.On the Performance and Operability of GE’s Dry LowNOx Combustors utilizing Exhaust Gas Recirculation for Post-Combustion Carbon Capture[J].Energy Procedia,2009(1): 3809-3816.

[3]Glaude P A,Fournet R,Bounaceur R M.Molière.Adiabatic flame temperature from biofuels and fossil fuels and derived effect onNOxemissions[J].Fuel Processing Technology,2010(91): 229-235.

[4]Chacartegui R,Torres M,Sánchez D,et al.Analysis of main gaseous emissions of heavy duty gas turbines burning several syngas fuels[J].Fuel Processing Technology,2011(92): 213-220.

[5]Burguburu J,Cabot G,Renou B,et al.Comparisons of the impact of reformer gas and hydrogen enrichment on flame stability and pollutant emissions for a kerosene/air swirled flame with an aeronautical fuel injector[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36: 6925-6936.

[6]Burguburu J,Cabot G,Renou B,Boukhalfa A M,Cazalens M.Effects of H2enrichment on flame stability and pollutant emissions for a kerosene/air swirled flame with an aeronautical fuel injector[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33(3): 2927-2935,.

[7]Weiland N,Chen R H ,Strakey P.Effects of coaxial air on nitrogen-diluted hydrogen jet diffusion flame length andNOxemission[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33:2983-2989,.

[8]Frenillot J P,Cabot G,Cazalens M,Renoua B,Boukhalfa M A.Impact of H2addition on flame stability and pollutant emissions for an atmospheric kerosene/air swirled flame of laboratory scaled gas turbine[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34: 3930-3944.

[9]Furuhata T,Amano S,Yotoriyama K,Arai M.Development of can-type lowNOxcombustor for micro gas turbine (fundamental characteristics in a primary combustion zone with upward swirl) [J].Fuel,2007,86 :2463–2474,.

[10]Shehata M.Emissions and wall temperatures for lean prevaporized premixed gas turbine combustor[J]. Fuel,2009,88: 446-455.

[11]Mario Ditaranto,Jørgen Hals and Tor Bjørge.Investigation on the in-flameNO reburning in turbine exhaust gas[J].Proceedings of the Combustion Institute,2009,32: 2659-2666.

[12]Lebedev A B,Secundov A N,A.M.Starik,N.S.Titova and A.M.Schepin.Modeling study of gas-turbine combustor emission[J].Proceedings of the Combustion Institute,2009,32: 2941-2947.

[13]ANSYS Fluent 12.0 Theory Guide.

[14]Liu Q ,Zheng H T ,Cai L,Long Q,Yang R.CFD Modeling of Exhaust Heat Recovery Using Methane Steam Reforming in Steam Reformer of Chemically Recuperated Gas Turbine[J].Journal of Convergence Information Technology,2012,23(7):152-161.

Emission Study in Dual-fuel Combustion Flow Field of Short Annular Combustor

QUAN Chong-ren,SONG Shao-lei
(Military Agent's Room of Naval Armaments Department Stationed in Shengyang,Shengyang 150078,China)

Emission study is always the hot topic for gas turbine combustors.This paper studies the advantages and disadvantages forNOxemission of adding hydrogen and reformed gas to combustion field of short annular combustors.The added hydrogen mass fraction is 1% and 10% in total mass flow.The added reformed gas mass fraction is 1%,10% and 15%,respectively.The combustion fields with different fuel compositions are compared.The combustion efficiency,outlet temperature,NOxemission and other combustion field characteristics are analyzed.The results show that hydrogen has great advantages in improving combustion efficiency.But its flammability and extremely fast chemical reaction velocity leads to higher temperature and increasesNOxemission,which can violate the original intention of reducing emission.Reformed gas retains the advantages of hydrogen.But the existence of the composition steam is good for reducingNOxemission.It absorbs heat,lowers the flame temperature in the combustion zone.So the combustor can have better combustion efficiency and lower outlet temperature whileNOxemission changes little.

dual fuel combustor;NOxemission; numerical simulation; reformed gas; hydrogen

TK 473; TK 16

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.001

权崇仁，男，工程师，船舶动力工程专业。