CO2稀释天然气高压燃烧特性数值模拟

李 强，任 磊，许昊煜，阮圣奇，吴 仲



CO2稀释天然气高压燃烧特性数值模拟

李 强，任 磊，许昊煜，阮圣奇，吴 仲

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院，安徽 合肥 230031）

为了研究惰性气体稀释气体燃料高压燃烧后NOx的排放规律，通过数值模拟计算的方法研究了CO2稀释天然气在燃气轮机燃烧室内的高压燃烧特性。结果表明：各种压力下燃烧区域温度随着稀释率的增大明显降低，且燃烧区域高度也有所降低，燃烧提前；通过CO2稀释天然气燃烧在一定的稀释率以内可以很好地控制NOx的排放量，但超过这个稀释率NOx排放量会上升；在高压下通过CO2稀释天然气燃烧相对于低压时更容易控制NOx的排放量。

天然气；CO2；稀释率；高压燃烧；NOx排放；数值模拟

当前，天然气在燃气-蒸汽联合循环机组中被大量地应用，但其在燃气轮机燃烧室内燃烧产生的NO排放量比较高，为减少这种污染物的排放，普遍采用贫燃预混燃烧技术[1]，而且随着燃气轮机技术的发展以及环保的需要[2]，研究分析NO产生及排放控制机理就显得尤为重要。

目前，有多种减少气体燃料燃烧产生的NO排放的方法，如烟气再循环技术、气体燃料预混燃烧以及惰性气体（如CO2、He、水蒸气）稀释气体燃烧或氧化剂[3]等技术。在控制NO排放的这3种技术中，惰性气体稀释气体燃烧或氧化剂实质上是另一种形式的烟气再循环技术[4-6]，不仅会降低氧气的体积分数而且有些气体（如CO2）还会增加混合气体的比热容，降低燃烧温度。王金华等[7]研究了高温高压下CO2和H2O稀释对预混湍流火焰前锋面结构的影响；华中科技大学李骏等[8]实验研究了CH4在O2/CO2气氛中燃烧的火焰温度特性；克拉科夫AGH科技大学的ZOFIA KALICKA等[9]研究了含有21%~29%的O2/CO2/N2混合气体的天然气燃烧对CO排放量的影响。

基于近年来减排温室气体、封存CO2愈来愈成为全球性的迫切需求这个现实[3]，同时为了进一步研究惰性气体稀释气体燃料的高压燃烧特性，本文采用CO2作为稀释剂对天然气燃料进行稀释，利用数值模拟的方法研究CO2稀释天然气的混合气体在燃气轮机燃烧室内的高压燃烧特性，为燃气轮机技术的发展提供理论依据。

1 燃烧室结构及数值计算

1.1 燃烧室结构

本次数值模拟研究所依据的燃烧室模型为某额定功率为20 kW的燃气轮机燃烧室试验台，该试验台及其结构简图如图1所示。

由图1可以看出，气体燃料和空气通过燃烧室的底部入口进入燃烧室。天然气和CO2的混合气体通过单燃料管道进入燃烧室底部中心位置的旋流器。空气经压缩机压缩后变成高压气体，其进气分为三路：第一路为主燃烧空气，分别通过径向旋流器四周的10个径向入口进入旋流室；第二路为二次补燃空气，用来提供补充混合气体燃料燃烧时所需要的额外空气，通过旋流器喷嘴出口外缘的环形入口直接喷射进燃烧室；第三部分为冷却空气，由燃烧室底部布风器外缘环形入口喷射进入燃烧室，冷却燃烧室的壁面，避免燃烧室过热而烧坏。

该燃气轮机燃烧室采用预混燃烧方式，混合燃料气体（CO2稀释天然气）与主燃烧空气在旋流器喷嘴预混腔室内混合后喷入燃烧室中，燃烧产生的高温烟气经过烟气管道内的消音装置处理后排到大气中。旋流器预混喷嘴设计如图2所示。

图2 旋流器预混喷嘴设计

1.2 数值计算

1.2.1 燃烧室模型的建立

依据图1燃气轮机燃烧室试验台，进行适当的简化，利用Gambit软件构建了燃烧室模型，并划分网格，网格数达到65万，燃气轮机燃烧室模型及其网格划分如图3所示。

图3 燃气轮机燃烧室模型及其网格划分

1.2.2 物理模型的选择

利用Fluent软件模拟计算时，相关物理模型的选择至关重要，模型的选择准确与否会直接影响到模拟结果的准确性、真实性[10]。

1）湍流模型该燃气轮机燃烧室采用天然气与空气预混的燃烧组织方式，燃烧室内的旋流强度较强，Realizable-模型可以比较精确地模拟圆柱射流流动、旋转流动等情况[11]，因此湍流模型选择Realizable-模型。

2）辐射模型 光学深度是确定辐射模型的一个非常重要的参数指标。对于任意的光学深度来说，DO模型和 DTRM模型都比较适合，但DTRM模型没有考虑散射方面的影响，且本文涉及局部热源，因此辐射模型选择DO模型。

3）燃烧模型本文采用预混燃烧，且假设天然气的化学反应速率大于湍流扰动对反应的混合速率[12]，因此燃烧模型选择有限化学反应模型中的涡耗散模型。

4）NO生成模型此次研究中所用的燃料气体为天然气，因其含氮元素极少，因此NO生成模型中忽略燃料型NO，只考虑热力型和快速型的NO。

1.3 相关参数的计算

在本次数值模拟试验研究中，假设天然气的成分为纯甲烷，不考虑含有其他少量的杂质气体燃料；空气成分假定为体积分数为21%的氧气和体积分数为79%的氮气。

根据甲烷完全燃烧的化学反应方程式以及燃气轮机燃烧室的额定功率和各种混合气体燃料CO2与燃料的配比，计算得到了各工况下各气体的质量流量见表1。

表1 各工况下各种气体质量流量

Tab.1 The mass flow of each gas under all conditions kg/s

2 数值计算结果与分析

2.1 模型网格的无关性验证

在数值模拟研究之前，应对该燃烧室模型的网格无关性进行验证，以保证模拟结果的准确性、真实性。只有当模拟计算的结果不会因网格数量的变化而变化时，才可以判定模型准确且网格划分合理[13]。

先将燃烧室模型划分成36万、65万、103万 3种网格数的模型，然后分别对这3种燃烧室模型在压力为2 MPa、CO2稀释率为0.4的工况下进行热态数值模拟计算，得到这3种网格数模型的温度场和流场截面云图如图4和图5所示，两图中的轴表示燃烧室的高度。

a) 网格数36万 b) 网格数65万 c) 网格数103万

a) 网格数36万 b) 网格数65万 c) 网格数103万

从图4可以看出：燃气轮机燃烧室=0 mm处纵向截面温度场的温度分布较好，燃烧室左右侧的温度场比较对称，且3种网格数的燃烧室模型的温度场具有高度一致性；由于3种网格数的模型数值计算时迭代计算次数有些许差别，因此计算结果也稍有差别，但整体比较符合实际情况。从图5可以看出，燃气轮机燃烧室=0 mm处的速度场分布也比较合理。

综合计算机的计算性能以及图4和图5中温度场与速度场的分布情况，选用网格数为65万的燃烧室模型进行数值模拟计算比较合理。

2.2 数值计算结果及分析

2.2.1 温度场变化特性

燃烧温度场的分布情况对火焰形态、火焰稳定性以及污染物排放的影响至关重要。图6为压力 2 MPa时各个稀释率下燃烧室纵向截面=0 mm处的温度场云图。由图6可以看出：各个稀释率下燃烧室温度场内温度分布均较好且比较相似；温度场左右侧云图比较对称，且靠近燃烧室壁面附近的温度比较低，由此可以说明燃烧室头部的冷却空气对燃烧室的壁面起到了有效的冷却作用；燃气轮机燃烧室底部中心处的高温燃烧区域大小随着CO2稀释率升高而逐渐减小。

图6 燃烧室纵向截面X=0 mm处温度场

2.2.1.1燃烧室纵向截面中心线温度的变化特性

图7给出了各个压力各个稀释率下燃烧室纵向截面中心线温度随燃烧室高度（轴坐标）的变化曲线。由图7可以看出：4种压力下的中心线温度变化曲线变化趋势一致，均为先升高后降低；在各个压力下，随着稀释率的增加，燃烧区域整体温度都有所降低。

这是因为稀释率增加时，CO2含量也会增加，又因CO2的比热容较大，因此在升高相同温度时会吸收更多热量，所以稀释率越高也会导致高温燃烧区域温度有所降低。

2.2.1.2燃烧室最高燃烧温度对应的高度变化特性

4种压力下的最高燃烧温度变化特性及其对应的高度变化特性曲线相同。图8、图9给出了压力2 MPa下最高燃烧温度随稀释率变化特性曲线及其对应的燃烧室高度变化特性曲线。由图8、图9可以看出：随着稀释率的升高最高燃烧温度逐渐降低；随着CO2稀释率的升高温度场内最高燃烧温度所对应的燃烧室高度降低，几乎呈现一个线性关系，这说明CO2稀释率的增加导致了燃料气体燃烧提前。这一方面是由于CO2稀释率增加之后，CO2和天然气（天然气含量不变）的混合气体含量增加，而燃烧室入口面积不变，所以混合燃料气体的混合湍流程度增加，在入口的预混旋流器内与主燃空气混合的更加充分，因而喷进燃烧室后就会迅速地燃尽；另一方面是由于随着CO2稀释率的增加，混合燃料气体和空气经过预混旋流器后的旋流程度更强，导致燃烧室喷嘴出口部分的逆流回流区的压力梯度更大，卷吸周围高温烟气的能力更强，因此为混合气体燃料的快速燃烧提供了充足的氧化剂。

图8 最高燃烧温度随稀释率变化特性曲线

图9 最高燃烧温度对应的燃烧室高度变化曲线

2.2.2 速度场变化特性

图10为2 MPa下各个稀释率下燃烧室纵向截面=0 mm处的NO产生速率云图。

图10 2 MPa下各个稀释率下NOx产生速率云图

由图10可以看出：各个稀释率下产生的NO在火焰外缘的产生速率比较大，这是因为此处的温度非常高，再加上氧气氮气的体积分数比较大，因此特别适合NO的产生；而在火焰内部，虽然温度比较高，但被CO2和燃料充斥着，无法生成NO或者生成的NO极少；通过对比各个稀释率下的NO产生速率云图可以发现，稀释率为0.4、0.6时的NO产生速率明显降低很多，根据前面的研究分析结果，可以得出由于掺混CO2后导致高温区域的温度降低，因此NO产生速率也随之降低。

图11给出不同的CO2稀释率下燃气轮机燃烧室出口处的NO平均质量浓度随工况压力的变化曲线。从图11可以看出：在稀释率相同时燃烧室出口的NO平均质量浓度随着压力的升高而明显的升高，而且其增幅（各压力区段之间直线线段的斜率）也因设计的燃烧工况压力的增大而增大；在CO2稀释率为0时，燃气轮机燃烧室出口处NO平均质量浓度的增长幅度达到最大，增幅最小时对应的CO2稀释率为0.4；在同一压力不同CO2稀释率条件下，燃烧室出口处的NO平均质量浓度的增幅也大不相同；在压力为1 MPa时，各稀释率下NO的平均质量浓度基本保持不变，而在其他3个压力下，不同稀释率下NO的平均质量浓度的变化幅度比较大，且在压力越高时NO平均质量浓度的变化幅度较大。

图11 NOx平均质量浓度随工况压力的变化曲线

不同压力下NO随稀释率的变化关系如图12所示。由图12可以看出，在4种压力下，燃烧室出口处的NO质量浓度变化趋势都是随着稀释率的增大先下降而后升高，质量浓度最小时对应的CO2稀释率为0.4。这是因为在CO2稀释率低于0.4时，天然气高温燃烧区域温度由于CO2的稀释作用而有所降低，因此NO生成也随之减少，但在稀释率为0.4之后，过多的CO2使得混合气体在预混旋流器内的湍流动能更大，混合更加充分，因此在燃烧时火焰内部也就有更多的NO生成。由图12还可以看出，燃烧压力越高时燃气轮机燃烧室出口处的NO平均质量浓度变化幅度越大，由此可以说明在比较高的压力下，利用CO2稀释天然气对天然气燃烧生成的NO的抑制作用更为显著。

图12 不同压力下NOx质量浓度随稀释率的变化

3 结 论

1）4种压力下，CO2稀释天然气燃烧使得高温燃烧区域有所降低，燃烧提前。

2）天然气和CO2的混合气体在各个压力下燃烧时，产生的NO在CO2稀释率为0时增幅最大，在稀释率为0.4时变化幅度最小，因此对于天然气掺混CO2燃烧来说，选择一个适当的CO2稀释率(例如0.4)对于控制NO排放至关重要。

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Numerical simulation on high-pressure combustion characteristics of natural gas diluted with carbon dioxide

LI Qiang, REN Lei, XU Haoyu, RUAN Shengqi, WU Zhong

(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., East China Branch, Hefei 230031, China)

In order to study the emission rule of nitrogen oxides after high-pressure combustion of gaseous fuel diluted with inert gas, the high-pressure combustion characteristics of natural gas diluted with carbon dioxide in the gas turbine combustion chamber were studied by numerical simulation calculation. The results show that the temperature of the burning area decreases with the increase of the dilution rate, and the burning area height is also reduced. Moreover, the emissions of nitrogen oxide diluted with carbon dioxide can be well controlled within a certain dilution rate range, but nitrogen oxide emissions will rise it exceeds the dilution rate. In addition, it is also more easier to control nitrogen oxide emissions by the dilution of carbon dioxide during combustion of natural gas at higher pressures.

natural gas, CO2, dilution rate, high-pressure combustion, NOxemission, numerical simulation

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201806185

李强, 任磊, 许昊煜, 等.CO2稀释天然气高压燃烧特性数值模拟[J]. 热力发电, 2019, 48(3): 114-119. LI Qiang, REN Lei, XU Haoyu, et al. Numerical simulation on high-pressure combustion characteristics of natural gas diluted with carbon dioxide[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 114-119.

2018-06-26

李强(1990—)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为燃气清洁能源发电技术，lqstruggle@126.com。

（责任编辑 马昕红）