第29卷第1期工程熱物理學(xué)報(bào)Vol 29. No. 12008年1月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJan.2008燃?xì)廨啓C(jī)合成氣燃燒室燃料氣加濕實(shí)驗(yàn)研究雷宇12房愛兵12徐綱1聶超群1黃偉光1(1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080;,2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100080)擁要本文針對(duì)一種燃用合成氣的40MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室,進(jìn)行了該型燃燒室的全壓燃料氣蒸汽加濕試驗(yàn)研究得到了燃燒室在基本負(fù)荷下隨加濕量變化污染物排放、燃燒室內(nèi)動(dòng)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(duì)燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)合成氣燃燒中NOx生成的機(jī)理性作用,研究表明燃料氣加濕是降低燃用合成氣的燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物排放的有效方式關(guān)鍵詞燃?xì)廨啓C(jī);合成氣燃燒室;燃料氣加濕;NOx排放中圖分類號(hào):TM61124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼;A文章編號(hào)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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GCC)燃料的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)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(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,最多可獲氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用.盡得降低70%NO2排放的效果國(guó). 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(duì)擴(kuò)散火焰和預(yù)混火焰的加濕燃燒進(jìn)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(duì)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(jìn)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(gè)不可回避的問題研究,發(fā)現(xiàn)過量的噴水會(huì)造成燃燒不穩(wěn)定并降低燃向擴(kuò)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?xì)廨啓C(jī)污染控制手段釋對(duì)甲中國(guó)煤化工句,認(rèn)為H2O稀收稿日期:20061201;修訂日期:2007-11-27CNMHG作者簡(jiǎn)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(xué)報(bào)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(jiǎn)單的除濕后,流經(jīng)伴針對(duì)合成氣的加濕燃燒研究近年來日益受到重?zé)峁芫€進(jìn)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(qiáng)型煙氣分析應(yīng)機(jī)理. Charlston-Goch(等利用激光誘導(dǎo)熒光技儀進(jìn)行測(cè)量.該儀器在試驗(yàn)前后均按GB/T183451術(shù)(LI)進(jìn)行了預(yù)混合成氣火焰中的Nox生成機(jī)理2001要求用標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定與校核.可測(cè)研究. Daniel 8A5H針對(duì)合成氣擴(kuò)散對(duì)沖火焰進(jìn)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(jì)算比較,氣組分濃度,火焰筒壁面上布置了50支K型熱電認(rèn)為H2O稀釋仍是降低合成氣燃燒NO2排放的最偶,用來監(jiān)測(cè)火焰筒的壁面溫度.一支 Kulite動(dòng)態(tài)有效手段,其原因在于水蒸氣的較大比熱以及其對(duì)壓力傳感器布置在火焰筒的聯(lián)焰管處,用來測(cè)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(cè)燃燒過程的穩(wěn)定性.燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)全壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn),并范圍內(nèi),而此動(dòng)態(tài)壓力傳感器的頻響在100kHz以監(jiān)測(cè)了火焰筒壁溫、燃燒室動(dòng)態(tài)壓力和NO=排放特上,能夠滿足測(cè)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?xì)廨啓C(jī)的全壓燃料氣加濕試驗(yàn)結(jié)果還鮮有報(bào)道,由于實(shí)型機(jī)組的全壓實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯涌荚u(píng)燃料氣加濕對(duì)機(jī)組性能、污染物排放、燃燒穩(wěn)燃燒室冂1進(jìn)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(duì)降低燃?xì)廨啓C(jī)NO排放的作用,并對(duì)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(jì)提供幫助加熱用本文針對(duì)一種燃用合成氣的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室,進(jìn)蒸汽行了該型燃燒室的全壓燃料氣蒸汽加濕試驗(yàn)研究,得到了燃燒室在基本負(fù)荷下隨加濕量變化污染物排放、燃燒室內(nèi)動(dòng)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(jì)數(shù)的變化規(guī)律,分析了燃料氣加濕對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)合成氣燃燒中NOx生23實(shí)驗(yàn)參數(shù)與性能指標(biāo)的定義成的機(jī)理性作用(1)相對(duì)加濕度2實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介相對(duì)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(yàn)在某型合成氣燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組上進(jìn)行.燃料氣燃料氣質(zhì)量流量加濕通過向機(jī)組合成氣母管注入過熱蒸汽來實(shí)現(xiàn)蒸(2)燃?xì)夥治龀煞峙c參考氧濃度汽來源于機(jī)組余熱鍋爐,蒸汽壓力為37MPa,溫度實(shí)驗(yàn)過程中通過燃?xì)夥治鰞x直接獲得的結(jié)果是為44°C.試驗(yàn)過程中調(diào)整燃料氣加熱器加熱功率各成分的實(shí)測(cè)濃度,使用下面的公式把各成分的實(shí)保證混合后閥站進(jìn)口的合成氣溫度保持在150°C.測(cè)濃度轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一參考氧濃度下的相對(duì)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(duì)濃度,參考氧濃度取為16%:分進(jìn)入燃燒室.燃料氣加濕試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示21-參考氧濃度2.2試驗(yàn)測(cè)量裝置x實(shí)測(cè)濃度21-燃?xì)庵袣埩粞鯘舛葦M測(cè)量的主要燃燒特性參數(shù)包括:排氣污染物24試驗(yàn)組織濃度(NOx,CO,UHC)、火焰筒壁面溫度和燃燒室進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)基本負(fù)荷下的燃料氣加濕試內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力驗(yàn),研究了燃料氣加濕對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)總體性能、污染燃?xì)獠蓸酉到y(tǒng)由采樣探頭、除濕器、帶加熱裝物排中國(guó)煤化工等方面的影響置的樣氣管線、燃?xì)夥治鰞x構(gòu)成,排氣采樣探頭使調(diào)整燃機(jī)負(fù)用取平均值的多孔探頭,在機(jī)組排氣道內(nèi)呈等間距荷CNMH個(gè)加濕試驗(yàn)過程雷宇等:燃?xì)廨啓C(jī)合成氣燃燒室燃料氣加濕實(shí)驗(yàn)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(yàn)過程中燃機(jī)負(fù)荷保持40MW不變,這樣也就保證了試驗(yàn)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(duì)燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放的影熱力型NO不同,對(duì)溫度的依賴性低,空氣加濕燃響.實(shí)驗(yàn)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(yàn)工況表少了快速型NO生成蒸汽流量(kg/)006811220932燃料氣加濕對(duì)火焰筒壁溫的影響172圖3表示了燃料加濕量對(duì)火焰筒壁溫的影響實(shí)驗(yàn)過程中,布置于火焰筒壁面上的50支熱電偶使3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論用1Hz采樣頻率進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行繪制。壁溫監(jiān)31然料氣加濕對(duì)排氣污染物排放的影響測(cè)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(shì)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(shí),排氣中的可能的原因?yàn)檎羝尤胧沟萌剂险w流量增大,造NO2濃度為405mg/Nm3016%O2,隨著燃料氣相對(duì)成旋流器出口軸向速度增加,使得燃燒區(qū)變長(zhǎng)和后加濕量的增加,當(dāng)相對(duì)加濕量為17:%時(shí),燃機(jī)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(jī)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(duì)火焰筒壁溫的影響相對(duì)加濕量3.3燃料加濕對(duì)燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力的影響燃燒室內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)是監(jiān)測(cè)燃燒室工作狀圖2燃料氣加濕對(duì)排氣污染物濃度的影響況的重要指標(biāo),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(yàn)中利用一只高頻響的 KuliteNO生成機(jī)理有熱力型(2 Zeldovich)、快速型動(dòng)態(tài)壓力傳感器由聯(lián)焰管伸入燃燒室測(cè)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(dòng)態(tài)壓力特性熱力型NO生成機(jī)理如下:試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)壓力采樣頻率為5120Hz,圖4顯O+N2→NO+N示了對(duì)不同燃料加濕量下的燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)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(zhǎng)度為1024點(diǎn),燃燒室內(nèi)動(dòng)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(cè)表明隨加濕量增加燃燒室內(nèi)動(dòng)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(yàn)范圍內(nèi)加濕過程對(duì)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(dòng)態(tài)壓力的振幅隨加碳化氫與N2反應(yīng)生成的濕量中國(guó)煤化工對(duì)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(xué)報(bào)29卷隨加濕量的增加而減小參考文獻(xiàn)門趙黛青,等譯新井紀(jì)男,主編.燃燒生成物的發(fā)生與抑制技術(shù),北京科學(xué)出版社出版,2001,408411320Lupandin V, et al. 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Combust Flame, 2001, 125: 729-743(2)火焰筒壁面溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(shì)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(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)加bustion System Fired with Mixtures of Natural Gas andHydrogen. IFRF Combustion Journal, Article Number濕對(duì)燃燒振蕩頻率無明顯影響,而動(dòng)態(tài)壓力的振幅200207,2002中國(guó)煤化工CNMHG