CO2稀释天然气高压燃烧特性数值模拟

第48卷第3期2019年3月
热力发电
THERMAL POWER GENERATION
Vol.48 No.3
Mar. 2019
C〇2稀释天然見高压燃洗特性教值模拟
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)
[摘 要]为了研究惰性气体稀释气体燃料高压燃烧后NC^的排放规律，通过数值模拟计算的方法研 究了 C02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C02稀
释天然气燃烧在一定的稀释率以内可以很好地控制NO,的排放量，但超过这个稀释率NO,
排放量会上升;在高压下通过C〇2稀释天然气燃烧相对于低压时更容易控制N O i的排放量。

[关键词]天然气；C02;稀释率；高压燃烧；NO*排放；数值模拟
[中图分类号]TK16 [文献标识码]A[DO I编号]10.19666/j.rlfd.201806185
[引用本文格式]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.
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 I n s t i t u t e Co., L t d.,East China Branch, Hefei 230031, China)
A bstract:In order to study the emission rule o f nitrogen oxides after high-pressure combustion o f gaseous fuel diluted with inert gas,the high-pressure combustion characteristics o f natural gas diluted with carbon dioxide in the gas turbine combustion chamber were studied by numerical simulation calculation.The results show that the temperature o f the burning area decreases with the increase o f the dilution rate,and the biiming area height is also reduced.Moreover,the emissions o f nitrogen oxide diluted with carbon dioxide can be w ell controlled within a certain dilution rate range,but nitrogen oxide emissions w ill rise it exceeds the dilution rate.In addition,it is also more easier to control nitrogen oxide emissions by the dilution o f carbon dioxide during combustion o f natural gas at higher pressures.
K ey w ords:natural gas,C〇2,dilution rate,high-pressure combustion,NO^emission,numerical simulation
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]，研宄分析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\(^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C02、H e、7J C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C02)还会增加混合气 体的比热容，降低燃烧温度。

王金华等[7]研宄了高 温高压下c o2和H20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实验研宄了CH4在〇2/C〇2气氛中燃烧的火焰温度特性;克拉科 夫A G H科技大学的ZOFIA KALICKA等[9]研宄了 含有21%~29%的〇2/C〇2/N2混合气体的天然气燃烧 对C O排放量的影响。

基于近年来减排温室气体、封存c o2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
第3期李强等C〇2稀释天然气髙压燃烧特性数值模拟115
研究惰性气体稀释气体燃料的髙压燃烧特性，本文 采用C02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C〇2稀释天然气的混合气体在 燃气轮机燃烧室内的髙压燃烧特性，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 k W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。

a)试验台
图1燃气轮机高压燃烧室试验台及其结构简图F1g.l The structure and simplified structure of the gas
turbine high-pressure combustion chamber test bench
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C〇2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（C〇2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 髙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。

收缩段
燃料喷管_
图2旋流器预混喷嘴设计
Fig.2 Design diagram of the cyclone premixlng nozzle
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G am bit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。

a)燃烧室模型b)网格划分
图3燃气轮机燃烧室模型及其网格划分
Fig J The model of the gas turbine combustion chamber
and its mesh generation
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[1吒
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 k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 k模型。

116热力发电2019 年
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，
D O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D O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I12],因此燃烧模型选择有限化学反应模型中的涡
耗散模型。

4) NOx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\0,生成模型
中忽略燃料型NOx,只考虑热力型和快速型的NQc。

1.3相关参数的计算
在本次数值模拟试验研宄中，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。

设计的模拟工况为：将c o2稀释率分别为0、
0.2、0.4、0.6的天然气和C02的混合气体，分别在
1.0、
2.0、
3.0、
4.0 MPa4种压力环境下进行数值模
拟燃烧计算。

在这里，c o2稀释率定义为
^v,C〇2
^v,C〇2+ ^v,C H4
⑴
式中，^〇)2为^02的体积流量，A c h4S C H4的体
积流量。

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C02
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.l The mass flow of each gas under all conditions kg/s
稀释率C〇2流量甲烷流量主燃空气
流量
二次空气
流量
冷却空气
流量
00 4.036x10-4 6.918x10-37><l〇r31X10-2
0.2 2.782x10-4 4.036x10-4 6.918x10-37x10-31x10-2
0.47.430x10-4 4.036x10-4 6.918X10-37xl〇r31x10-2
0.6 1.666X10-4 4.036xl〇4 6.918X1037xl〇r31x10-2
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、（：02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Z 轴表示燃烧室的髙度。

A7m
a)网機36万b)网格数65万c)网格数103万
图4燃烧室纵向截面Z=〇mm处温度场
Fig.4 The temperature field in longitudinal section of the combustion chamber where X=0 mm
a)网格数36万b)网格数65万c)网格数103万
图5燃烧室纵向截面Z=0 m m处速度场
Fig.5 The speed field in longitudinal section of the
combustion chamber where X=0 mm
从图4可以看出：燃气轮机燃烧室Z=0 m m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 度场具有髙度一致性；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A T=0m in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
第3期李强等C 〇2稀释天然气高压燃烧特性数值模拟
117
2 500 r
—■— 032稀释率为0 一•一 0^〇2稀释率为0.2 ^
—一 (302稀释率为0.4f
~
c 〇2稀释率为〇.6
H—
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 M Pa 时各个稀释率下燃烧室纵向截面X =0 m m 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 烧室底部中心处的髙温燃烧区域大小随着C 02稀释 率升髙而逐渐减小。

a )
b) 1^=0 2
c) ^=0.4
d ) ^=0-6
图6燃烧室纵向截面尤 =0 mm 处温度场
Fig.6 The temperature field in longitudinal section of the
combustion chamber where X=0 mm
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（Z 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，C 02含量也会增加， 又因C 02的比热容较大，因此在升高相同温度时会 吸收更多热量，所以稀释率越髙也会导致髙温燃烧 区域温度有所降低。

燃烧室高度/m a )压力为1 MPa
500
i
0.2
0.4
0.6
0.8
燃烧室高度/m b )压力为2 MPa
2 500 2 000
蠢 1500
g 1 000
500
_0〇L
2 500
2 000
I 1500
S ® 1 000
500(：02稀释率为0
(：02稀释率为0.2 (：02稀释率为0.4
，稀释率为0.6+C C X 释 _
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
燃烧室高度/m c )压力为3 MPa
-(：02稀释率为0
-C C X 稀释率为0.2-(：02稀释率为0.4
率为0.6一*^〇〇,稀释率
-0.2
0.2
0.4
0.6 0.8 1.0
燃烧室高度/m d )压力为4 MPa
图7各个压力下燃烧室纵向截面中心线温度变化曲线
Fig.7 Variations of the temperature at centerline of
longitudinal cross section of the combustion chamber at
various pressures
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 M Pa 下最髙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C 02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C 02稀释率的增加导致了燃料气体燃烧 提前。

这一方面是由于C 02稀释率增加之后，C 02 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C 02稀释率的增加，混合
j
_
__
_
_r
o o
o 005000 2
1 1
118
热力发电2019 年
o.iio -0.105 卜...............................*
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.6
co 2稀释率
图9最高燃烧温度对应的燃烧室高度变化曲线
Fig.9 Change curve of the combustion chamber height with
the C 〇2 dilution rate at the maximum combustion
temperature
2.2.2速度场变化特性
图10为2 M Pa 下各个稀释率下燃烧室纵向截 面Z =0 m m 处的NO ；c 产生速率云图。

X /m
X /m
X /m
X /m
a ) F c 〇 =0
b ) Y
c o ^.2
c ) Yc 〇=0A
d ) ¥^=0.6
图10 2 M Pa 下各个稀释率下NOz 产生速率云图
Fig.10 The NO a ： production rate contours at 2 MPa for each
C 〇2 dilution rate
由图10可以看出：各个稀释率下产生的NOx 在火焰外缘的产生速率比较大，这是因为此处的温
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，卷吸周围髙温烟气的能力更强，因此为 混合气体燃料的快速燃烧提供了充足的氧化剂。

2 400r
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
co2稀释率
图8最高燃烧温度随稀释率变化特性曲线
Fig.8 Relationship between the maximum combustion
temperature and the dilution rate
0.145 - 0.140 -〇)2稀释率为0 〇)2稀释率为0.2 〇)2稀释率为0.4 〇)2稀
释率为0.6
度非常髙，再加上氧气氮气的体积分数比较大，因 此特别适合NOx 的产生；而在火焰内部，虽然温度 比较高，但被C 02和燃料充斥着，无法生成NOx 或者生成的NOx 极少；通过对比各个稀释率下的 \(^产生速率云图可以发现，稀释率为0.4、0.6时 的1^1产生速率明显降低很多，根据前面的研宄分 析结果，可以得出由于掺混C 02后导致高温区域的 温度降低，因此NOx 产生速率也随之降低。

图11给出不同的C 02稀释率下燃气轮机燃烧 室出口处的NO x 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
的升髙，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 C 02稀释率为0时，燃气轮机燃烧室出口处\(^平 均质量浓度的增长幅度达到最大，增幅最小时对应 的C 02稀释率为0.4;在同一压力不同C 02稀释率 条件下，燃烧室出口处的NCX 平均质量浓度的增幅 也大不相同；在压力为1 M Pa 时，各稀释率下NOx 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NCX 的平均质量浓度的变化幅度 比较大，且在压力越高时N (X 平均质量浓度的变化 幅度较大。

0.6 r
1.0 1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0
压力/M Pa
图11 NQc 平均质量浓度随工况压力的变化曲线
Fig.ll Change curves of the mean NO：c density with
working pressure
不同压力下NOx 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\(^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C 02 稀释率为0.4。

这是因为在C 02稀释率低于0.4时， 天然气髙温燃烧区域温度由于C 02的稀释作用而有 所降低，因此NOx 生成也随之减少，但在稀释率为 0.4之后，过多的C 02使得混合气体在预混旋流器
5
0 5 0 5
3 3 2 2 1 11 11
1
1
11
110+0+0+0+
0+S /蹈崦細理簦
T
s .s 50/fe<崧 _^O N
第3期李强等C 〇2稀释天然气髙压燃烧特性数值模拟119
—压力为1 MPa
――压力为2 MPa —■—压力为3 1^& 一•一压力为4 MPa 〇l ~I --1----1 I ----T --- I --10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
c o 2稀释率
图12不同压力下NO ,质量浓度随稀释率的变化 Fig.12 Variations of the NOx density with CO 2 dilution ratio at different pressures 3结论1) 4种压力下，C 02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C 〇2的混合气体在各个压力下燃 烧时，产生的NO ；c 在C 02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C 02燃烧来说，选择一个适当的C 02稀释率(例
如0.4)对于控制NOx 排放至关重要。

3) 4种压力下随着稀释率增加，在燃气轮
机燃烧室中C 02稀释天然气的混合气体燃烧产生的 NOx 排放量先减小后增大，而且在高压力工况时
C 02的稀释作用对于天然气燃烧生成的NO x的抑制 作用更为有效。

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火焰内部也就有更多的NCX 生成。

由图12还可以 看出，燃烧压力越髙时燃气轮机燃烧室出口处的
NOx 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C 02稀释天然气对天然气燃 烧生成的NOx 的抑制作用更为显著。

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3 2
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_^O N (责任编辑马昕红
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