稀釋合成氣微混合燃料噴射燃燒火焰特性研究

張永生， 張海龍， 田 龍， 付忠廣， 張 鍇

（華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京102206）

合成氣燃氣輪機是整體煤氣化聯合循環（IGCC）結合碳捕集與封存（CCS）技術中的核心裝置.合成氣主要成分為H2和CO，并含少量CO2、CH4和N2等.針對回火等問題，已有大量關于合成氣燃氣輪機擴散火焰燃燒方式的研究［1－4］.與貧預混火焰相比，擴散火焰溫度高，并且由于H2的絕熱火焰溫度比天然氣的高，合成氣燃氣輪機排放的NOx質量濃度遠高于傳統天然氣燃氣輪機.在60kW 天然氣燃氣輪機直接改燒H2的實驗中，排放的NOx質量濃度是改造前的10～100倍［1］，原因為燃燒H2時 主要 生 成 熱 力 型NOx［5］，其 生 成 量 是 溫 度 的 函數，溫度越高，NOx生成量越多.因此，如果溫度場設計不當，會增加NOx的生成量.

為了抑制擴散火焰中NOx的生成量，通過稀釋技術降低反應物濃度進而降低火焰溫度是有效的方法之一，如在燃燒過程中摻入N2、CO2或水蒸氣.從降低NOx生成量的效果來看，水蒸氣和CO2的稀釋效果比N2的稀釋效果好［5－9］.

另外，采用新型的燃燒方式（如微混合燃料噴射燃燒等）也能夠降低排放的NOx質量濃度.該燃燒方式通過多個噴嘴微孔通道燃燒，分散火焰面，降低局部火焰溫度，獲得了較低的NOx質量濃度.在Hernandez等［10］以H2為燃料的微混合燃料噴射燃燒實驗中，排放的NOx質量濃度可達1.24mg／m3，美國航空航天局（NASA）在航空燃氣輪機運行條件下測試所得NOx質量濃度可控制在0.41 mg／m3以下［11］.但該燃燒方式會導致燃燒區域縮短，使得噴嘴附近壁面溫度較高，甚至出現超溫現象［12－15］.

筆者采用耦合CO2稀釋與微混合燃料噴射燃燒的方法，通過二者的協同作用共同降低NOx質量濃度，并通過CO2的稀釋作用，減弱微混合燃料噴射燃燒中火焰對噴嘴出口的影響，降低噴嘴出口附近壁面溫度.

在實際燃燒器的技術開發過程中，實驗室燃燒器特征規律中的火焰熱功率通常會被放大，而火焰熱功率的變化會影響容積熱負荷，進而對排放的NOx質量濃度產生影響.Lee等［16］在基于GE7EA燃氣輪機燃燒室設計的60kW 燃燒器模型中進行燃料為H2和CO 合成氣的燃燒特性研究，其火焰熱功率范圍為20～60kW，隨著火焰熱功率的增大，NOx質量濃度增加.對于同一燃燒器，不同燃料量對應不同火焰熱功率及不同溫度分布，其排放的NOx質量濃度會隨之發生變化；另外，燃料量及與之對應的空氣量的改變會導致燃燒流場改變，流場的改變也會導致溫度場分布發生變化，且二者的變化對NOx質量濃度影響的趨勢在理論上有可能是不一致的，因此筆者針對燃燒器進行不同火焰熱功率下NOx排放特性的研究.

1 實驗介紹

以耦合CO2稀釋的8MJ／m3模擬合成氣（CO、H2和CO2體積分數比為0.34∶0.34∶0.32）為研究對象，對不同火焰熱功率下微混合合成氣噴射燃燒的火焰特性進行研究.

燃燒器及燃燒室示意圖見圖1.所設計的微混合燃料噴射燃燒器由25組噴嘴組構成，每組噴嘴由1個中心燃料噴嘴和周圍8個空氣噴嘴組成，燃燒器共有燃料噴嘴25個，空氣噴嘴200個.燃料噴嘴內徑為2mm，空氣噴嘴內徑為1.43mm，如圖1（b）所示.燃料噴嘴設計為噴射噴嘴，為加強燃料和空氣的混合，將空氣噴嘴設計為弱旋流結構.此空氣旋流結構并不與傳統燃氣輪機燃燒室旋流器一樣具有很大的旋流強度，且沒有強烈的回流區，旋流的目的只為加強燃料和空氣的混合.

圖1 燃燒器及燃燒室示意圖Fig.1 Schematic diagram of the combustion chamber and nozzle arrangement

空氣噴嘴和燃料噴嘴安裝在噴嘴底座上，噴嘴底座安裝在空氣穩壓器上，空氣噴嘴、燃料噴嘴、噴嘴底座、空氣穩壓器以及相應的接口一起組成燃燒器.燃料和空氣從噴嘴噴出后迅速在燃燒室內混合并燃燒，如圖1（a）所示.根據光學方法測量流場，燃燒室被設計為立方體結構，并且三方壁面均采用石英玻璃.爐膛下方為根據空氣動力學設計的燃料均勻混合裝置，爐膛上方為煙氣出口，為方便測量煙氣，在煙氣出口處橫向設置取樣口.

實驗系統主要包括進氣配氣系統、微混合燃料噴射燃燒器、測試分析系統以及數據采集和處理系統.進氣配氣系統由空氣、H2、CO、CO2管路和流量計組成.在微混合燃料噴射燃燒器中，合成氣與空氣相互擴散，點火后形成擴散火焰.采用testo 350XL煙氣分析儀對尾部煙道煙氣的組分含量與組分溫度進行測量，通過焊接在爐內壁面上的K 型精細鎧裝熱電偶測量爐膛壁面溫度，熱電偶在爐膛壁面及噴嘴出口的測點分布如圖1（c）所示.應用美國TSI公司生產的PIV 系統測量并研究燃料噴嘴和空氣噴嘴出口處的冷態流動特征，以煙香為示蹤粒子，其被測區域為燃燒器中心截面.

2 結果及討論

2.1 流場及火焰結構

對不同火焰熱功率下（對應每個工況下過量空氣系數為1）的冷態流場進行了測量，由于CO 具有毒性，且CO 和H2有爆炸的可能，因此實驗中以空氣代替稀釋合成氣，并保證替代空氣與燃料氣體等流速，近似模擬流場的分布.由于空氣密度與CO／H2合成氣的密度不同，采用空氣代替CO／H2合成氣進行流場測量會導致其流動動量不同，存在一定的誤差.圖2為燃燒室中間縱向切面的流場分布情況，流場分布圖下側對應切面上的5個噴嘴.由圖2可知，流體從燃料噴嘴和空氣噴嘴噴出后，中心的噴嘴保持較好的射流特性，而外圍噴嘴由于受靠近壁面渦擠壓的影響，射流偏向中心，最后這些流體在燃燒器上部匯合成一個主流區.

圖2 不同火焰熱功率下的冷態流場Fig.2 Cold－state flow fields under different flame power conditions

由圖2可知，對于火焰熱功率較小且燃料和空氣流速較低的情況，各個噴嘴間相互影響較??；而對于火焰熱功率較大的情況，不同噴嘴間相互影響較大，有形成一個主火焰矩的趨勢.圖3所示的不同火焰熱功率下的火焰相片也給出類似結果.由圖3中的火焰結構可知，火焰熱功率越小，每個噴嘴的火焰越細，隨著火焰熱功率的增大，火焰變得粗壯，而且火焰變得更加明亮.

圖3 不同火焰熱功率下的火焰相片Fig.3 Flame photos under different flame power conditions

2.2 污染物排放

圖4 為NOx質量濃度和CO 質量濃度（換算到15%O2體積分數下）隨過量空氣系數的變化.由圖4（a）可知，不同火焰熱功率下排放的NOx質量濃度均較小，最大NOx質量濃度在2mg／m3左右，一般在0.4～1.1mg／m3.NOx質量濃度一般隨過量空氣系數的增大稍有增加；在實驗范圍內，由于NOx質量濃度數值較小，不同火焰熱功率下的NOx質量濃度變化并不明顯.文獻［16］中合成氣CO與H2的體積分數比為6∶4和4∶6，與本文中合成氣的φ（CO）／φ（H2）接近，文獻［16］中30kW 燃氣輪機排放的NOx質量濃度范圍為9.95～13.27mg／m3.由變化趨勢可知，本文實驗結果中NOx質量濃度較低，表明通過耦合CO2稀釋和微混合燃料噴射燃燒能夠有效降低NOx質量濃度.

圖4 不同火焰熱功率下排放的污染物質量濃度隨過量空氣系數的變化Fig.4 Variation of pollutant emission with excess air coefficient under different flame power conditions

實驗過程中，過量空氣系數為1時，排放的CO質量濃度很高，火焰熱功率分別為15kW 和20kW時對應的CO 質量濃度分別為138.18 mg／m3和576.23mg／m3（換算到15%O2體積分數下）；過量空氣系數大于1時，如圖4（b）所示，爐膛出口煙氣的CO 質量濃度低于10 mg／m3，可能原因為：過量空氣系數為1時，燃料和空氣混合不完全，有部分燃料未來得及與空氣反應而逃逸；過量空氣系數為1.2～2時，空氣量的增加導致火焰溫度降低，從而導致CO 未完全氧化，進而使其排放質量濃度增加.不同火焰熱功率下CO 質量濃度隨火焰熱功率的增大而降低，當火焰熱功率大于25kW 時，CO 質量濃度接近于零，可能原因為：隨著火焰熱功率的增大，可燃燃料增加，燃燒放熱量增加，使得溫度升高，燃燒更完全，有利于CO 的氧化.

2.3 溫度分布

不同CO2稀釋比的實驗表明，噴嘴出口溫度隨稀釋量的增加而降低［17］，表明耦合CO2稀釋和微混合燃料噴射燃燒能夠降低噴嘴出口溫度.實驗中測量了燃燒器內壁面的溫度，其中A 點為燃燒器側壁面溫度測點，B、C2點為噴嘴出口處的溫度測點，如圖1（c）所示.

圖5給出了不同火焰熱功率下爐膛出口及A、B、C3點的溫度隨過量空氣系數變化的曲線.由圖5可知，隨著火焰熱功率的增大，各測點處的溫度升高，主要原因為燃料增加導致總發熱量增加.溫度隨過量空氣系數變化的過程中，爐膛出口最高溫度出現在過量空氣系數為1時，而A、B、C3點最高溫度出現在過量空氣系數為1.2時.可能原因為：過量空氣系數為1時燃料和空氣在明亮的主火焰區未達到充分燃燒，有部分燃料未來得及與空氣反應而逃逸；過量空氣系數大于1時，較多的空氣可使燃料完全燃燒，從而使接近主火焰區的A、B、C3點出現最高溫；當過量空氣系數繼續增大使得空氣量更多時，在主火焰區有更多的氧氣和燃料混合并進一步燃燒，從而有溫度升高的趨勢.但空氣量的進一步增加易帶走火焰區燃燒產生的熱量，從而導致燃燒區周圍溫度降低，兩方面的原因導致在過量空氣系數為1.2時A、B、C3點出現最高溫.而對于爐膛出口，由于主火焰區與出口處有一定距離，燃料和空氣在主火焰區之后的區域會進一步反應，煙氣溫度會進一步升高，因此過量空氣系數為1時爐膛出口處出現最高溫.

圖5 不同火焰熱功率下不同位置溫度隨過量空氣系數的變化Fig.5 Variation of temperature with excess air coefficient under different flame power conditions

另外，噴嘴出口處B、C2點溫度一般比燃燒器側壁面A 點溫度低300 K 左右.對于實際燃氣輪機，可以通過冷卻空氣等方法冷卻燃燒器壁面.對于噴嘴出口，由于還要兼顧燃燒穩定性等問題，通過空氣冷卻等方法降低噴嘴出口溫度的可行性不大，因而筆者提出的耦合CO2稀釋和微混合燃料噴射燃燒降低噴嘴出口溫度具有一定的現實意義.

3 結 論

（1）耦合CO2稀釋和微混合燃料噴射燃燒是一種降低合成氣擴散火焰NOx生成量的有效途徑.

（2）實驗范圍內，一般NOx質量濃度低于2 mg／m3，CO 質量濃度低于10 mg／m3，且隨著火焰熱功率的增大，CO 質量濃度降低.

（3）燃燒器出口溫度、燃燒器側壁面溫度和噴嘴出口溫度等均隨著火焰熱功率的增大而升高；燃燒器出口溫度隨過量空氣系數的增大而降低，燃燒器側壁面溫度和噴嘴出口溫度隨過量空氣系數的增大呈先升高后降低的趨勢.

［1］ R?RTVEIT G J，HUSTAD J E，LI S C，et al.Effects of diluents on NOxformation in hydrogen counterflow flames［J］.Combustion and Flame，2002，130（1／2）：48－61.

［2］ 郭培卿，臧述升，葛冰，等.帶有氮氣稀釋的合成氣火焰的實驗研究［J］.燃燒科學與技術，2011，17（2）：142－146.GUO Peiqing，ZANG Shusheng，GE Bing，et al.Study on the syngas flame with nitrogen dilution［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2011，17（2）：142－146.

［3］ 張永生，穆克進，張哲顛，等.不同空氣和燃料旋流強度下合成氣稀釋擴散火焰特性研究［J］.中國電機工程學報，2009，29（2）：63－68.ZHANG Yongsheng，MU Kejin，ZHANG Zhedian，et al.Research on syngas diluted diffuse flame characteristics under different swirling intensity of air and fuel［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（2）：63－68.

［4］ 崔玉峰，徐綱，聶超群，等.數值模擬在合成氣燃氣輪機燃燒室設計中的應用［J］.中國電機工程學報，2006，26（16）：109－116.CUI Yufeng，XU Gang，NIE Chaoqun，et al.Application of numerical simulation in the design of gas turbine combustor for burning syngas［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26（16）：109－116.

［5］ GILES D E，SOM S，AGGARWAL S K.NOxemission characteristics of counterflow syngas diffusion flames with airstream dilution［J］.Fuel，2006，85（12／13）：1729－1742.

［6］ CHIGIER N A，DVORAK K.Laser anemometer measurements in flames with swirl［J］.Symposium（International）on Combustion，1975，15（1）：573－585.

［7］ KIM S G，PARK J，KEEL S I.Thermal and chemical contributions of added H2O and CO2to major flame structures and NO emission characteristics in H2／N2laminar diffusion flame［J］.International Journal of Energy Research，2002，26（12）：1073－1086.

［8］ GABRIEL R，NAVEDO J E，CHEN R H.Effects of fuel Lewis number on nitric oxide emission of diluted H2turbulent jet diffusion flames［J］.Combustion and Flame，2000，121（3）：525－534.

［9］ 湯根土，呂俊復，岳光溪，等.不同空氣稀釋劑對合成氣擴散火焰NOx生成特性的影響［J］.動力工程，2008，28（6）：924－930.TANG Gentu，LüJunfu，YUE Guangxi，et al.Effects of different air diluents on NOxformation in counterflow syngas diffusion flames［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（6）：924－930.

［10］ HERNANDEZ S R，WANG Qing，MCDONELL V，et al.Micromixing fuel injectors for low emissions hydrogen combustion［C］／／ASME Turbo Expo 2008：Power for Land，Sea，and Air.Berlin，Germany：International Gas Turbine Institute，2008：675－685.

［11］ MAREK C J，SMITH T D，KUNDU K.Low emission hydrogen combustors for gas turbines using lean direct injection［C］／／41st AIAA／ASME／SAE／ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.Tucson，Arizona：American Institute of Aeronautics and Astronautics，2005：1－27.

［12］ TACINA R，WEY C，LAING P，et al.A low NOxlean－direct injection，multipoint integrated module combustor concept for advanced aircraft gas turbines［C］／／Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment.Oporto，Portugal：Instituto Superior Técnico，2001.

［13］ TACINA R，WEY C，LAING P，et al.Sector tests of a low－NOx，lean－direct－injection，multipoint integrated module combustor concept［C］／／Proceedings ASME Turbo Expo.Amsterdam，Netherlands：ASME，2002.

［14］ TACINA R，MANSOUR A，PARTELOW L，et al.Experimental sector and flame－tube evaluations of a multipoint integrated module concept for low emission combustors［C］／／ASME Turbo Expo 2004：Power for Land，Sea，and Air.Vienna，Austria：International Gas Turbine Institute，2004：107－119.

［15］ TACINA K M，LEE C M，WEY C.NASA glenn high pressure low NOxemissions research［C］／／NASA／TM—2008－214974.Ohio，USA：Glenn Research Center，2008.

［16］ LEE M C，SEO S B，CHUNG J H，et al.Gas turbine combustion performance test of hydrogen and carbon monoxide synthetic gas［J］.Fuel，2010，89（7）：1485－1491.

［17］ ZHANG Y S，YANG T M，LIU X Q，et al.Reduction of emissions from a syngas flame using micromixing and dilution with CO2［J］.Energy ＆Fuels，2012，26（11）：6595－6601.