燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究

采用数值模拟与实验研究相结合的方法开展了应用于燃气轮机燃烧室的预混燃烧器中燃料/空气掺混均匀性问题研究。在CHEMKIN软件中建立化学反应网络模型,通过零维模拟研究了燃/空预混不均匀度对NO_x排放的影响规律。针对某预混燃烧器,从影响燃料/空气掺混均匀性角度,采用三维数值模拟手段对预混段长度和燃料孔径结构开展了参数化研究,评估了预混段长度对流场和组分场的综合影响,着重关注燃/空动量比对燃料射流深度的影响,进而分析其对燃料/空气掺混性能的影响。最后,选取2种典型预混燃烧器结构,实验测量了预混火焰在不同当量比工况下的OH分布和NO_x排放。结果表明,相同当量比工况下,2种预混燃烧器火焰结构相似,尺寸变化不大,但燃/空掺混性能更优的火焰OH峰值信号强度低,脉动小;燃/空预混不均匀度直接影响NO_x排放,尤其在高当量比工况下影响更加显著。研究结果将对预混燃烧器优化设计提供参考。

密相输运床径向颗粒体积分数分布的研究

在提升管高17 m,内径0.102 m的密相输运床冷态实验装置中,采用B类石英砂颗粒,针对径向颗粒体积分数分布进行了研究。结果表明,径向颗粒体积分数分布不均匀:提升管中心至近壁面附近(r/R=0—0.7),颗粒体积分数较低且基本一致;近壁面处(r/R=0.7—0.9)颗粒体积分数显著升高;壁面附近(r/R=0.9—0.97)达到最大。增加固体循环流率或降低提升管气量,各径向位置颗粒体积分数都增加。其中壁面附近最为明显,提升管中心至近壁面附近变化较小。文中建立了径向颗粒体积分数分布描述关系式,对于A类颗粒和B类颗粒实验结果都能较好地预测。

合成气柔和燃烧实现条件数值研究

运用Chemkin程序建立空气分级、带烟气回流的燃烧模型,研究4种燃料、2种空气预热温度、3种工作压力下实现柔和燃烧所需的烟气回流比例。主当量比增加时,回流烟气的温度升高,氧摩尔分数降低,有利于为柔和燃烧创造"高温低氧"的氧化剂气氛,导致转捩回流比例降低。对于氢气燃料,相同烟气出口温度时,增加工作压力,转捩回流比例会升高,转捩NOx排放降低,这可能和回流烟气的氧摩尔分数降低有关。

CaS-CaSO_4是否共熔的DTA和TG实验研究

CaS和CaSO4熔点均在1400℃以上,研究发现CaS和CaSO4混合物在827℃可能存在熔融现象。CaS与CaSO4是否存在共熔对以CaSO4为载氧体的反应器的操作条件优化具有重要影响。从物理化学变化及其热效应角度,利用综合热分析仪对氮气气氛下不同摩尔比例均匀混合的CaS、CaSO4样品进行差热分析(DTA)和热重分析(TG)研究,并对实验残留物进行SEM分析。结果表明,在700～1300℃的常压惰性气氛条件下,没有发现CaS和CaSO4组成的任意二元混合物存在共熔现象。对由不同比例组成的CaO、CaS、CaSO4三元混合物进行类似的实验,结果表明,在700～1500℃的常压惰性气氛下,没有明显的证据证明存在三相共熔现象。

煤加氢热解及热解焦气化特性试验研究

为给输运床气化试验提供基础数据,采用加压滴管炉反应装置,以次烟煤为研究对象,研究了不同温度、不同压力、不同反应气氛下煤的热解产物特性,并分析了不同热解条件对煤焦结构、基础物化性质及其CO_2气化反应性的影响。结果表明:氢气气氛热解产物中CH_4、C_2H_4的产率超过氮气气氛条件下的3倍,且对煤焦剩余挥发分的影响不大,反应气氛对于失重率的影响因温度而异,600~800℃下常压加氢工况煤的热解失重率相比惰性气氛下更小,总压0.5 MPa含氢气氛则比惰性气氛下的失重率更大。对于热解焦的气化活性,常压加氢工况制得的热解焦,其气化活性高于氮气气氛热解焦,而加压工况的气氛是否含氢对气化活性的影响不显著,氢气与煤的反应主要表现为甲烷化反应,加氢工况提高了热解焦的孔比表面积和孔体积,但对煤焦的化学结构影响很小。

添加CaO的准东煤中温水蒸气气化特性的研究

以内在碳捕集气化为背景,利用加压热重分析仪开展CaO对准东煤中温(700-750℃)水蒸气气化反应动力学特性的影响研究,采用氮气吸附仪对准东煤焦的比表面积进行测定,并对煤中不同赋存形态碱金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行测定。结果表明,准东煤中的可溶性碱金属元素能有效催化气化反应,引入的二氧化碳吸收剂CaO与碱金属间表现出协同催化作用。水洗后的准东煤焦活性最高,添加CaO后的气化活性最好。Ca/C物质的量比对准东煤气化特性的影响研究表明,CaO的添加存在饱和量,Ca/C物质的量比为1.0较为合适。利用均相模型(HM)、缩核模型(SCM)以及修正体积模型(MVM)对反应动力学实验数据进行拟合,结果表明,修正体积模型可以较好地体现添加CaO的准东煤中温水蒸气气化反应动力学特性,由此获得反应活化能为160.90 kJ/mol。

加压下颗粒移动床空隙率实验研究

在移动床排料装置上,研究加压条件下移动床表观颗粒速度、表观气速及入口压力对并流移动床空隙率的影响。结果表明,在表观颗粒速度或表观气速不变的情况下,移动床空隙率随入口压力的升高而减小;在入口压力不变的情况下,移动床空隙率基本不随表观颗粒速度和表观气速变化。对实验结果进行非线性拟合,得到气固并流移动床空隙率的压力拟合公式,利用该拟合公式和Ergun方程可计算移动床压降,在实验数据范围内,计算压降与实验压降的最大偏差小于±10%。

天然气贫预混燃烧室值班喷嘴排放特性模拟研究

以某天然气贫预混燃烧室为研究对象,采用FGM燃烧模型耦合详细化学反应机理,研究了不同值班负荷比例下的燃烧室内流场、组分场、温度场和出口污染物排放特性。模拟分析了蒸汽稀释值班燃料对燃烧室NOx排放的影响。针对纯值班喷嘴燃烧工况,从温度场和OH基浓度场分布等角度分析蒸汽稀释值班燃料对CO、NOx生成的影响。采用FR-ED燃烧模型耦合简化化学反应机理研究了设计工况下蒸汽稀释值班燃料对燃烧室出口CO、NOx排放的影响。结果表明:随值班负荷比例增大,燃烧室出口NOx排放逐步增加;采用蒸汽稀释值班燃料,值班火焰峰值温度降低约10%,出口NOx降低达88.5%,而CO变化不大。本文研究可为后续实际机组应用提供基础数据支撑。

重质有机资源热解过程中自由基诱导反应的密度泛函理论研究

以重质有机资源热解过程中的自由基反应为背景,为了探究自由基对共价键的诱导作用及其对共价键解离能的影响,采用基于密度泛函理论的研究方法,选择ωB97XD/6-31G**级别在Gaussian 09程序上对·CH_(3)、·OH和·H分别诱导七类共价键反应过程的能量进行了理论计算。结果表明,空间位阻效应对自由基诱导反应能垒的影响占主要地位,共价键种类的影响相对次要;不存在·OH和·H的同基团诱导交换反应时,·OH诱导能垒比·H的高约40 kJ/mol,·CH_(3)比·OH、·H的诱导能垒分别高约为50、90 kJ/mol;存在·OH或·H的同基团诱导交换反应时,会导致能垒约有70 kJ/mol的提高,在计算时应判断诱导反应的具体情况并加以修正。可以利用上述值估算不同共价键诱导反应的能垒。

印刷电路板换热器结构及传热关联式研究进展

印刷电路板换热器的流道是由光化学反应在金属换热板上刻蚀形成,采用扩散连接的方式将冷热换热板叠加成换热芯体。与传统换热器相比,印刷电路板换热器具有效率高、结构紧凑、高耐温耐压性等诸多优势,目前在核电站、新型太阳能发电、制氢工业以及燃气轮机中均有广泛应用。为了进一步提高印刷电路板换热器的综合性能,使其得到更广泛的应用,本文对印刷电路板换热器的性能评价指标、结构优化研究现状以及相关的工业应用进行了全面的归纳和分析,同时通过回顾国内外相关研究,对印刷电路板换热器(PCHE)未来的发展方向和应用潜力进行了展望,为印刷电路板换热器的结构设计优化提供参考。

加压颗粒层固定床压力损失的研究

研究了加压条件下气流通过石英砂颗粒层的固定床床层压降模型。实验结果表明在Re<5.0的情况下,床层压降与气体速度呈线性关系;而压力对床层压降的影响可以忽略。通过实验数据对Ergun方程的无量纲系数修正,模型预测值与实验值偏差从最高60%降至8%以内,提高了该模型在实验范围内的预报精度。

双侧返料气动分配阀调节性能冷态实验研究

在气动分配阀实验台上，对双侧返料气动分配阀的调节性能进行了冷态实验研究。研究表明：分配阀单侧返料与双侧返料时，在未达到最大返料流率之前，返料流率随着流化风与松动风的增大而增加，返料流率对松动风的变化更加敏感；双侧返料时，只改变一侧流化风时对另外一侧没有影响，但是只改变一侧松动风时对另外一侧返料也会产生影响；调节流化风能够实现0～80％之间的调节，调节松动风能够实现30％～55％之间的调节；分流板高度ξ对分配阀单侧返料影响较大，在相同的流化数下，返料流率随ξ的增加而增大；ξ对双侧返料影响较小，对两侧分配比例几乎没有影响。

高固体通量下的双床气固流动实验研究

实验研究了高固体通量的DSU流型下,输运床耦合流化床的双床实验装置的压力平衡和固体物料循环特性。实验结果表明:流化床和Loop Seal之间存在压降"自平衡"的特征;流化床内固体物料平均停留时间相同,需要的水平驱动风UD01、竖直松动风UD02、竖直驱动风UD03的流化数在流化床操作在鼓泡床流型时最小,湍动床流型时次之,移动床流型时最大(竖直驱动风UD03在流化床操作在移动床流型时丧失对固体物料平均停留时间的调节作用)。

10MW级HAT循环试验系统配置与热力性能研究

HAT循环作为一种新型燃气轮机循环,具有低NOx、高效率、灵活热电调节、启停快的特点。本文分析了以某10MW级回热循环燃气轮机为基础,构建HAT循环热电联供特性试验系统的配置,给出了燃气轮机通流匹配、热电联供以及大范围热电比调节对燃烧室等部件的技术要求。

燃气轮机联合循环启动过程排烟NO-NO2转化研究

本文针对部分燃气轮机联合循环机组在启动和低负荷运行时冒黄烟的现象,通过实验和理论计算方法研究温度、烟气成分等因素对燃机排烟中NO向NO_2转化的影响。研究表明,在燃气轮机透平排气的典型温度(500~650℃)和组分条件下,排气中的CO含量高会导致NO在2 s内快速的转化为NO_2,即在启动或低负荷条件下燃烧不完全是燃机排气产生黄烟的重要原因之一。

天然气燃料轴向分级预混燃烧特性研究

低NOx排放是燃气轮机燃烧室的重要性能指标,面对燃烧室出口温度不断增加的趋势,新型燃烧技术探索应用成为必然。燃料轴向分级(Axial Fuel Staging,AFS)燃烧作为一项可行技术方案已在各燃机厂商的最先进燃气轮机燃烧室上获得应用,其主要通过降低高温烟气有效停留时间和低氧浓度燃烧来实现低NOx排放。基于Chemkin平台建立轴向分级预混燃烧室化学网络模型,针对1 973 K燃烧室,研究二级负荷比例、当量比和停留时间对NOx/CO排放的影响规律,对比分析主燃区高温烟气与二级未燃预混气掺混特征的影响,获得AFS燃烧的污染物排放特性和关键影响因素。同时,在贫预混燃烧器上,设计二级喷射段,实验研究二级火焰结构、污染物排放等燃烧特性。结果表明,相比于常规贫预混燃烧,AFS燃烧在高温区体现出很好的低NOx优势,且能拓宽低NOx工况范围,其中主燃区温度、二级当量比和停留时间匹配特征、主燃区高温烟气与二级预混气掺混性能等是关键。

壁面散热对天然气柔和燃烧器NO_x排放影响研究

随着"煤改气"的逐步推进,天然气锅炉应用越来越多,在保证效率的同时,锅炉的NO_x排放标准也越来越严格。以应用于锅炉的柔和燃烧器为研究对象,通过实验和化学反应模型的方法研究了柔和燃烧器在不同换热情况(石英玻璃罩和水套)下NO_x排放特性,并对不同工况进行了分析。结果表明,燃烧器散热越大,越有利于降低NO_x排放,当量比小于0.9时,NO_x排放低于30 mg/Nm^3,可以直接满足现有锅炉排放需求。模拟结果显示相对NO_x随散热量呈负相关变化趋势。相对NO_x随当量比的变化曲线随着散热量的增加而变得更加平缓,说明散热量增大会减弱当量比对相对NO_x的影响,使其在不同当量比下的下降程度相当。分析其原因是散热量增大,燃烧室内温度整体下降,烟气在高温区的停留时间减小,热力型NO_x的影响在减弱,快速型NO_x及N_2O型NO_x对整体NO_x的贡献在增强。

射流喷嘴旋流强度对燃烧室回流和燃烧特性的影响研究

随着燃气轮机参数的提高和稳定低排放运行工况的拓宽,对燃烧的要求也越来越高。柔和燃烧作为一种有潜力的燃烧技术,具有温度均匀、燃烧稳定和污染物排放低等优点,而如何在燃烧室内组织流动是实现柔和燃烧的关键。采用高速射流引射掺混的方式可以较好的满足柔和燃烧产生所需的条件。预混射流喷嘴结构和布置对流场和燃烧特性有重要影响,如何选择射流喷嘴结构值得进一步研究。本文通过实验和数值模拟相结合的方式,研究了柔和燃烧器中预混射流喷嘴的旋流强度对燃烧器流动结构和燃烧排放的影响。结果表明,旋流能增强燃料/空气的掺混,低旋流作用下能使喷嘴出口掺混不均匀度ISMD下降0. 15左右;但是喷嘴旋流对燃烧室的烟气回流有减弱的作用,使回流区向喷嘴和中轴线靠近;同时,旋流会造成温度场和火焰面不均匀分布,略微拓宽燃烧工况范围并略微增加火焰的稳定性。实验结果表明喷嘴旋流进气角从0°变化到45°时,NOx排放随旋流角的增大而增加。

燃料掺混方式对天然气柔和燃烧器燃烧性能的影响研究

燃气轮机在更高参数下的低污染排放限制和宽工况范围稳定运行的需求,对燃烧室燃烧提出了新的要求。柔和燃烧作为一种新型燃烧技术,具有燃烧稳定和污染物排放低的优势。高速射流引射掺混是实现柔和燃烧所需条件的一种可行方式。本文主要研究不同燃料掺混方式对柔和燃烧器污染物排放和稳定工作范围的影响。在前期工作基础上设计了可实现燃料不同掺混方式的天然气柔和燃烧器。在常压条件下,通过实验研究了不同当量比、不同燃料/空气掺混方式下天然气柔和燃烧器的污染物排放,并研究了不同掺混方式对燃烧贫燃极限的影响,通过OH^*自发荧光、OH平面激光诱导荧光测量和数值模拟对反应区和流场结构进行了观察和分析。实验结果表明,在相同当量比下,全预混模式下的NOx排放最低,全预混模式下稳定燃烧的贫熄火当量比为0.57;扩散模式下NOx排放相对高,但贫熄火当量比可低至0.15,燃烧稳定范围更宽;混合模式下污染物排放水平介于预混和扩散模式之间;非预混模式下较好的贫燃火焰稳定性得益于燃烧室头部扩散燃料周围形成的低速稳定反应区。

热解条件对煤焦孔结构和反应性的影响

使用加压热重分析仪、马弗炉和常压滴管炉装置对褐煤、次烟煤、烟煤进行制焦,应用压汞法、低温N2和常温CO2吸附法测定煤焦孔结构参数,并通过扫描电镜观察煤焦表面形貌,测定了煤焦的CHN元素含量,利用热重分析仪测定焦900℃下的CO2气化反应活性,研究了压力、升温速率、高温停留时间对孔结构和气化反应性的影响。研究表明,慢速升温下提高热解压力会降低孔表面积和气化反应性;提高升温速率,降低高温停留时间,则微孔表面积降低,中孔显著增加,大孔的分形维数降低,化学反应活性提高;煤焦反应活性主要与残余挥发分含量相关,其次受到大、中孔表面积影响,而与微孔无关。