CO2稀釋天然氣高壓燃燒特性數值模擬

李 強，任 磊，許昊煜，阮圣奇，吳 仲

?

CO2稀釋天然氣高壓燃燒特性數值模擬

李 強，任 磊，許昊煜，阮圣奇，吳 仲

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院，安徽 合肥 230031）

為了研究惰性氣體稀釋氣體燃料高壓燃燒后NOx的排放規律，通過數值模擬計算的方法研究了CO2稀釋天然氣在燃氣輪機燃燒室內的高壓燃燒特性。結果表明：各種壓力下燃燒區域溫度隨著稀釋率的增大明顯降低，且燃燒區域高度也有所降低，燃燒提前；通過CO2稀釋天然氣燃燒在一定的稀釋率以內可以很好地控制NOx的排放量，但超過這個稀釋率NOx排放量會上升；在高壓下通過CO2稀釋天然氣燃燒相對于低壓時更容易控制NOx的排放量。

天然氣；CO2；稀釋率；高壓燃燒；NOx排放；數值模擬

當前，天然氣在燃氣-蒸汽聯合循環機組中被大量地應用，但其在燃氣輪機燃燒室內燃燒產生的NO排放量比較高，為減少這種污染物的排放，普遍采用貧燃預混燃燒技術[1]，而且隨著燃氣輪機技術的發展以及環保的需要[2]，研究分析NO產生及排放控制機理就顯得尤為重要。

目前，有多種減少氣體燃料燃燒產生的NO排放的方法，如煙氣再循環技術、氣體燃料預混燃燒以及惰性氣體（如CO2、He、水蒸氣）稀釋氣體燃燒或氧化劑[3]等技術。在控制NO排放的這3種技術中，惰性氣體稀釋氣體燃燒或氧化劑實質上是另一種形式的煙氣再循環技術[4-6]，不僅會降低氧氣的體積分數而且有些氣體（如CO2）還會增加混合氣體的比熱容，降低燃燒溫度。王金華等[7]研究了高溫高壓下CO2和H2O稀釋對預混湍流火焰前鋒面結構的影響；華中科技大學李駿等[8]實驗研究了CH4在O2/CO2氣氛中燃燒的火焰溫度特性；克拉科夫AGH科技大學的ZOFIA KALICKA等[9]研究了含有21%~29%的O2/CO2/N2混合氣體的天然氣燃燒對CO排放量的影響。

基于近年來減排溫室氣體、封存CO2愈來愈成為全球性的迫切需求這個現實[3]，同時為了進一步研究惰性氣體稀釋氣體燃料的高壓燃燒特性，本文采用CO2作為稀釋劑對天然氣燃料進行稀釋，利用數值模擬的方法研究CO2稀釋天然氣的混合氣體在燃氣輪機燃燒室內的高壓燃燒特性，為燃氣輪機技術的發展提供理論依據。

1 燃燒室結構及數值計算

1.1 燃燒室結構

本次數值模擬研究所依據的燃燒室模型為某額定功率為20 kW的燃氣輪機燃燒室試驗臺，該試驗臺及其結構簡圖如圖1所示。

由圖1可以看出，氣體燃料和空氣通過燃燒室的底部入口進入燃燒室。天然氣和CO2的混合氣體通過單燃料管道進入燃燒室底部中心位置的旋流器。空氣經壓縮機壓縮后變成高壓氣體，其進氣分為三路：第一路為主燃燒空氣，分別通過徑向旋流器四周的10個徑向入口進入旋流室；第二路為二次補燃空氣，用來提供補充混合氣體燃料燃燒時所需要的額外空氣，通過旋流器噴嘴出口外緣的環形入口直接噴射進燃燒室；第三部分為冷卻空氣，由燃燒室底部布風器外緣環形入口噴射進入燃燒室，冷卻燃燒室的壁面，避免燃燒室過熱而燒壞。

該燃氣輪機燃燒室采用預混燃燒方式，混合燃料氣體（CO2稀釋天然氣）與主燃燒空氣在旋流器噴嘴預混腔室內混合后噴入燃燒室中，燃燒產生的高溫煙氣經過煙氣管道內的消音裝置處理后排到大氣中。旋流器預混噴嘴設計如圖2所示。

圖2 旋流器預混噴嘴設計

1.2 數值計算

1.2.1 燃燒室模型的建立

依據圖1燃氣輪機燃燒室試驗臺，進行適當的簡化，利用Gambit軟件構建了燃燒室模型，并劃分網格，網格數達到65萬，燃氣輪機燃燒室模型及其網格劃分如圖3所示。

圖3 燃氣輪機燃燒室模型及其網格劃分

1.2.2 物理模型的選擇

利用Fluent軟件模擬計算時，相關物理模型的選擇至關重要，模型的選擇準確與否會直接影響到模擬結果的準確性、真實性[10]。

1）湍流模型該燃氣輪機燃燒室采用天然氣與空氣預混的燃燒組織方式，燃燒室內的旋流強度較強，Realizable-模型可以比較精確地模擬圓柱射流流動、旋轉流動等情況[11]，因此湍流模型選擇Realizable-模型。

2）輻射模型 光學深度是確定輻射模型的一個非常重要的參數指標。對于任意的光學深度來說，DO模型和 DTRM模型都比較適合，但DTRM模型沒有考慮散射方面的影響，且本文涉及局部熱源，因此輻射模型選擇DO模型。

3）燃燒模型本文采用預混燃燒，且假設天然氣的化學反應速率大于湍流擾動對反應的混合速率[12]，因此燃燒模型選擇有限化學反應模型中的渦耗散模型。

4）NO生成模型此次研究中所用的燃料氣體為天然氣，因其含氮元素極少，因此NO生成模型中忽略燃料型NO，只考慮熱力型和快速型的NO。

1.3 相關參數的計算

在本次數值模擬試驗研究中，假設天然氣的成分為純甲烷，不考慮含有其他少量的雜質氣體燃料；空氣成分假定為體積分數為21%的氧氣和體積分數為79%的氮氣。

根據甲烷完全燃燒的化學反應方程式以及燃氣輪機燃燒室的額定功率和各種混合氣體燃料CO2與燃料的配比，計算得到了各工況下各氣體的質量流量見表1。

表1 各工況下各種氣體質量流量

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

2 數值計算結果與分析

2.1 模型網格的無關性驗證

在數值模擬研究之前，應對該燃燒室模型的網格無關性進行驗證，以保證模擬結果的準確性、真實性。只有當模擬計算的結果不會因網格數量的變化而變化時，才可以判定模型準確且網格劃分合理[13]。

先將燃燒室模型劃分成36萬、65萬、103萬 3種網格數的模型，然后分別對這3種燃燒室模型在壓力為2 MPa、CO2稀釋率為0.4的工況下進行熱態數值模擬計算，得到這3種網格數模型的溫度場和流場截面云圖如圖4和圖5所示，兩圖中的軸表示燃燒室的高度。

a) 網格數36萬 b) 網格數65萬 c) 網格數103萬

a) 網格數36萬 b) 網格數65萬 c) 網格數103萬

從圖4可以看出：燃氣輪機燃燒室=0 mm處縱向截面溫度場的溫度分布較好，燃燒室左右側的溫度場比較對稱，且3種網格數的燃燒室模型的溫度場具有高度一致性；由于3種網格數的模型數值計算時迭代計算次數有些許差別，因此計算結果也稍有差別，但整體比較符合實際情況。從圖5可以看出，燃氣輪機燃燒室=0 mm處的速度場分布也比較合理。

綜合計算機的計算性能以及圖4和圖5中溫度場與速度場的分布情況，選用網格數為65萬的燃燒室模型進行數值模擬計算比較合理。

2.2 數值計算結果及分析

2.2.1 溫度場變化特性

燃燒溫度場的分布情況對火焰形態、火焰穩定性以及污染物排放的影響至關重要。圖6為壓力 2 MPa時各個稀釋率下燃燒室縱向截面=0 mm處的溫度場云圖。由圖6可以看出：各個稀釋率下燃燒室溫度場內溫度分布均較好且比較相似；溫度場左右側云圖比較對稱，且靠近燃燒室壁面附近的溫度比較低，由此可以說明燃燒室頭部的冷卻空氣對燃燒室的壁面起到了有效的冷卻作用；燃氣輪機燃燒室底部中心處的高溫燃燒區域大小隨著CO2稀釋率升高而逐漸減小。

圖6 燃燒室縱向截面X=0 mm處溫度場

2.2.1.1燃燒室縱向截面中心線溫度的變化特性

圖7給出了各個壓力各個稀釋率下燃燒室縱向截面中心線溫度隨燃燒室高度（軸坐標）的變化曲線。由圖7可以看出：4種壓力下的中心線溫度變化曲線變化趨勢一致，均為先升高后降低；在各個壓力下，隨著稀釋率的增加，燃燒區域整體溫度都有所降低。

這是因為稀釋率增加時，CO2含量也會增加，又因CO2的比熱容較大，因此在升高相同溫度時會吸收更多熱量，所以稀釋率越高也會導致高溫燃燒區域溫度有所降低。

2.2.1.2燃燒室最高燃燒溫度對應的高度變化特性

4種壓力下的最高燃燒溫度變化特性及其對應的高度變化特性曲線相同。圖8、圖9給出了壓力2 MPa下最高燃燒溫度隨稀釋率變化特性曲線及其對應的燃燒室高度變化特性曲線。由圖8、圖9可以看出：隨著稀釋率的升高最高燃燒溫度逐漸降低；隨著CO2稀釋率的升高溫度場內最高燃燒溫度所對應的燃燒室高度降低，幾乎呈現一個線性關系，這說明CO2稀釋率的增加導致了燃料氣體燃燒提前。這一方面是由于CO2稀釋率增加之后，CO2和天然氣（天然氣含量不變）的混合氣體含量增加，而燃燒室入口面積不變，所以混合燃料氣體的混合湍流程度增加，在入口的預混旋流器內與主燃空氣混合的更加充分，因而噴進燃燒室后就會迅速地燃盡；另一方面是由于隨著CO2稀釋率的增加，混合燃料氣體和空氣經過預混旋流器后的旋流程度更強，導致燃燒室噴嘴出口部分的逆流回流區的壓力梯度更大，卷吸周圍高溫煙氣的能力更強，因此為混合氣體燃料的快速燃燒提供了充足的氧化劑。

圖8 最高燃燒溫度隨稀釋率變化特性曲線

圖9 最高燃燒溫度對應的燃燒室高度變化曲線

2.2.2 速度場變化特性

圖10為2 MPa下各個稀釋率下燃燒室縱向截面=0 mm處的NO產生速率云圖。

圖10 2 MPa下各個稀釋率下NOx產生速率云圖

由圖10可以看出：各個稀釋率下產生的NO在火焰外緣的產生速率比較大，這是因為此處的溫度非常高，再加上氧氣氮氣的體積分數比較大，因此特別適合NO的產生；而在火焰內部，雖然溫度比較高，但被CO2和燃料充斥著，無法生成NO或者生成的NO極少；通過對比各個稀釋率下的NO產生速率云圖可以發現，稀釋率為0.4、0.6時的NO產生速率明顯降低很多，根據前面的研究分析結果，可以得出由于摻混CO2后導致高溫區域的溫度降低，因此NO產生速率也隨之降低。

圖11給出不同的CO2稀釋率下燃氣輪機燃燒室出口處的NO平均質量濃度隨工況壓力的變化曲線。從圖11可以看出：在稀釋率相同時燃燒室出口的NO平均質量濃度隨著壓力的升高而明顯的升高，而且其增幅（各壓力區段之間直線線段的斜率）也因設計的燃燒工況壓力的增大而增大；在CO2稀釋率為0時，燃氣輪機燃燒室出口處NO平均質量濃度的增長幅度達到最大，增幅最小時對應的CO2稀釋率為0.4；在同一壓力不同CO2稀釋率條件下，燃燒室出口處的NO平均質量濃度的增幅也大不相同；在壓力為1 MPa時，各稀釋率下NO的平均質量濃度基本保持不變，而在其他3個壓力下，不同稀釋率下NO的平均質量濃度的變化幅度比較大，且在壓力越高時NO平均質量濃度的變化幅度較大。

圖11 NOx平均質量濃度隨工況壓力的變化曲線

不同壓力下NO隨稀釋率的變化關系如圖12所示。由圖12可以看出，在4種壓力下，燃燒室出口處的NO質量濃度變化趨勢都是隨著稀釋率的增大先下降而后升高，質量濃度最小時對應的CO2稀釋率為0.4。這是因為在CO2稀釋率低于0.4時，天然氣高溫燃燒區域溫度由于CO2的稀釋作用而有所降低，因此NO生成也隨之減少，但在稀釋率為0.4之后，過多的CO2使得混合氣體在預混旋流器內的湍流動能更大，混合更加充分，因此在燃燒時火焰內部也就有更多的NO生成。由圖12還可以看出，燃燒壓力越高時燃氣輪機燃燒室出口處的NO平均質量濃度變化幅度越大，由此可以說明在比較高的壓力下，利用CO2稀釋天然氣對天然氣燃燒生成的NO的抑制作用更為顯著。

圖12 不同壓力下NOx質量濃度隨稀釋率的變化

3 結 論

1）4種壓力下，CO2稀釋天然氣燃燒使得高溫燃燒區域有所降低，燃燒提前。

2）天然氣和CO2的混合氣體在各個壓力下燃燒時，產生的NO在CO2稀釋率為0時增幅最大，在稀釋率為0.4時變化幅度最小，因此對于天然氣摻混CO2燃燒來說，選擇一個適當的CO2稀釋率(例如0.4)對于控制NO排放至關重要。

［1］ 艾延廷, 劉曉振, 王成軍, 等. 燃燒室熱-聲-固耦合數值模擬研究[J]. 科學技術與工程, 2017, 17(6): 301-307. AI Yanting, LIU Xiaozhen, WANG Chengjun, et al. Numerical investigation of thermal-acoustic-structural coupling in combustion chamber[J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(6): 301-307.

［2］ 張成毅, 李帆, 榮慶興. 天然氣燃燒的低NO排放研究現狀和趨勢[J]. 上海煤氣, 2005, 49(4): 31-34. ZHANG Chengyi, LI Fan, RONG Qingxing. Research status and trend of low NOemission from natural gas combustion[J]. Shanghai Gas, 2005, 49(4): 31-34.

［3］ 楊浩林, 趙黛青, 魯冠軍. CO2稀釋燃料對富氧擴散燃燒中NO生成的抑制作用[J]. 熱能動力工程, 2006, 21(1): 43-47. YANG Haolin, ZHAO Daiqing, LU Guanjun. Inhibitory effect of CO2diluted fuel on NOformation in oxygen diffusion burning[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2006, 21(1): 43-47.

［4］ KORAKIANITIS T, NAMASIVAYAM A M, CROOKES R J. Natural-gas fueled spark-ignition (SI) and compression-ignition (CI) engine performance and emissions[J]. Progress in Energy & Combustion Science, 2011, 37(1): 89-112.

［5］ 余小草, 劉忠長, 王忠恕, 等. 不同稀釋方式降低天然氣發動機NO排放的研究[J]. 內燃機工程, 2012, 33(6): 22-27. YU Xiaocao, LIU Zhongchang, WANG Zhongshu, et al. Research on NOemission reduction of CNG engine by various dilution methods[J]. Chinese Internal Com- bustion Engine Engineering, 2012, 33(6): 22-27.

［6］ HU E, HUANG Z, LIU B, et al. Experimental study on combustion characteristics of a spark-ignition engine fueled with natural gas-hydrogen blends combining with EGR[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(2): 1035-1044.

［7］ 王金華, 張猛, 黃佐華, 等. 高溫高壓下CO2和H2O稀釋對預混湍流火焰前鋒面結構影響[C]. 中國內燃機學會燃燒凈化節能分會2013年學術年會, 2013. WANG Jinhua, ZHANG Meng, HUANG Zuohua, et al. Effect of the dilution of CO2and H2O on pre-mixed turbulent flame front structure under high temperature and high pressure[C]. Annual Conference of Combustion Purification and Energy Conservation Branch of China Association of Internal Combustion Engines, 2013.

［8］ 李駿, 徐敏, 劉豪, 等. O2/CO2氣氛下CH4火焰溫度特性的實驗研究[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2002, 30(10): 17-19. LI Jun, XU Min, LIU Hao, et al. Experimental study of temperature characteristics of CH4flame under O2/CO2atmosphere[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2002, 30(10): 17-19.

［9］ KALICKA Z, JERZAK W, CEBULA E K. The effect of combustion of natural gas with 21%~29% O2/CO2/N2mixtures on emission of carbon monoxide[J]. Archives of Environmental Protection, 2013, 39(4): 93-103.

［10］ 張宏飛, 曹紅松, 趙捍東, 等. 數值仿真中湍流模型的選擇[J]. 彈箭與制導學報, 2006, 26(4): 242-244.ZHANG Hongfei, CAO Hongsong, ZHAO Handong, et al. Selection of turbulence model in numerical simulation[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2006, 26(4): 242-244.

［11］ 張志偉, 劉建軍. 各種湍流模型在FLUENT中的應用[J]. 河北水利, 2008(10): 25-26. ZHANG Zhiwei, LIU Jianjun. Application of various turbulence models in Fluent[J]. Hebei Water Resources, 2008(10): 25-26.

［12］ 李進良, 李承曦, 胡仁喜. 精通FLUENT 6.3流場分析[M].北京: 化學工業出版社, 2009: 46. LI Jinliang, LI Chengxi, HU Renxi. Proficient in Fluent 6.3 flow field analysis[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2009: 46.

［13］ 周揚. 天然氣徑向旋流預混高壓燃燒特性研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2016: 33. ZHOU Yang. Research on premixed combustion characteristics of natural gas with radial-swirler at high pressure[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2016: 33.

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

李強, 任磊, 許昊煜, 等.CO2稀釋天然氣高壓燃燒特性數值模擬[J]. 熱力發電, 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

李強(1990—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為燃氣清潔能源發電技術，lqstruggle@126.com。

（責任編輯 馬昕紅）