摻氫對天然氣燃燒室燃燒及排放特性影響

趙昊, 樓國鋒, 劉少鵬

(北京科技大學能源與環境工程學院, 北京 100083)

近年來化石能源的使用伴隨污染物的大量排放,導致全球性的能源減少和環境破壞[1]。對燃氣輪機而言,尋找一種低排放、高性能的燃料對其熱效率的提升有很重要的作用,同時也是實現“雙碳”目標的關鍵。所以摻氫燃燒技術以其高效率、低污染的特點,成為現今的一個研究熱點。但摻混氫氣后會改變燃料原本的性質,從而影響燃燒器的效率,更嚴重地將會影響其運行安全。所以在利用摻氫燃燒技術降低碳排放的同時,也要考慮上述問題。

國內外的學者已經在摻氫燃燒方面有一些研究,對于燃燒火焰形狀而言,Liu等[2]的研究發現隨著H2濃度增加,火焰形狀發生轉變,這是由于火焰傳播速度增加,火焰對應變速率的阻力增大,進而引起其形狀的改變,而Shi等[3]分析發現氫含量較高時火焰更寬更短。而在溫度分布方面,禹莉莉等[4]、陳瀟瀟等[5]發現摻入氫氣使燃燒重心前移,縮短著火延遲時間;李祥晟等[6]也指出摻氫比大于40%時,會出現因回火產生的高溫區。關于產物對燃燒特性的影響研究方面,Benaissa等[7]指出富氫燃燒會導致燃氣可燃性增大,冷卻效果和OH濃度提高。

而有關摻氫對排放特性的影響,也有學者進行了深入的探討。在NOx排放方面的研究中,Hashemi等[8]發現隨著摻氫比的提高,NO濃度最大值位置向燃燒室出口移動。Meziane等[9]的研究發現由于摻氫后燃燒更充分導致溫度上升,所以NOx的排放也會增加。趙欽新等[10]指出在部分燃燒器內摻混氫氣使NOx排放量降低,主要是由于氫氣較高的燃燒速度減少了O2的停留時間,進而導致NOx的生成量減少。而在含碳污染物排放方面,Rajpara等[11]發現富氫條件下反應區更靠上游位置,CO排放也明顯降低。鄧蛟[12]、Patel等[13]的研究表明摻氫燃燒后雖然碳氫化合物的排放會上升,但總體維持在較低水平。Zareei等[14]的研究說明在摻氫比為30%時,氫氣的添加使一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物在完全燃燒時減少14%。

目前在摻氫燃燒技術方面我國依然處于研發階段,大規模的工業應用并未普及,對燃氣輪機環管形燃燒室火焰筒全域、完整摻氫比例下的燃燒及排放特性研究很少。因此現基于GE-10實驗型燃氣輪機火焰筒,依據設計摻氫比制定工況并開展數值仿真模擬,探討天然氣摻氫對燃氣輪機燃燒室的燃燒和排放特性影響及形成原因,旨在為燃氣輪機摻氫燃燒技術的研究與應用提供參考依據。

1 數值計算模型

1.1 物理模型建立與網格劃分

GE-10實驗型燃氣輪機火焰筒[15]的結構由旋流器、燃料和空氣入口、火焰筒壁組成,見圖1。計算區域采用多面體網格,且對噴嘴進行局部加密處理,利用Fluent Meshing軟件進行繪制,生成網格見圖2。考慮到計算精度和計算消耗問題,進行了網格無關性驗證后,確定計算網格數為807 735。

圖1 燃氣輪機火焰筒幾何結構Fig.1 Physical structure of gas turbine combustor

圖2 燃氣輪機火焰筒網格劃分Fig.2 Gas turbine combustion chamber meshing

1.2 數學模型建立

數值模擬使用商用計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)軟件ANSYS Fluent 2021,采用了雷諾平均數值模擬(Reynolds average numerical simulation,RANS)方法模擬湍流的平均速度、平均作用力和平均標量場。湍流模型選用Realizablek-ε模型,同時混氫燃燒過程中存在局部熱源問題,故采用的輻射模型為DO模型。

因火焰機制決定火焰的湍流-化學相互作用,所以在燃燒模型選擇時須明確火焰機制,而判定時通常用Damk ?hler數(Da)和Karlovitz數(Ka)[16]。與CH4燃燒相比,H2燃燒的火焰特征是高Da數、低Ka數,說明火焰反應速度高,湍流耗散速度比化學反應消耗速度慢,混合過程決定火焰傳播。

由此可知火焰面模型能用于仿真工作,所以將采用的燃燒模型為火焰面生成流形模型(flamelet generated manifolds, FGM),由于該燃燒模型計算成本低,在碳氫燃料的燃燒模擬中有廣泛的應用。FGM模型假定層流火焰和個體小火焰擁有相似結構[17-18],其中小火焰是由軟件計算得到,該模型將實際動力學效應融合在紊流火焰之中并應用于三維火焰。

采用的動力學機理是由甲烷和氫氣反應機理組成的,其中甲烷機理為基礎機理。氫氣機理是由Marinov等[19]提出的H2單步機理,甲烷機理是由Frassoldati等[20]提出的甲烷富氧燃燒的改進四步JL(Jones-Lindstedt)反應機理,表1給出詳細化學反應動力學信息。其中第四、七步反應方程式一樣,這是因為第四個反應主要關注在一定溫度下甲烷產生的氫氣氧化,第七個反應則考慮從入口噴嘴進入的H2氧化。同時Aliyu等[21]通過實驗和模擬的方法驗證發現該機理可以準確地表示富氫天然氣的燃燒過程。

表1 甲烷和氫氣結合的7種反應機理Table 1 Seven reaction mechanisms of the combination of methane and hydrogen

而因生成NOx的反應時間尺度比燃燒的湍流混合時間尺度要大,且產生的質量和熱量變化對燃燒流場影響很小,故用概率密度函數的方法來描述湍流-化學相互作用,基于燃燒流場采用后處理方式模擬NOx生成[22]。

1.3 邊界條件與計算工況設定

所用火焰筒的額定功率為70 kW。采用額定空氣量,在輸出功率保持恒定的情況下,根據設計摻氫比計算燃料和氧化劑的質量流量。在計算設置方面,燃料和空氣進口給定質量流量,出口處為壓力出口邊界條件,詳細工況見表2,其中摻氫比Rm可表示為

(1)

表2 不同摻氫比下的工況設定Table 2 Setting of working conditions under different hydrogen mixing ratios

式(1)中:VH2和VCH4分別為H2和CH4的體積,m3。

選用基于壓力的分離求解器,采用線性化離散方程隱式格式,以保證較小數值耗散。物性參數來自模型中的運輸和熱物性數據包,壓力速度耦合求解使用SIMPLE算法,壓力迭代用PRESTO!算法,其他所有空間離散均采用二階迎風方法實現。

2 模擬結果分析和討論

2.1 速度分布情況分析

純CH4燃燒時,火焰筒的速度分布及流線分布見圖3。因旋流器的作用,空氣進入火焰筒沿徑向擴散,形成兩個回流區域。外部回流區是因為氣體進入火焰筒時存在突擴;而氣體以旋流方式進入燃燒區,導致火焰筒軸線處形成低壓區,進而形成內部回流區。回流區的存在使火焰駐留,穩定火焰的同時可讓燃料充分反應。后期計算發現,火焰筒整體熱功率和空氣供給量恒定,所以燃料入口處流速隨摻氫比增大而加快(圖4),但因摻混孔的存在使該變化僅讓噴嘴到摻混孔區間的流速增快,火焰筒后部流場穩定,摻氫對整體流場影響較小。

圖3 火焰筒軸向截面速度分布及流線圖Fig.3 Velocity distribution and flow diagram of combustion chamber axial section

圖4 沿火焰筒中心線不同摻氫比的軸向速度分布Fig.4 Axial velocity distribution of different hydrogen mixing ratios along the centerline of flame cylinder

2.2 摻氫對溫度分布的影響分析

燃燒反應的一個重要參數是溫度,其值對燃燒產物生成有直接影響。分析對比不同摻氫工況下火焰筒的溫度分布,見圖5。可知,純甲烷燃燒時,火焰燃燒區集中在摻混孔前部,火焰長度較長。但隨著摻氫比增加火焰溫度升高,高溫區變窄,火焰更加集中,這是由于氫氣的反應活性較大,反應更加迅速,隨著摻氫比的增加,燃料會更集中地進行燃燒。

圖5 不同摻氫比火焰筒軸向溫度分布Fig.5 Axial temperature distribution of flame cylinder with different hydrogen mixing ratios

由于混合燃料中氫氣的反應活性大,H2有1個H—H鍵,活化能為436 kJ/mol,而CH4有4個C—H鍵,每個鍵活化能為414 kJ/mol,H2參與反應比CH4消耗更少的活化能,更容易反應。故如圖6所示,隨著摻氫比的增加,混合氣體的化學反應點火時滯減少,燃料可在更短時間內被點燃,因而反應發生在更靠近火焰筒上游位置,噴嘴處的最高溫度從1 568 K升高到1 802 K。另外,混合燃料的層流火焰傳播速度會隨摻氫比的增大而增大,當氣體流速低于火焰傳播速度時,就會有回火的風險。

圖6 不同摻氫比火焰筒徑向溫度分布Fig.6 Radial temperature distribution of combustion chamber with different hydrogen mixing ratio

對燃氣輪機而言,高溫氣體會從燃燒室流出進入透平,推動透平葉片,所以燃燒室出口溫度對透平及整個燃氣輪機的工作有較大影響,需對其討論。而混氫后會影響燃料的熱釋放率,進而影響火焰面的位置以及火焰筒內溫度場分布。出口溫度分布系數θT是溫度分布均勻度的重要指標,系數大小決定火焰筒出口溫度的品質,定義為

(2)

式(2)中:Tout為燃燒室出口平均溫度;Tout,max為燃燒室出口最大溫度;Tin為燃燒室進口溫度。

環形排布的摻混孔使近壁面氣流得到冷卻,摻混孔后段氣流溫度顯著降低,進而改變出口溫度分布的均勻性。純甲烷燃燒時出口處溫度峰值可達1 216 K,且平均溫度控制在1 031 K左右,這樣對下游透平葉片損害較小。圖7表示燃燒室出口平均溫度及溫度分布系數的變化情況,發現隨著摻混比的增加燃燒室出口平均溫度波動較小,且θT逐漸減小,即溫度分布更加的均勻。但當摻混比超過0.6時,θT開始增加,高溫區域逐漸增多,均勻性變差,這會進一步影響火焰筒燃燒產物的排放。

圖7 出口處平均溫度及溫度分布均勻系數Fig.7 Average temperature and uniformity coefficient of temperature distribution at outlet

2.3 摻氫對排放特性影響分析

火焰筒內燃燒的主要產物有CO2、CO、H2O和NOx,下面來介紹這些產物在火焰筒內的分布規律。CO是由含碳燃料不完全燃燒產生的,其有毒且危害健康,在燃燒器中會降低燃燒效率,因此工業上對CO的防治有嚴格的規定。由于旋流器作用,在火焰筒內CO分布分散,為方便分析用徑向截面平均摩爾分數表示CO分布。圖8顯示CO主要集中在噴嘴入口處,從機理上看,反應首先由CH4生成CO,但反應開始溫度較低,CO尚未大量反應生成CO2,所以在噴嘴入口處會聚集大量CO。隨著反應的進行,CO2開始生成,圖9表示CO2在火焰筒內的分布情況,可以看出隨著摻氫比的增加,主燃燒區內CO2的含量逐漸降低,且分布逐漸分散。

圖8 不同摻氫比火焰筒軸向CO摩爾分數Fig.8 Axial CO molar fraction of combustion chamber with different hydrogen mixing ratio

圖9 不同摻氫比CO2摩爾分數軸向分布云圖Fig.9 Cloud map of axial distribution of CO2molar fraction with different hydrogen mixing ratios

而圖10則表示不同摻氫比下火焰筒出口處燃燒主要產物的平均摩爾分數。當摻氫比例從0變到0.8時,火焰筒出口處CO2降低57.62%,CO濃度下降93.92%,由此可見,混氫燃燒的方式可降低含碳物質的排放。同時摻氫后H2O的生成量增加,純H2比純CH4燃燒所產生H2O的排放量增加160%。通過機理分析,當H2的比例增大時,第七步反應將會主導整個反應進程,雖然前六步反應會損耗一部分H2O,但由于氫氣占比逐漸增大,損耗的影響會逐漸減弱。當摻混比為0.4～0.6時,CO的平均摩爾分數有一個較大幅度的降低,而Kim等[23]指出H2O在化學反應動力學方面會促進燃燒,所以當H2O生成量增加,在碳元素整體下降的基礎上,會更多的反應掉一部分CO。同時對比CO和CO2平均摩爾分數的數值可知CO生成量很少,由此可以推斷出燃燒進行的比較徹底,火焰筒的燃燒效率可接近100%。

圖10 不同摻氫比出口CO、CO2、H2O平均摩爾分數Fig.10 The average mole fraction of CO, CO2 and H2O at different hydrogen mixing ratios

而天然氣混氫燃燒的主要污染物是NOx,且NOx可分為熱力型、快速型、燃料型。研究表明天然氣燃燒中產生的NOx、NO占比95%,其他形式只占約5%[24],所以可用NO來表征NOx含量。涉及的燃料中沒有含氮物質,且NOx排放水平較低[25],故不考慮快速型和燃料型。同時本模擬為貧燃條件,為簡化模型,NOx類型只有熱力型。

從整體上看,NOx的產生主要受燃燒溫度,燃燒均勻性及停留時間的影響,由于出口處溫度分布較為均勻,故在出口處的NO濃度處于較低水平。如圖11所示是出口處NO的徑向分布曲線,由此可以看出,當摻混比在0.8之前,NO的摩爾分數隨H2的增加呈現增加趨勢,但增幅不大。當摻氫比超過0.8后,NO的摩爾分數大幅增加,通過計算可得火焰筒出口處NO的摩爾分數升高了528.81%。這是由于低摻混比下平均溫度變化幅度較小,出口處溫度均勻性有所提高,所以NO的生成量增加,但是增幅不大。而在純H2燃燒的情況下,溫度大幅提高且均勻度下降,就會產生更多的NO。

圖11 不同摻氫比出口處NO摩爾分數徑向分布Fig.11 Radial distribution of NO mole fraction at the outlet of different hydrogen mixing ratio

3 結論

對GE-10實驗型燃氣輪機燃燒室內的火焰筒在不同摻氫比工況下的燃燒進行數值模擬分析,主要結論如下。

(1)天然氣混氫燃燒使火焰筒內溫度提高,高溫范圍更加集中,但摻混孔的冷卻效應導致對出口溫度影響較小。摻氫比低于0.6時,火焰筒出口處溫度分布會隨摻氫比的增加更加均勻;但當摻氫比超過0.8時,出口處平均溫度會大幅提高,且溫度分布更集中。同時由于氫氣的摻混,燃燒會提前發生,噴嘴附近高溫區增加,可使入口噴嘴發生燒蝕的問題,從而導致工件失效。

(2)對于燃燒產物排放問題而言,天然氣摻混氫氣會減少CO和CO2的排放,有利于降低碳排放。但同時摻氫會增加H2O的生成,進一步會影響火焰筒內燃燒產物的分布和燃燒進程。

(3)由于火焰筒內溫度會隨摻氫比例的增加而升高,所以NOx排放會有較大波動。研究發現當摻混比低于0.8時,NOx的排放變化并不顯著。但超過0.8時NOx的生成量有大幅度提升,與純天然氣燃燒相比NOx摩爾分數升高528.81%,這樣會使燃氣輪機的NOx排放嚴重超標。所以需結合工程實際來限制摻氫比的范圍,這為后續工業燃氣輪機天然氣摻氫燃燒技術的應用提供了參考依據。