合成氣-甲醇伴燒火焰實(shí)驗研究及數值分析

第21卷第3期《燃氣輪機技術(shù)Vol 21 No. 32008年9月GAS TURBINE TECHNOLOGYsept,,2008合成氣-甲醇伴燒火焰實(shí)驗研究及數值分析張文興1,穆克進(jìn),張哲巔1,張永生!,王岳,肖云漢1.中國科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100080;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100080)摘要:對合成氣一甲醇伴燒火焰進(jìn)行了實(shí)驗研究用CcD相機拍攝了火焰中OH基的化學(xué)發(fā)光強度分布,用熱電偶測量了火焰的溫度分布,以及用煙氣分析儀測量了煙氣中NO2、CO污染物的濃度。實(shí)驗結果表明,在相同功率條件下相比于合成氣火焰合成氣一甲醇伴燒火焰中高溫區的溫度較低NO4排放指數較低,CO排放指數較高。論文基于 CHEMKIN軟件運用cRI-Mech3.0機理進(jìn)行了數值計算,分析了No排放降低的機關(guān)鍵調:合成氣;甲醇;伴燒;NO4排放中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:A文章編號:100-2889(2008)03-0015-0煤炭是我國的主要一次能源,在能源消費結構實(shí)驗裝置及數值模型中占據著(zhù)極大的比重,并且在未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)期內煤炭仍將是我國的主要能源。煤炭多聯(lián)產(chǎn)從系統的1.1燃燒器高度出發(fā),結合各種生產(chǎn)技術(shù)路線(xiàn)的優(yōu)越性,使生產(chǎn)實(shí)驗所用燃燒器結構如圖1所示。燃燒器由噴過(guò)程耦合到一起,取長(cháng)補短,具有資源利用率髙、能嘴、石英玻璃罩和煙氣縮口段三部分組成。噴嘴中耗低、投資和運行成本低、全生命周期污染物排放量心為甲醇流道,其出口裝有壓力旋流霧化噴嘴,甲醇少等優(yōu)點(diǎn)2。甲醇一電聯(lián)產(chǎn)是我國較為現實(shí)的煤經(jīng)噴嘴霧化后以液態(tài)噴霧的形式噴出;外側是環(huán)形炭聯(lián)產(chǎn)方式,在此聯(lián)產(chǎn)系統中燃氣輪機是其動(dòng)力核的空氣流道;合成氣環(huán)形流道位于甲醇流道與空氣心,通過(guò)系統優(yōu)化集成煤制合成氣一部分用于燃機流道之間,在其出口處的旋流器用以穩焰旋流器可聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,另一部分合成甲醇,弛放氣送入燃機以更換。實(shí)驗所用旋流器的通流槽與軸向的夾角為發(fā)電。甲醇除作為產(chǎn)品銷(xiāo)售外,還可以作為聯(lián)合循環(huán)調峰發(fā)電的燃料,在此系統中燃機的燃料包括合霧化噴嘴成氣、弛放氣、甲醇及雜醇。將甲醇引入燃機燃燒室與合成氣伴燒可以大大提高聯(lián)產(chǎn)系統的柔性,在電力緊張時(shí),利用甲醇和合成氣同時(shí)發(fā)電;而在電力富裕時(shí),可以多產(chǎn)甲醇來(lái)儲存能量。但甲醇一合成氣伴燒的研究工作很少要在聯(lián)產(chǎn)中運用,必須對其火焰形態(tài)污染物排放及火焰穩定性等進(jìn)行研究。本文通過(guò)對合成氣-甲醇伴燒火焰進(jìn)行實(shí)驗及合成氣數值研究,分析甲醇的加入對合成氣燃燒特性的影響,為聯(lián)產(chǎn)系統中合成氣-甲醇伴燒提供一定的基圖1實(shí)驗用燃燒器裝量礎。中國煤化工·收稿日期:2008-03-07改稿日期:2008-04基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目,批準號:50576098;國家“8YHSCNMHG作者簡(jiǎn)介:張文興(182-),男,云南昆明人,中國科學(xué)院研究生院碩士研究生,從事燃燒科學(xué)方向研充工作燃氣輪機技術(shù)第2130°,可產(chǎn)生旋流數S=0.54的旋流。煙氣縮口段用 specific emission)作為污染物排放指標,MSE可由下于煙氣整流,其側面開(kāi)有測量孔,用于煙氣溫度測量式進(jìn)行計算56:及煙氣取樣MSE組分i的質(zhì)量流量_1000x;·QM1.2測量?jì)x器總功率22.4實(shí)驗采用帶像增強器的CCD相機(ICD),對火式中,X1為組分i的體積分數,Qg為標況下理論煙焰中處于激發(fā)態(tài)的OH·基的化學(xué)發(fā)光強度進(jìn)行了氣的體積流量,MW1為組分i的摩爾質(zhì)量,P為總功定性測量,CD鏡頭配有干涉濾波片(BP07/10,=率。由于NO,中NO所占比例通常達到90%以上307±10mn),可以排除火焰中其他雜波的干擾而只計算MSEo時(shí)可采用MWo代替Mwo接收OH基的化學(xué)發(fā)光信號,測量系統如圖2所1.3數值模型在擴散燃燒火焰中,當對流和擴散的時(shí)間尺度遠遠大于化學(xué)反應的時(shí)間尺度時(shí),即Da>>1時(shí),擴散火焰可以看作是由一系列很薄的層流、局部一維的火焰面所組成, Peters根據這個(gè)觀(guān)點(diǎn)提出了flamelet模型(]。這些簡(jiǎn)單的層流一維火焰就是我們通常所說(shuō)的對沖擴散火焰,其模型如圖3所示,燃料及氧化劑從各自的噴嘴中相向噴出,在兩噴嘴之干涉濾波片間形成一個(gè)穩定的平面擴散火焰。該模型流場(chǎng)描述Uv鏡頭簡(jiǎn)單準確,便于利用化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數值計算,被廣泛地用于擴散火焰機理的研究09。軸對稱(chēng)柱坐標系下的對沖擴散火焰模型的控制方程為氧化劑圖2OH基輻射光強度測量系統示意圖幾化學(xué)發(fā)光是指某些化學(xué)反應中發(fā)出可見(jiàn)光的現象,其發(fā)光機理是反應體系中的某種物質(zhì)的分子吸收了反應所釋放的能量而由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),然后再從激發(fā)態(tài)返回基態(tài),同時(shí)將能量以光輻射的形式釋放出來(lái),產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。OH·基的化學(xué)發(fā)光反應可由下式描述:OH→OH+hvOH·基的化學(xué)發(fā)光強度與化學(xué)反應的釋熱速率存在一定的關(guān)系,化學(xué)發(fā)光強度最大的區域對應于化學(xué)反應最劇烈的區域,因而可以通過(guò)OH基的化學(xué)發(fā)光強度分布來(lái)分辨化學(xué)反應區的位置及結圖3對沖火焰模型示意圖構34),但由于對OH基化學(xué)發(fā)光的拍攝存在三維d疊加效應,其空間分辨率仍需改進(jìn)和提高。一=0實(shí)驗利用熱電偶測量了開(kāi)放式火焰(未加石英193(2玻璃罩及煙氣縮口段)中不同高度截面上溫度沿徑ar+ax(r)+3[p(2)]=0向的分布情況。實(shí)驗還使用煙氣分析儀( VARIO pu dx-dx:2YV#x+號Phplus)測量了煙氣中NO4及CO污染的濃度(摩爾分中國煤化工為了使不同工況條件下的污染物排放量具有可CNMHGk=1,…,K;比性,本文采用基于單位功率的排放指數MSE(Ms以上各式的推導過(guò)程及式中各項含義可參見(jiàn)文獻第3期合成氣-甲醇伴燒火焰實(shí)驗研究及數值分析17[5]及 CHEMKIN用戶(hù)手冊。本文基于 CHEMKIN軟件包中的對沖擴散火焰模型,采用GRI-Mech3.0化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)機理,對合成氣一空氣對沖擴散火焰及合成氣/甲醇-空氣對沖擴散火焰進(jìn)行了數值計算,考察甲醇的加入對火焰溫度、NO生成速率,以及與NO生成有關(guān)部分基元的濃度影響。2實(shí)驗結果與討論本文實(shí)驗所用合成氣中,CO0、H2N2的摩爾分數分別為478%、37.3%和14.9%,合成氣熱值約為10MJ/Nm3。實(shí)驗測量了表1中所列各功率條件下圖5相同功率條件下OH基化學(xué)發(fā)光強度分布對比單純燃燒合成氣及合成氣-甲醇伴燒時(shí),火焰中中在火焰的中下部;相同功率條件下對比,合成氣-OH基的化學(xué)發(fā)光強度分布、溫度分布及煙氣中甲醇伴燒火焰的尺寸比合成氣火焰尺寸窄;相比于NO4、CO的濃度。合成氣火焰,在合成氣-甲醇伴燒火焰中,中心處還表1實(shí)驗工況表多出一股外伸出主火焰區的細長(cháng)的火焰。編號總功率/kW甲醇功率kW甲醇摩爾分數/%合成氣-甲醇伴燒火焰尺寸變窄及中心火焰外11伸主要原因在于:一方面,合成氣流量減小使得燃料8.5的切向動(dòng)量減小,導致燃料在徑向上向外擴張的能10.22力減弱,同時(shí)也使得燃料與空氣的摻混減弱,導致中心的甲醇不能及時(shí)與空氣充分混合,造成其燃燒滯后;另一方面,由于噴霧燃燒需要經(jīng)歷蒸發(fā)、混合、燃12.0燒三個(gè)過(guò)程,甲醇噴霧在燃燒前用于蒸發(fā)的時(shí)間也730會(huì )使甲醇燃燒滯后。此外,甲醇噴霧對于流場(chǎng)的影響,也可能是一方面的原因。2.1火焰形態(tài)及OH·基化學(xué)發(fā)光強度可見(jiàn),為避免合成氣-甲醇伴燒火焰過(guò)長(cháng),需要圖4圖5分別是相同功率條件下火焰形態(tài)及保證甲醇的霧化質(zhì)量,以縮短其蒸發(fā)時(shí)間同時(shí)還應OH基的化學(xué)發(fā)光強度分布對比圖。由圖結合前文加強燃料與空氣的摻混,以使燃料及時(shí)燃燒完全。分析可以看出,火焰中化學(xué)反應劇烈的區域主要集2.2開(kāi)放式火焰的溫度分布圖6所示為功率1022kW時(shí),合成氣火焰、合成氣-甲醇伴燒火焰在hD=2及hD=4兩個(gè)截面上的溫度分布情況,其中D為合成氣流道的內直徑。由圖可以看到,在相同高度截面上,合成氣-甲醇伴燒火焰中高溫區的溫度值低于合成氣火焰中高溫區的溫度值,這是由于甲醇絕熱燃燒溫度低于合成氣絕熱燃燒溫度所造成的。同時(shí),需要說(shuō)明的是在開(kāi)放式火焰中,合成氣-甲醇伴燒火焰的尺寸比合成氣火焰的尺寸寬(與上文封閉式火焰的結構不同),這也就造成了圖6所示的,在遠離中心線(xiàn)(r/D0)毀距商后成田伴燒火焰溫度高于合成中國煤化工圖4相同功率條件下火焰形態(tài)對比CNMHG圖7圖8為污染污物排放指數 mSENo、MSEc燃氣輪機技術(shù)第21巷高于合成氣火焰的排放指數。2000合成氣中含有CO,煙氣中的Co排放可能主要6000。0-000來(lái)源于燃料中未完全燃燒的CO。由前文已知,合成氣-甲醇伴燒火焰中高溫區的溫度值低于合成氣火焰中高溫區的溫度值,而較低的溫度不利于CO的1200氧化,加之實(shí)驗所用燃燒器空間尺寸較小,CO停留1000時(shí)間較短,這就會(huì )使合成氣-甲醇伴燒火焰的C0排放指數增高。合成氣+甲醇,bD=4合成氣,h/D=2同時(shí),較低的火焰溫度能夠抑制熱力型NOx的一合成氣+甲醇,hD=2生成,這也從一個(gè)方面解釋了合成氣-甲醇伴燒火0.00.10.20.30.40.50.60.70.8091.0焰中NOx排放指數相對較低的原因。但由于NOx生成機理較為復雜,許多種基元組分都會(huì )對NOx的圖6溫度沿徑向的分布曲線(xiàn)(功率:10.22W)生成產(chǎn)生影響,為能更好地解釋NOx排放指數降低這一現象,下文將基于 CHEMKIN軟件包中的對沖合成氣擴散火焰模型運用GRI-Mech3.0,分析合成氣火焰一合成氣+甲醇中加入甲醇對NOx污染物生成所帶來(lái)的影響。3數值分析由于NOx中主要成分是NO,數值計算部分將僅針對NO進(jìn)行分析。本文計算了100%合成氣及80%合成氣+20%甲醇(摩爾分數)二種燃料條件下,對沖擴散火焰中NO生成速率分布、溫度分布及與NO生成相關(guān)的關(guān)鍵組分的濃度分布。計算中燃料速度和空氣速度均取為1.0m/s,燃料出口與空氣功率/kW出口間距取為0.02m,所對應的流場(chǎng)宏觀(guān)拉伸率為100s-1。計算結果如圖9-圖14所示。圖7C0排放指數隨功率變化曲線(xiàn)圖9為NO生成速率沿軸向的變化曲線(xiàn),由圖合成與可以看出,隨著(zhù)甲醇的加人,對沖火焰中NO的生成合成氣+甲醇速率降低。NO的生成主要有四種機制:熱力型、快速型、N20中間型及燃料型,由于本文所用燃料中不含N的化合物,這里只需考慮前三種生成機制。會(huì )成氣一合成氣+甲0.082.0X100.07動(dòng)1.0X100.06功率/冒10X10圖8NOx排放指數隨功率變化曲線(xiàn)相對于燃燒器功率的變化關(guān)系由圖可以看出相同中國煤化工功率條件下,合成氣-甲醇伴燒火焰的NOx排放指CNMHG響分布曲線(xiàn)數低于合成氣火焰的排放指數,而CO排放指數則第3期合成氣-甲醇伴燒火焰實(shí)驗研究及數值分析圖10為對沖擴散火焰中溫度沿軸向的變化曲線(xiàn)。該圖表明,加入甲醇后火焰溫度峰值有所降低,合成氣合成氣+甲醇這有利于抑制熱力型NO的生成。同時(shí),注意到計算中加入的甲醇是氣態(tài),而實(shí)驗中甲醇為液態(tài)(噴霧),由于甲醇氣化潛熱較大,其蒸發(fā)對于降低火焰溫度也具有一定作用,從而更有利于抑制熱力型NO的生成。會(huì )成氣合成氣+甲醇距高/c圖13HCN基沿軸向分布曲線(xiàn)合成氣圖10溫度沿軸向分布曲線(xiàn)試z合成氣合成氣+甲醇0.150.1高/cm圖14N2O基沿軸向分布曲線(xiàn)0.05圖11~圖14依次為對沖擴散火焰中N原子、0原子、HCN基及N2O基的濃度沿軸向的變化曲線(xiàn)。000熱力型NO的生成主要受N原子濃度和O原子濃度距高/cm影響,由圖11及圖12可以看到,甲醇的加入使得對圖11N原子沿軸向分布曲線(xiàn)沖火焰中N原子和0原子的濃度有所降低,這就有6000利于抑制NO的生成;而HCN基是快速型NO生成合成氣機制中的關(guān)鍵基元,由圖13可以看到,甲醇的加入4000倉成氣+甲醇使得對沖火焰中的HCN基從無(wú)變到有,有利于促進(jìn)快速型NO的生成;中間型No的生成主要受N2O基控制,圖14顯示甲醇的加入使得N2O基濃度降低有利于抑制No的生成?？梢?jiàn),在合成氣火焰中加入甲醇,有利于抑制熱力型NO及中間值NO的生成,同時(shí)也會(huì )促進(jìn)快速型NO的生成,但總體上,甲醇的加人有利于抑制No污染物距高/cm中國煤化工CNMHG圖12o原子沿軸向分布曲本文對合成氣-甲醇伴燒火焰進(jìn)行了實(shí)驗研究燃氣輪機技術(shù)第21卷及數值分析。實(shí)驗發(fā)現,相比于合成氣火焰,在相同學(xué)報,2004,31(6)功率條件下,合成氣-甲醇伴燒火焰中高溫區溫度2)胡笑穎顧燥楊昆,淺析媒多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)[]媒數技術(shù)20較低,NOx排放指數較低,CO排放指數較高。[3]Maurizio De Loo &, Alexei Saveliev a, Lawrence A. Kennedy &, etc, OH基于對沖擴散火焰的數值分析表明,在合成氣andChluminescenceinopposedflowmethaneoxy-flames[i].combus-中加入甲醇,有利于降低火焰溫度、O原子濃度、Ntion and name,l49(2007):435-477原子濃度及N2O基濃度,從而有利于抑制熱力型No【4] Michael Tsurikov, Wolfgang Meier,xau- Peter Geigle. Investigations of及中間型NO的生成;同時(shí),甲醇的加入使得火焰中fired gas turbine model combustor by planar lasHCN基從無(wú)變到有,有利于促進(jìn)快速型No的生成。J]. ASME Turbo Expo 2006, CT2006-90344但總體上,甲醇的加入有利于抑制No的生成。[5]Stephen R Tums. An Introduction to Combustion: Concepts and Applica-tions(2nd ed. ) Singapore: McGraw-Hill Book Co, 2000分析認為,CO排放增加可能是由于合成氣一甲6]魯冠軍,趙黛青,楊浩林楊衛斌甲烷/富氧射流擴散火焰NOx醇伴燒火焰中高溫區溫度降低不利于燃料中CO的的排放特性[過(guò)程工程學(xué)報,2007,vl7,Nol氧化所造成的但在實(shí)際運用中,燃氣輪機燃燒室具7lPea,. aminar Flamelet Concepts in Turbulent Combustion[ C有良好的配氣系統,能促進(jìn)燃料充分燃燒,可以預見(jiàn)Twenty-First Symoposium(Intemational )on Combustion, 1986[8]Xin Hui, Zhedian Zhang Kejin Mu. Yue Wang, Yunhan Xiao. Effect of fu-CO排放量將不會(huì )有太大變化。el dilution on the structure and pollutant emission of syngas diffusion參考文獻:[9]張哲端濕空氣擴散火焰的實(shí)驗和數值研究[D].北京:中國科學(xué)[]肖云漢,張士杰煤炭多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和氫能技術(shù)[]華北電力大學(xué)院研究生院,2006Experimental and numerical investigation of syngas methanol flameZHANG Wen-xing( 1.2), MU Ke-jin', ZHANG Zhe-dian', ZHANG yong-sheng',WANG yue,Ⅺ IAO Yun-han(l Key Laboratory of Advanced Energy and Power, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100080, China: 2. Graduate University ofChinese Academy of Sciences, Beijing, 100080, China)Abstract: Syngas methanol flame was experimentally and numerically investigated. The images of OH"chemiluminescence in the flame wascaptured by an intensified CCD camera, the temperature of flame was measured by thermocouples, and the concentrations of NOx and CO in theexhaust gas were measured by a flue gas analyzer. It shows that, compared with syngas flame, the temperature of fame zones isemission is less and the Co emission is more in the lame of syngas methanol. A numerieal investigation was carried out using CHEMKIN withGRI- Mech 3. 0 to analyzehanism of the decrease of NOx emisKey words: syngas; methanol; co-combustion; NOx合成能源系統與中國義馬的合成氣聯(lián)合投資項目據( Gas Turbine World)2008年1-2月刊報道,休斯敦合成能源系統(SES)與中國的義馬(YMA)煤炭工業(yè)集團已經(jīng)成立了一個(gè)聯(lián)合項目辦公室,致力于在河南省開(kāi)發(fā)煤制合成氣的工廠(chǎng)。該工廠(chǎng)將利用SES專(zhuān)有的U-CAS煤氣化工藝,由低質(zhì)、高灰的當地煤炭生產(chǎn)合成氣和甲醇。該工廠(chǎng)的產(chǎn)品將供應義馬當地的工廠(chǎng)和其它用戶(hù)。河南是中國人口最多的省份之一,也是中國的煤炭和鋁生產(chǎn)中心。該項目是SEs在中國的第二個(gè)合成氣生產(chǎn)項目。今年1月SF官布其在東省濰坊的煤制甲醇的氣化工廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始合成氣的生產(chǎn)。該工廠(chǎng)設計生產(chǎn)合成氣中國煤化工與山東海華煤炭化工公司聯(lián)合投資,生產(chǎn)焦炭、城市煤氣和甲醇。CNMHG(萬(wàn)點(diǎn)摘譯)