合成气-甲醇伴烧火焰实验研究及数值分析

第21卷第3期《燃气轮机技术Vol 21 No. 32008年9月GAS TURBINE TECHNOLOGYsept,,2008合成气-甲醇伴烧火焰实验研究及数值分析张文兴1,穆克进,张哲巅1,张永生!,王岳,肖云汉1.中国科学院先进能源动力重点实验室,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100080)摘要:对合成气一甲醇伴烧火焰进行了实验研究用CcD相机拍摄了火焰中OH基的化学发光强度分布,用热电偶测量了火焰的温度分布,以及用烟气分析仪测量了烟气中NO2、CO污染物的浓度。实验结果表明,在相同功率条件下相比于合成气火焰合成气一甲醇伴烧火焰中高温区的温度较低NO4排放指数较低,CO排放指数较高。论文基于 CHEMKIN软件运用cRI-Mech3.0机理进行了数值计算,分析了No排放降低的机关键调:合成气;甲醇;伴烧;NO4排放中图分类号:TK16文献标识码:A文章编号:100-2889(2008)03-0015-0煤炭是我国的主要一次能源,在能源消费结构实验装置及数值模型中占据着极大的比重,并且在未来很长一段时期内煤炭仍将是我国的主要能源。煤炭多联产从系统的1.1燃烧器高度出发,结合各种生产技术路线的优越性,使生产实验所用燃烧器结构如图1所示。燃烧器由喷过程耦合到一起,取长补短,具有资源利用率髙、能嘴、石英玻璃罩和烟气缩口段三部分组成。喷嘴中耗低、投资和运行成本低、全生命周期污染物排放量心为甲醇流道,其出口装有压力旋流雾化喷嘴,甲醇少等优点2。甲醇一电联产是我国较为现实的煤经喷嘴雾化后以液态喷雾的形式喷出;外侧是环形炭联产方式,在此联产系统中燃气轮机是其动力核的空气流道;合成气环形流道位于甲醇流道与空气心,通过系统优化集成煤制合成气一部分用于燃机流道之间,在其出口处的旋流器用以稳焰旋流器可联合循环发电,另一部分合成甲醇,弛放气送入燃机以更换。实验所用旋流器的通流槽与轴向的夹角为发电。甲醇除作为产品销售外,还可以作为联合循环调峰发电的燃料,在此系统中燃机的燃料包括合雾化喷嘴成气、弛放气、甲醇及杂醇。将甲醇引入燃机燃烧室与合成气伴烧可以大大提高联产系统的柔性,在电力紧张时,利用甲醇和合成气同时发电;而在电力富裕时,可以多产甲醇来储存能量。但甲醇一合成气伴烧的研究工作很少要在联产中运用,必须对其火焰形态污染物排放及火焰稳定性等进行研究。本文通过对合成气-甲醇伴烧火焰进行实验及合成气数值研究,分析甲醇的加入对合成气燃烧特性的影响,为联产系统中合成气-甲醇伴烧提供一定的基图1实验用燃烧器装量础。中国煤化工·收稿日期:2008-03-07改稿日期:2008-04基金项目:国家自然科学基金资助项目,批准号:50576098;国家“8YHSCNMHG作者简介:张文兴(182-),男,云南昆明人,中国科学院研究生院硕士研究生,从事燃烧科学方向研充工作燃气轮机技术第2130°,可产生旋流数S=0.54的旋流。烟气缩口段用 specific emission)作为污染物排放指标,MSE可由下于烟气整流,其侧面开有测量孔,用于烟气温度测量式进行计算56:及烟气取样MSE组分i的质量流量_1000x;·QM1.2测量仪器总功率22.4实验采用带像增强器的CCD相机(ICD),对火式中,X1为组分i的体积分数,Qg为标况下理论烟焰中处于激发态的OH·基的化学发光强度进行了气的体积流量,MW1为组分i的摩尔质量,P为总功定性测量,CD镜头配有干涉滤波片(BP07/10,=率。由于NO,中NO所占比例通常达到90%以上307±10mn),可以排除火焰中其他杂波的干扰而只计算MSEo时可采用MWo代替Mwo接收OH基的化学发光信号,测量系统如图2所1.3数值模型在扩散燃烧火焰中,当对流和扩散的时间尺度远远大于化学反应的时间尺度时,即Da>>1时,扩散火焰可以看作是由一系列很薄的层流、局部一维的火焰面所组成, Peters根据这个观点提出了flamelet模型(]。这些简单的层流一维火焰就是我们通常所说的对冲扩散火焰,其模型如图3所示,燃料及氧化剂从各自的喷嘴中相向喷出,在两喷嘴之干涉滤波片间形成一个稳定的平面扩散火焰。该模型流场描述Uv镜头简单准确,便于利用化学反应动力学模型进行数值计算,被广泛地用于扩散火焰机理的研究09。轴对称柱坐标系下的对冲扩散火焰模型的控制方程为氧化剂图2OH基辐射光强度测量系统示意图几化学发光是指某些化学反应中发出可见光的现象,其发光机理是反应体系中的某种物质的分子吸收了反应所释放的能量而由基态跃迁至激发态,然后再从激发态返回基态,同时将能量以光辐射的形式释放出来,产生化学发光。OH·基的化学发光反应可由下式描述:OH→OH+hvOH·基的化学发光强度与化学反应的释热速率存在一定的关系,化学发光强度最大的区域对应于化学反应最剧烈的区域,因而可以通过OH基的化学发光强度分布来分辨化学反应区的位置及结图3对冲火焰模型示意图构34),但由于对OH基化学发光的拍摄存在三维d叠加效应,其空间分辨率仍需改进和提高。一=0实验利用热电偶测量了开放式火焰(未加石英193(2玻璃罩及烟气缩口段)中不同高度截面上温度沿径ar+ax(r)+3[p(2)]=0向的分布情况。实验还使用烟气分析仪( VARIO pu dx-dx:2YV#x+号Phplus)测量了烟气中NO4及CO污染的浓度(摩尔分中国煤化工为了使不同工况条件下的污染物排放量具有可CNMHGk=1,…,K;比性,本文采用基于单位功率的排放指数MSE(Ms以上各式的推导过程及式中各项含义可参见文献第3期合成气-甲醇伴烧火焰实验研究及数值分析17[5]及 CHEMKIN用户手册。本文基于 CHEMKIN软件包中的对冲扩散火焰模型,采用GRI-Mech3.0化学反应动力学机理,对合成气一空气对冲扩散火焰及合成气/甲醇-空气对冲扩散火焰进行了数值计算,考察甲醇的加入对火焰温度、NO生成速率,以及与NO生成有关部分基元的浓度影响。2实验结果与讨论本文实验所用合成气中,CO0、H2N2的摩尔分数分别为478%、37.3%和14.9%,合成气热值约为10MJ/Nm3。实验测量了表1中所列各功率条件下图5相同功率条件下OH基化学发光强度分布对比单纯燃烧合成气及合成气-甲醇伴烧时,火焰中中在火焰的中下部;相同功率条件下对比,合成气-OH基的化学发光强度分布、温度分布及烟气中甲醇伴烧火焰的尺寸比合成气火焰尺寸窄;相比于NO4、CO的浓度。合成气火焰,在合成气-甲醇伴烧火焰中,中心处还表1实验工况表多出一股外伸出主火焰区的细长的火焰。编号总功率/kW甲醇功率kW甲醇摩尔分数/%合成气-甲醇伴烧火焰尺寸变窄及中心火焰外11伸主要原因在于:一方面,合成气流量减小使得燃料8.5的切向动量减小,导致燃料在径向上向外扩张的能10.22力减弱,同时也使得燃料与空气的掺混减弱,导致中心的甲醇不能及时与空气充分混合,造成其燃烧滞后;另一方面,由于喷雾燃烧需要经历蒸发、混合、燃12.0烧三个过程,甲醇喷雾在燃烧前用于蒸发的时间也730会使甲醇燃烧滞后。此外,甲醇喷雾对于流场的影响,也可能是一方面的原因。2.1火焰形态及OH·基化学发光强度可见,为避免合成气-甲醇伴烧火焰过长,需要图4图5分别是相同功率条件下火焰形态及保证甲醇的雾化质量,以缩短其蒸发时间同时还应OH基的化学发光强度分布对比图。由图结合前文加强燃料与空气的掺混,以使燃料及时燃烧完全。分析可以看出,火焰中化学反应剧烈的区域主要集2.2开放式火焰的温度分布图6所示为功率1022kW时,合成气火焰、合成气-甲醇伴烧火焰在hD=2及hD=4两个截面上的温度分布情况,其中D为合成气流道的内直径。由图可以看到,在相同高度截面上,合成气-甲醇伴烧火焰中高温区的温度值低于合成气火焰中高温区的温度值,这是由于甲醇绝热燃烧温度低于合成气绝热燃烧温度所造成的。同时,需要说明的是在开放式火焰中,合成气-甲醇伴烧火焰的尺寸比合成气火焰的尺寸宽(与上文封闭式火焰的结构不同),这也就造成了图6所示的,在远离中心线(r/D0)毁距商后成田伴烧火焰温度高于合成中国煤化工图4相同功率条件下火焰形态对比CNMHG图7图8为污染污物排放指数 mSENo、MSEc燃气轮机技术第21巷高于合成气火焰的排放指数。2000合成气中含有CO,烟气中的Co排放可能主要6000。0-000来源于燃料中未完全燃烧的CO。由前文已知,合成气-甲醇伴烧火焰中高温区的温度值低于合成气火焰中高温区的温度值,而较低的温度不利于CO的1200氧化,加之实验所用燃烧器空间尺寸较小,CO停留1000时间较短,这就会使合成气-甲醇伴烧火焰的C0排放指数增高。合成气+甲醇,bD=4合成气,h/D=2同时,较低的火焰温度能够抑制热力型NOx的一合成气+甲醇,hD=2生成,这也从一个方面解释了合成气-甲醇伴烧火0.00.10.20.30.40.50.60.70.8091.0焰中NOx排放指数相对较低的原因。但由于NOx生成机理较为复杂,许多种基元组分都会对NOx的图6温度沿径向的分布曲线(功率:10.22W)生成产生影响,为能更好地解释NOx排放指数降低这一现象,下文将基于 CHEMKIN软件包中的对冲合成气扩散火焰模型运用GRI-Mech3.0,分析合成气火焰一合成气+甲醇中加入甲醇对NOx污染物生成所带来的影响。3数值分析由于NOx中主要成分是NO,数值计算部分将仅针对NO进行分析。本文计算了100%合成气及80%合成气+20%甲醇(摩尔分数)二种燃料条件下,对冲扩散火焰中NO生成速率分布、温度分布及与NO生成相关的关键组分的浓度分布。计算中燃料速度和空气速度均取为1.0m/s,燃料出口与空气功率/kW出口间距取为0.02m,所对应的流场宏观拉伸率为100s-1。计算结果如图9-图14所示。图7C0排放指数随功率变化曲线图9为NO生成速率沿轴向的变化曲线,由图合成与可以看出,随着甲醇的加人,对冲火焰中NO的生成合成气+甲醇速率降低。NO的生成主要有四种机制:热力型、快速型、N20中间型及燃料型,由于本文所用燃料中不含N的化合物,这里只需考虑前三种生成机制。會成气一合成气+甲0.082.0X100.07动1.0X100.06功率/冒10X10图8NOx排放指数随功率变化曲线相对于燃烧器功率的变化关系由图可以看出相同中国煤化工功率条件下,合成气-甲醇伴烧火焰的NOx排放指CNMHG响分布曲线数低于合成气火焰的排放指数,而CO排放指数则第3期合成气-甲醇伴烧火焰实验研究及数值分析图10为对冲扩散火焰中温度沿轴向的变化曲线。该图表明,加入甲醇后火焰温度峰值有所降低,合成气合成气+甲醇这有利于抑制热力型NO的生成。同时,注意到计算中加入的甲醇是气态,而实验中甲醇为液态(喷雾),由于甲醇气化潜热较大,其蒸发对于降低火焰温度也具有一定作用,从而更有利于抑制热力型NO的生成。會成气合成气+甲醇距高/c图13HCN基沿轴向分布曲线合成气图10温度沿轴向分布曲线试z合成气合成气+甲醇0.150.1高/cm图14N2O基沿轴向分布曲线0.05图11~图14依次为对冲扩散火焰中N原子、0原子、HCN基及N2O基的浓度沿轴向的变化曲线。000热力型NO的生成主要受N原子浓度和O原子浓度距高/cm影响,由图11及图12可以看到,甲醇的加入使得对图11N原子沿轴向分布曲线冲火焰中N原子和0原子的浓度有所降低,这就有6000利于抑制NO的生成;而HCN基是快速型NO生成合成气机制中的关键基元,由图13可以看到,甲醇的加入4000仓成气+甲醇使得对冲火焰中的HCN基从无变到有,有利于促进快速型NO的生成;中间型No的生成主要受N2O基控制,图14显示甲醇的加入使得N2O基浓度降低有利于抑制No的生成。可见,在合成气火焰中加入甲醇,有利于抑制热力型NO及中间值NO的生成,同时也会促进快速型NO的生成,但总体上,甲醇的加人有利于抑制No污染物距高/cm中国煤化工CNMHG图12o原子沿轴向分布曲本文对合成气-甲醇伴烧火焰进行了实验研究燃气轮机技术第21卷及数值分析。实验发现,相比于合成气火焰,在相同学报,2004,31(6)功率条件下,合成气-甲醇伴烧火焰中高温区温度2)胡笑颖顾燥杨昆,浅析媒多联产技术[]媒数技术20较低,NOx排放指数较低,CO排放指数较高。[3]Maurizio De Loo &, Alexei Saveliev a, Lawrence A. Kennedy &, etc, OH基于对冲扩散火焰的数值分析表明,在合成气andChluminescenceinopposedflowmethaneoxy-flames[i].combus-中加入甲醇,有利于降低火焰温度、O原子浓度、Ntion and name,l49(2007):435-477原子浓度及N2O基浓度,从而有利于抑制热力型No【4] Michael Tsurikov, Wolfgang Meier,xau- Peter Geigle. Investigations of及中间型NO的生成;同时,甲醇的加入使得火焰中fired gas turbine model combustor by planar lasHCN基从无变到有,有利于促进快速型No的生成。J]. ASME Turbo Expo 2006, CT2006-90344但总体上,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分析认为,CO排放增加可能是由于合成气一甲6]鲁冠军,赵黛青,杨浩林杨卫斌甲烷/富氧射流扩散火焰NOx醇伴烧火焰中高温区温度降低不利于燃料中CO的的排放特性[过程工程学报,2007,vl7,Nol氧化所造成的但在实际运用中,燃气轮机燃烧室具7lPea,. aminar Flamelet Concepts in Turbulent Combustion[ C有良好的配气系统,能促进燃料充分燃烧,可以预见Twenty-First Symoposium(Intemational )on Combustion, 1986[8]Xin Hui, Zhedian Zhang Kejin Mu. Yue Wang, Yunhan Xiao. Effect of fu-CO排放量将不会有太大变化。el dilution on the structure and pollutant emission of syngas diffusion参考文献:[9]张哲端湿空气扩散火焰的实验和数值研究[D].北京:中国科学[]肖云汉,张士杰煤炭多联产技术和氢能技术[]华北电力大学院研究生院,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合成能源系统与中国义马的合成气联合投资项目据( Gas Turbine World)2008年1-2月刊报道,休斯敦合成能源系统(SES)与中国的义马(YMA)煤炭工业集团已经成立了一个联合项目办公室,致力于在河南省开发煤制合成气的工厂。该工厂将利用SES专有的U-CAS煤气化工艺,由低质、高灰的当地煤炭生产合成气和甲醇。该工厂的产品将供应义马当地的工厂和其它用户。河南是中国人口最多的省份之一,也是中国的煤炭和铝生产中心。该项目是SEs在中国的第二个合成气生产项目。今年1月SF官布其在东省潍坊的煤制甲醇的气化工厂已经开始合成气的生产。该工厂设计生产合成气中国煤化工与山东海华煤炭化工公司联合投资,生产焦炭、城市煤气和甲醇。CNMHG(万点摘译)