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燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧中低热值煤气的比较

作者：徐纲

前言

煤炭联产系统可以提高煤炭生产的综合效益，同时降低大气污染，支持煤炭企业由传统产业

向高技术产业的转型，其中的关键问题就是提供适用多种燃料（包括中低热值煤气、天然气

等）的低NOX排放新型燃气轮机燃烧室。将燃烧室的燃料由天然气改为中低热值煤气将会

面临以下几个问题：

·燃油流量的增加：在燃烧室功率不变的情况下，由于中低热值煤气热值的下降，燃油流量

将增加3－10倍，相应需要向燃烧区提供更大的空气流量，改变燃烧-冷却-掺混的空气配比，

且燃烧火焰将加长。因此，需要改变燃料系统，燃烧区和掺混区的总体尺寸和结构。

·燃烧稳定性问题：中低热值煤气燃烧的特点是平均温升较低，局部温升较高。又由于燃油

流量的增加导致煤气喷射速度增加，煤气中的主要物质co的着火下限较高，当机组工作在

低负荷工况时容易出现熄火现象。

·控制Nox排放与co排放的矛盾：中低热值煤气的燃烧温升较高，而火焰传播速度较低，

容易产生co排放超标。通过提高燃烧区的温度可大幅降低co的排放量。但这与降低燃烧

区温度来降低Nox含量相矛盾。现在比较先进的DLN燃烧室通过预混燃烧来降低燃烧温度

已降低Nox含量。但预混燃烧的稳定性较低，而本身中低热值煤气的燃烧稳定性较低，故

移植到中低热值煤气燃烧室较为困难。

·冷却问题：煤气中含有H2，局部燃烧温度较高，易烧坏喷嘴。前面提到由于燃油流量的

增加，相应需要向燃烧区提供更大的空气流量，这将导致用于冷却的空气量减少。

这些问题的的解决依赖于实验、计算紧密结合：燃烧问题本身是比较复杂的，而中低热值煤

气的成份比天然气多，反映过程也相应复杂。以往的工作是以实验为主，数值模拟较为困难。

随着CFD技术的发展，我们目前已有了解决这类问题的工具，可以进行湍流、多组分扩散、

化学反应进行联合模拟。本文中采用FLUENT软件对同一燃烧室采用天然气和中低热值煤

气进行了对比计算，对温度分布，火焰结构，燃烧效率及Nox分布进行了比较。

算法简介

本文采用的是FLUENT软件中的UNS算法。采用SIMPLE法求解雷诺平均的NS方程，

湍流模型采用标准k-ε模型，壁面函数采用标准壁面函数。燃烧模型采用非绝热的PDF模

型。

UNS·的核心算法：该算法源于经典的SIMPLE算法。其适用范围为不可压缩流动和中等

可压缩流动（马赫数小于1）。这种算法不对Navier-Stokes方程联立求解，而是对动量方

程进行压力修正。该算法是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证。

PDF·燃烧模型：该模型不求解单个组分输运方程，但求解混合组分分布的输运方程。各组

分浓度由混合组分分布求得。PDF模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过

程。在该模型中，用概率密度函数PDF来考虑湍流效应。该模型不要求用户显式地定义反

应机理，而是通过火焰面方法(即混即燃模型)或化学平衡计算来处理，因此比有限速率模型

有更多的优势。该模型适应用于非预混燃烧（湍流扩散火焰），可以用来计算燃气轮机燃烧

室中的燃烧问题及液体/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。

NOx·模拟：Fluent软件提供了三种NOx形成的模型：ThermalNOx、PromptNOx和Fuel

NOx形成模型。在本文中选用了其中的ThermalNOx、PromptNox

·辐射模型：Fluent软件提供了四种辐射模型，本文选用的是P-1模型。P-1模型是P-N模

型的简化，适用于大尺度辐射计算。对比DTRM模型，其优点在于计算量更小，且包含散

射效应。当燃烧计算域的尺寸比较大时，P-1模型非常有效。另外P-1模型可应用在较为复

杂的计算域中。

算例分析

计算采用的中低热值煤气的组分为

在前言中已经提到中低热值煤气燃烧的主要问题之一是燃烧稳定性问题，对于中低热值煤气

燃烧燃烧室有两种结构可供选择，第一种是采用圆筒型燃烧室，第二种是采用环形或环管型

燃烧室。圆筒性结构更容易解决中低热值煤气燃烧的难题〖3〗。故本文计算的燃烧室是首

先是上海交大的某实验用模型圆筒型燃烧室〖1〗。实验用的燃烧器没有一次空气射流孔和

参混孔。喷嘴为直射式，周向有6个直径为1.2mm燃油喷射孔，旋流器叶片扭角为50o