基于CRN 方法的空气分级燃烧室NOx排放研究

张文瀚，王国峰，赵巧男，徐有宁，张皓男，郭雨威，唱 千

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院；c.工程技术研究院，辽宁沈阳 110136；2.阜新金山煤矸石热电有限公司运行部，辽宁阜新 123006）

1 模型

1.1 物理模型

本文所研究的重型燃气轮机燃烧室为沿周向分布20 个火焰筒的逆流式环管型燃烧室，其中单个火焰筒的几何模型如图1 所示。该燃烧室属于空气分级燃烧，喷入燃烧室的空气分成两股，采用预混燃烧方式，燃料为甲烷。

图1 火焰筒物理模型

1.2 化学反应模拟器

CRN 模拟计算采用ANSYS18.1 中的Chem‐kin18.1 软件进行，结合CFD 数值模拟结果中的温度场、速度等流场来确定合理的化学反应器模型，复杂的化学反应网络模型是通过不同类型的化学反应器进行串并联而形成的。本文采用的化学反应器有：完全搅拌反应器（PSR）、柱塞流反应器（PFR）和无化学反应混合器（MIX）。完全搅拌反应器（PSR）是零维反应器，可模拟气相反应、表面化学反应、稳态和动态反应，系统中的大部分物质都参与反应，输出的结果是气相反应和表面化学反应相互耦合的结果。在完全搅拌反应器内，化学反应起主导作用，反应物充分混合，反应所用时间较短，有利于充分模拟反应器的燃烧过程，减少计算量。柱塞流反应器（PFR）是一维反应器，在轴向上不需要与流体相互混合，在垂直于轴向方向上与流体完全混合，化学反应速率非常快，混合反应起主导作用。无化学反应混合器（MIX）反应中没有化学反应，只有物理反应。本文所研究的燃烧室主燃区气体流速快、温度高、化学反应剧烈，适用于PSR模型；燃烧室出口段化学反应逐渐减少，烟气混合开始增多，该部分适用于PFR 模型；燃烧室内的掺混区采用MIX模型。

1.3 CFD数值模型

在三维数值模拟计算中，湍流模型采用标准的k-ε湍流模型，近壁面处理采用标准壁面函数，利用FLUENT软件设置k-ε湍流模型和进出口边界条件：一次风道入口空气总流量为3.289 5 kg/s，一次风道入口温度为610.5 K，二次风道入口空气流量为5.364 9 kg/s，二次风道入口温度为610.5 K，燃料入口流量为1.525 kg/s，燃烧室系统操作压力为1 215 900 Pa，燃烧室出口压力为1 215 900 Pa，8 个冷却风入口流量依次为0.432 kg/s、1.337 7 kg/s、1.626 kg/s、1.318 kg/s、0.417 kg/s、0.937 8 kg/s、0.957 8 kg/s、0.996 kg/s。

图2和图3分别为燃烧室中心截面温度和速度分布云图。燃烧室头部有一部分明显的低温区域，该区域为燃料与一次空气的混合区，不发生化学反应。混合区后端温度逐渐升高，发生强烈的化学反应，形成燃烧室的一级主燃烧区。燃烧室头部与火焰筒壁面存在角回流区，该区域温度较高且气流速度低，可为燃烧过程提供稳定的点火源。二次风进口处温度较低，该区域为一级主燃烧区未燃尽燃料与二次空气的掺混区。在掺混区的后端，温度升高，该区域是燃烧室的二级主燃烧区。在燃烧室壁面出现了一部分低速区，该区域为二次回流区，温度较高，有利于强化二次空气与未燃尽燃料掺混，稳定二级主燃烧区的燃烧。燃烧室后端的温度趋于平稳，是燃烧室的后火焰区。

图2 燃烧室温度分布

图3 燃烧室速度分布

1.4 燃烧室的CRN模型

为了更好地模拟空气分级预混燃烧模式，利用CFD 数值模拟结果，根据燃烧室的流场和温度场，将该燃烧室分为一次掺混区、一级主燃烧区、角回流区、二次掺混区、二级主燃烧区、二次回流区和后火焰区，采用不同的化学反应模拟器对燃烧室内部不同区域进行模拟并构建简单的CRN模型，如图4所示。

图4 燃烧室化学反应器模型

MIX1 表示燃烧室的一次掺混区，温度低且不发生化学反应，燃料和一次空气在此区域预混；PSR01 表示燃烧室的一级主燃烧区，大部分燃料在该区域燃烧，化学反应剧烈，是产生NOx的主要区域；MIX2表示燃烧室的二次掺混区，一次掺混区未燃尽的燃料和烟气流入二次掺混区，与二次空气掺混，区域内温度较低，不发生化学反应；PSR02 表示燃烧室的二级燃烧区，相比于一级燃烧区，化学反应强度有所降低，温度也有明显降低，未燃尽的燃料在此区域燃烧，产生的污染物较少；PFR01 表示燃烧室的后火焰区，该区域内的燃烧趋于平稳，存在大量的空气，混合反应占主导作用，基本不产生污染物。该模型认定空气与燃料完全掺混燃烧并且发生均匀混合。

2 计算结果与分析

根据CFD 分析数据和燃烧室CRN 模型，利用详细的化学反应动力学机理和热力学数据，对比空气分级燃烧室和传统贫预混燃烧室在相同绝热火焰温度下NOx排放量，分析空气分级燃烧室中一级燃烧区绝热火焰温度、空气分配比和停留时间分配对NOx排放的影响规律。两种燃烧室的实际运行参数如表1所示，工况1代表空气分级燃烧室，工况2代表传统贫预混燃烧室。

表1 燃烧室的运行参数

2.1 一级燃烧区绝热火焰温度的影响

根据CRN 模型，在计算中保持总的燃料流量、空气流量等参数不变，仅改变一级燃烧区的绝热火焰温度，研究一级燃烧区绝热火焰温度对整个燃烧室NOx排放的影响。

图5 为燃烧室一级火焰温度与NOx排放的关系，模拟参数如表1 中的工况1 所示；图6 为传统贫预混燃烧室NOx排放量随主燃区绝热火焰温度的变化，模拟参数如表1的工况2所示。

图5 NOx排放随一级绝热火焰温度的变化

图6 NOx排放随主燃区绝热火焰温度的变化

通过图5 与图6 的比较可以看出，相比传统贫预混燃烧，空气分级燃烧室NOx排放量少，特别是当火焰温度高时，分级燃烧排放的NOx比传统贫预混燃烧排放的NOx少很多。这是由于二次空气的喷入，使一级燃烧区产生的大部分NOx和未完全燃烧产物在第二级燃烧区继续发生化学反应，大部分NOx发生还原反应。由此可见，空气分级燃烧在减排NOx方面具有很大的潜力。无论是空气分级燃烧，还是传统贫预混燃烧，NOx排放都随着绝热火焰的升高而增大，这是因为当绝热火焰温度升高时，燃烧室内燃料燃烧剧烈，产生了更多的热力型NOx，导致燃烧室排放的NOx增加。因此，在不影响燃料正常燃烧的情况下，降低第一级绝热火焰温度，对降低NOx排放至关重要。

2.2 空气分级配比的影响

根据CFD 数值模拟结果可以看出，空气被分成两股喷入燃烧室，为了研究燃烧室出口NOx排放与空气分级配比的关系，保持入口燃料质量流量不变，停留时间分配系数，其中τ1为一级主燃区停留时间，τ2为二级主燃烧区停留时间，且τ1=τ2=0.015 s，一级空气占总空气比例为k=代表一次空气流量，maE代表总空气流量。根据燃烧室CRN 模型，分别计算k=25%、k=50%与k=75%时，燃烧室出口温度与NOx排放关系，其余参数与表1 中的工况1 参数相同。图7 表示不同空气分级配比情况下，NOx排放量与燃烧室出口温度的关系。

图7 在不同空气分级配比下燃烧室出口烟气温度对NOx排放的影响

从图7 可以看出，当燃烧室出口温度一定时，一级空气占比在50%时产生的NOx偏多。这是由于一级燃烧区是产生NOx的主要区域，当50%的空气喷入一级燃烧区时，一级燃烧区当量比接近化学恰当比，燃烧充分，热力型NOx生成量较大；一级空气占比为75%时，一级主燃烧区处于贫油状态燃烧，虽然NOx排放较少，但考虑稳定火焰作用，设计时不能让燃气轮机在贫油状态下工作。因此，在燃烧室出口温度不变时，应减少注入一级主燃区的空气，使燃烧室处于富油燃烧状态，从而有效地降低NOx排放。

2.3 停留时间分配影响

燃烧区的停留时间对NOx排放量有较大影响。根据CRN 模型，分别计算n=0.5、1 和1.5 时NOx的排放情况。图8 为不同停留时间分配系数下燃烧室烟气出口温度对NOx排放的影响。

从图8 可以看出，当停留时间分配系数n=0.5和n=1 时，两条曲线基本重合，NOx排放量没有较大差别；当n=1.5 时，NOx排放量增加，这是由于一级燃烧区是产生NOx的主要区域，由于停留时间增加，气体混合物在燃烧区反应时间变长，燃烧更充分；同时，热力型NOx随温度的升高而增加。因此，随着一级燃烧区停留时间增加，热力型NOx排放量增大。当出口温度高于1 600 K 时，NOx排放量增长得很快，这说明出口温度较高时化学反应更剧烈，产生了更多NOx；而不同停留时间分配系数下所产生的NOx趋于相同，这是由于燃烧室出口温度较高，促进第二级燃烧区热力型NOx的生成，此时停留时间分配系数对NOx排放的影响变小。随着燃烧室出口温度不断提高，在不影响正常燃烧的情况下，降低一级燃烧区的停留时间，可以有效地降低NOx排放。

图8 不同停留时间分配系数下燃烧室烟气出口温度对NOx排放的影响

3 结论

本文在提出空气分级燃烧室的基础上，利用CFD数值计算得到燃烧室流场特性，根据温度和速度场将燃烧室划分为不同区域，采用不同的化学反应器构建了CRN 模型，对空气分级燃烧室排放特性进行了分析，得到如下结论：

1）相比于传统贫预混燃烧，空气分级燃烧的减排能力增强，在相同绝热火焰温度下，空气分级燃烧排放的NOx少。在不影响燃烧的情况下，降低一级绝热火焰温度，有利于降低NOx。

2）在空气分级燃烧的条件下，尽量减少一级空气的喷入，使燃烧室处于富油燃烧状态，能有效地降低NOx排放。

3）一级燃烧区火焰停留时间越长，燃烧室内温度增高，压力增大，都能增加NOx排放。因此，在设计燃烧室时，需要优化停留时间分配，保证两级稳定燃烧，降低NOx排放。