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燃气轮机燃烧室燃料重整与燃烧技术研究
| 论文题名： | 燃气轮机燃烧室燃料重整与燃烧技术研究 |
| 关键词： | 燃气轮机;燃烧室;燃料重整;燃烧技术;动力学模型 |
| 摘要： | 燃气轮机化学回热循环以其输出比功大、循环效率高、污染物排放小等优异的热力性能而受到人们越来越多的关注。其中,利用燃机排气余热进行燃料蒸汽重整反应是该先进循环的核心内容,因此,寻求合适的重整方式及工作参数对提升燃气轮机化学回热循环性能有重要意义。本文通过实验和数值模拟进行了甲烷蒸汽燃料重整、裂解气燃烧流场分析和等离子体催化甲烷蒸汽重整反应动力学模型探究。 通过搭建燃料蒸汽重整反应试验台,利用自主设计加工的燃料重整反应器进行了燃料重整实验研究,考察了仅催化剂重整、仅等离子体重整、分列式协同重整和并列式协同重整等四种重整形式下水碳比、甲烷空速、温度、放电功率和放电频率对甲烷转化率和燃料热值提高率的影响。实验结果表明:有等离子体参与的燃料重整反应除了发生燃料蒸汽重整外,还会进行偶联反应生成高碳烃,但偶联反应的发生仅能增加重整系统的甲烷转化率而不一定能增加重整系统的燃料热值提高率;除仅等离子体重整时,燃料热值提高率随甲烷空速的增加而增加外,随着水碳比的增加、甲烷空速的减小、温度的升高和放电功率的增大,四种重整形式下的甲烷转化率和热值提高率均呈现增加趋势。放电频率除对并列式重整时的甲烷转化率略有影响外,总体而言,放电频率对燃料重整反应的甲烷转化率和热值提高率影响不大。同一参数下,从甲烷转化率和燃料热值提高率考量,总体而言,四种不同的燃料重整形式的重整性能由高到低依次为:并列式协同重整,仅催化剂重整、分列式协同重整和仅等离子体重整。 通过求解波尔兹曼方程构建了电子碰撞反应方程模型,并依据等离子体催化甲烷蒸汽重整反应特点,通过查阅文献选取了合适的重粒子反应模型,从而建立了等离子体催化甲烷蒸汽重整反应的初始反应动力学模型。利用CHEMKIN软件的PlasmaPSR模块模拟计算了基于所建立的反应动力学模型在不同停留时间下的出口各组分摩尔分数,并利用实验数据对该初始反应动力学模型进行了修正。最终建立了模拟结果与实验值符合较好的等离子催化甲烷蒸汽重整反应的替代反应动力学模型。 在保证燃烧室进口焓值不变的情况下,采用Realizablek-?模型和概率密度函数输运方程(PDF)模型对仅催化剂重整、仅等离子体重整、分列式协同重整及并列式协同重整时所得裂解组分和仅甲烷燃料燃烧时的燃烧流场进行了数值模拟研究。模拟结果表明:当燃烧室进口焓值不变时,从燃烧室子午面温度分布、出口不均匀度、壁面温度、火焰长度、燃烧效率和总压恢复系数等衡量指标综合考虑,仅催化剂重整所得裂解气燃烧时燃烧性能最好。 |
| 作者： | 龙强 |
| 专业： | 动力机械及工程 |
| 导师： | 郑洪涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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