兩級濃淡燃燒室內氨-氫-空氣預混旋流燃燒過程的NOx排放特性

屈?？?，茍小龍

兩級濃淡燃燒室內氨-氫-空氣預混旋流燃燒過程的NO排放特性

屈?？?, 2，茍小龍1, 2

(1.重慶大學能源與動力工程學院，重慶 400044；2. 低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

為了掌握燃氣輪機兩級濃淡燃燒室內氨-氫-空氣預混旋流火焰的NO排放特性和影響NO生成的動力學機制，對氨-氫-空氣預混旋流燃燒過程進行了三維反應流數值模擬并開展了燃燒反應動力學特性研究．結果表明：在摻氫比為35%、壓力為0.5MPa且當量比為1.20的絕熱燃燒工況下，NO排放可降至54×10-6(15%O2)．H+O2(+M)＝HO2(+M)是燃燒壓力影響氨-氫燃料燃燒過程中NO排放的關鍵反應．燃燒壓力的升高會促進NO與HO2反應并轉化為NO2．對于氨-氫混合燃料而言，過高的摻氫比(60%～80%)會導致NO排放顯著升高，而根據壁面熱損失程度的不同，適當的摻氫比(35%～55%)則有利于實現較低的NO排放(54×10-6～86×10-6(15%O2))．

氨-氫燃料；兩級濃淡燃燒；旋流火焰；化學動力學；NO排放

為了實現“碳達峰·碳中和”的莊嚴承諾，推進經濟社會發展全面綠色轉型，亟待解決傳統燃料燃燒所產生的大量碳排放問題．因此，零碳燃料在近年來受到了社會各界的廣泛重視．相比于氫，氨的儲存、運輸和分銷技術已經非常成熟，且具有低要求、低成本和低風險等優勢[1]，為此氨被視為另一種極具前景的零碳燃料或儲氫載體．

針對氨在燃氣輪機燃燒室中難以可靠高效燃燒的問題，相關學者開展了通過摻氫來改善氨燃燒性能的相關研究工作．Valera-Medina等[2-3]在微型燃氣輪機內對氨-氫燃料開展了貧燃(50%H2)和富燃(30%H2和40%H2)工況下的實驗研究和數值模擬.結果表明，氨-氫燃料在貧預混燃燒過程中的NO排放較高；在富燃工況下燃燒氨或含氨燃料能產生極低的NO排放，但與此同時卻會帶來低燃燒率和大量的氨逃逸等問題．Bioche等[4]針對常壓下燃氣輪機內氨-氫-空氣預混旋流燃燒過程進行了大渦模擬，結果顯示在當量比為1.46、摻氫比為46%的工況下NO和未燃燒NH3的排放均約為300×10-6，但煙氣中存在大量未燃盡的H2而導致燃燒效率低至66%.此外，出于避免現有工業燃氣輪機大量改造的考慮，Zhu等[5]和Khateeb等[6]研究了摻氫比為15%～25%時氨氣在高壓、極度貧燃工況下預混旋流燃燒過程中的NO排放特性，實驗結果表明，煙氣中NO排放可低至100×10-6～200×10-6(6%O2)，而Zhang等[7]的研究則發現貧燃工況下的N2O排放濃度隨著當量比減小而呈現出明顯遞增的趨勢．在極度貧燃工況下，過低的燃燒溫度使得N2O熱解反應被顯著削弱，進而導致煙氣中N2O濃度明顯升高．由于N2O產生的溫室效應是CO2的298倍[8]，其排放更應引起高度重視．因此，利用極度貧燃的氨-氫預混燃燒方式對于實際應用過程中降低NO排放的可行性還有待商榷.

由此可見，分級燃燒技術在抑制含氨燃料燃燒過程中的NO排放方面展現出了一定的潛力，有望降低氨-氫燃料燃燒產物中的NO排放濃度從而減輕下游脫硝裝置的壓力．然而，當前在含氨燃料的分級燃燒研究方面，尤其是氨-氫燃料分級燃燒反應流以及影響其NO生成的動力學機制方面的研究成果還較為缺乏．因此，本文通過對微型燃氣輪機模型燃燒室內氨-氫燃料的兩級濃淡燃燒過程進行三維反應流數值模擬，進而獲得當量比、壓力、摻氫比和壁面熱損失對其燃燒性能和NO排放特性的影響機制．然后，對氨-氫燃料燃燒過程中的反應動力學過程進行分析，以揭示不同工況下的具體反應路徑、導致NO生成的關鍵反應以及摻氫帶來的熱效應、化學效應和輸運效應對于NO排放的影響程度．

1 數值模擬方法

1.1 幾何模型與網格劃分

由于針對氨-氫燃料的燃氣輪機燃燒室研究尚處于起步階段，故而實驗室規模的模型燃燒室是實驗或數值模擬的首選[1]．本研究所針對的兩級濃淡燃燒室及其對應網格如圖1所示．在網格劃分時，采用以多面體網格過渡且六面體網格為核心的非結構化網格類型．在旋流燃燒室計算域內部為高質量的六面體網格，而在燃燒室壁面邊界附近的過渡區域則使用多面體網格進行填充，從而在實現更高網格質量的同時，大幅度減少整體網格數量．

圖1 兩級濃淡燃燒室及其網格(單位：mm)

式中：為旋流器外徑；為旋流器內徑；a和t分別代表軸向速度和切向速度．

1.2 數學模型與計算方法

耦合詳細化學反應機理的三維反應流模擬需要極為高昂的計算開銷和時間成本．因此，在開展反應流數值模擬研究之前，先考慮將氨-氫燃燒詳細化學反應機理進行適當的簡化．所選用的詳細機理為Zhang等[11]提出的38種組分和263個基元反應的氨-氫燃燒詳細化學反應機理．在較寬的溫度與壓力范圍內，該機理能對氨-氫燃燒過程及其NO排放情況進行良好預測[11]．在機理簡化方面，帶誤差傳播的直接關系圖法(DRGEP)不僅能考慮組分間的直接耦合關系，還能考慮間接耦合關系．當累計誤差低于所定義的閾值時則將其刪除[12]．雖然DRGEP法簡化能力有限，但因其計算速度很快且效率較高，故將其用于機理簡化的第1階段．基于路徑通量分析的直接關系圖法(DRGPFA)不僅會分析組分間的一代直接關系，還能分析二代間接關系且不再使用絕對反應速率，而改用生成與消耗通量來確定關鍵反應路徑．因此，該簡化方法能在保證預測精度的同時盡可能刪減更多組分[13]．基于敏感性分析的全組分敏感性分析法(FSSA)會分別移除每個組分并計算該組分被移除后給目標參數帶來的誘發誤差．然后，利用得到的誘發誤差按照升序對組分進行排序．最后，按序從骨架機理中逐個移除組分并計算移除每個組分后對目標參數的累計誘發誤差．當累計誘發誤差超過規定的誤差容限時，則終止簡化進程[13]．該方法雖然比較耗時，但針對二十多個組分的氨-氫燃燒骨架機理可以作為最終簡化手段從而有效地移除DRGEP法和DRGPFA法等難以移除且對目標參數無明顯影響的組分．本文基于Chemkin-Pro以及簡化工具Reaction Workbench，利用上述3種機理簡化方法對氨-氫燃燒詳細化學反應機理進行迭代簡化．機理簡化工況設定為壓力分別為0.1MPa、0.5MPa且初始溫度為室溫，摻氫比()為30%且當量比＝0.6～1.4或者＝0且＝0.7～1.3．本研究將目標參數設為層流火焰速度和NO、N2O、NO2的濃度峰值并分別設定相對誤差容限為2.5%、10%、15%和50%，絕對誤差容限為10-6以實現不同簡化程度．本研究提出的4種簡化機理的尺寸及其刪除的相應組分如表1所示．

表1 不同簡化機理的尺寸及其刪除的組分

Tab.1 Sizes of different simplification mechanisms and their removed species

為了篩選出合適的簡化機理并驗證其準確性，將基于上述詳細機理和簡化機理的模擬結果進行比較，其結果如圖2所示．圖2(a)和圖2(c)展示了摻氫比為30%且不同當量比下，壓力為0.1MPa或0.5MPa時的層流火焰速度和0.5MPa時的NO排放峰值的對比結果．圖2(b)和圖2(d)則展示的是當量比為1.2、壓力為0.5MPa且不同摻氫比下的層流火焰速度和NO排放峰值的對比結果．由此看出，雖然簡化機理1的預測精度與詳細機理幾乎一致，但其所保留組分數仍然較多．相比于詳細機理和簡化機理1，簡化機理2與簡化機理3對于層流火焰速度、NO和N2O排放濃度峰值具有足夠的預測精度．然而，簡化機理3會明顯低估NO2排放濃度峰值．此外，簡化機理4對于層流火焰速度和NO排放濃度峰值的預測能力則明顯惡化．

由此可見，24個組分和170個基元反應的氨-氫燃燒簡化反應機理足夠精簡并且能夠良好地預測氨-氫燃料的層流火焰速度及其燃燒過程中的NO排放情況．因此，在后續的三維反應流模擬中使用了簡化機理2以減少模擬成本并確保足夠的精度．

（a）層流火焰速度，＝30%

（b）層流火焰速度，＝1.2

（c）NO排放峰值，＝30%

（d）NO排放峰值，＝1.2

圖2 簡化機理與詳細機理對氨-氫火焰層流火焰速度和NO排放峰值的預測性能對比

Fig.2 Comparison of reduced and detailed mechanisms in predicting laminar flame velocity and peak NOemission of NH3-H2flame

在開展三維氨-氫燃燒反應流模擬時，采取了以下假設：①認為氨-氫-空氣混合物燃燒達到穩態；②認為流動為不可壓縮流；③忽略黏性熱、Dufour效應、表面反應以及重力的影響．基于上述假設，該三維不可壓縮反應流模擬所涉及到的控制方程分別如式(2)～(5)所示．

在模擬過程中，使用Coupled算法處理速度與壓力耦合并結合偽瞬態處理求解涉及旋流燃燒過程的不可壓反應流問題．湍流過程的模擬采用k-omega SST湍流模型．湍流與化學反應之間的相互作用則使用渦耗散概念(EDC)模型進行處理．選擇離散坐標(DO)模型來處理燃燒時的輻射過程．在控制方程的空間離散方面，梯度項和壓力項分別采用基于網格中心的最小二乘法和PRESTO!格式，而其余各項均采用二階迎風格式．為了減少數值模擬的計算量，則只選取四分之一計算域并采用周期性邊界條件．進出口邊界條件分別設為質量流量入口條件和壓力出口條件．若不考慮壁面熱損失影響，燃燒室壁面均設為采用無滑移邊界條件的絕熱壁面．反之，則將燃燒室側壁面設為900K或1250K的等溫壁面．本研究所涉及到的三維反應流數值求解過程在ANSYS Fluent軟件中實現．

1.3 網格無關性驗證與數值模擬驗證

圖3顯示了在當量比為1.20、操作壓力為0.5MPa且摻氫比為35%的工況條件下，不同網格規模對于高度＝35mm處的軸向速度分布的影響．由圖可以看出，數量為29萬左右的網格顯得過于粗糙．相比之下，網格規模約102萬時能夠實現較好的預測效果，而更為精細的296萬網格并未帶來顯著改善．因此，本研究認為102萬左右的網格規模對于后續數值模擬適用并且在計算準確性和模擬成本之間提供了足夠的權衡．

為了進一步驗證本研究所采用的數值模型和計算方法是否準確可靠，則將反應流模擬得到的NO排放濃度和速度場分布情況與Zhang等[7]的實驗數據進行比較，見圖4．其中，圖4(a)為入口流速為3m/s時，純氨旋流火焰的NO排放；圖4(b)為入口流速為4m/s且當量比為0.7時，純氨旋流燃燒室內速度分量的分布．上述對比結果不僅驗證了所采用的數值模型和計算方法的準確性與可靠性，也表明本研究的反應流模擬結果是可以接受且有效的．

圖3 不同網格量下的軸向速度的徑向分布情況對比

（a）NO排放

（b）速度分量分布

圖4 反應流數值模擬驗證

Fig.4 Numerical simulation validation of reacting flow

2 結果與討論

2.1 當量比對燃燒排放特性的影響

在本研究中，所有模擬均在總空氣流量被設為570L/min的前提下開展．由于空氣流量顯著大于燃料流量，該項設定有助于控制燃燒室內的流動停留時間保持近似一致．預混氣入口溫度為300K，且二次風入口溫度為500K．常壓燃燒工況下，燃燒室的輸入熱功率為7.08～9.91kW．此外，分級燃燒室的二次風率設置為80%．引入的二次風主要用于降低燃燒室出口溫度并使上游剩余的氨-氫燃料盡可能燃盡以確保燃燒效率約為99.9%．

圖5顯示了分級燃燒室在摻氫比為30%、常壓工況下的煙氣排放物濃度和燃燒室出口溫度．當量比超過1.25時，NO排放濃度顯著增高且燃燒室出口溫度大于1300K．因為燃氣輪機系統中不銹鋼渦輪葉片的最高允許溫度約為1300K[14]，所以該燃燒室更適合在當量比1.30以下運行．除此之外，從該圖中還可看出NO排放幾乎由NO和NO2組成，而N2O排放濃度極低以至于可以忽略不計．在當量比為1.25、常壓工況下的分級燃燒室內氨-氫-空氣混合物燃燒產生的NO排放最低值約為100×10-6(15%O2)，NO2也達到最低值5.6×10-6(15%O2)．如圖6所示，這主要是因為在當量比小于1.25時，初級燃燒區內的還原性氣氛較弱以至于對NO的還原程度有限，而在當量比大于1.25時，初級燃燒區內雖有較強的還原性氣氛，但會產生過多的未燃燒NH3以至于剩余燃料在次級燃燒區內燃盡后會產生更多的NO排放．

為了進一步掌握氨-氫燃料燃燒過程中的關鍵反應路徑，則利用Chemkin-Pro的Premixed Laminar Flame Speed模塊[15]分別對以當量比為0.8為代表的貧燃工況和以當量比為1.2為代表的富燃工況進行反應路徑分析．圖7和圖8分別展示的是摻氫比為30%、當量比為0.8和1.2條件下帶相對ROP(rate of production)的氨-氫燃燒反應路徑，其中虛線表示相對ROP小于2%，而加粗百分數則表示壓力從0.1MPa增至0.5MPa后的相對ROP值．從反應路徑圖中可以看出貧燃時的OH自由基是引起NH3消耗的最主要自由基，而在富燃時H自由基對于NH3消耗的影響力有所增加．在氨氧化的整體過程中，朝著NO或N2的生成傾向主要是由NH(＝0、1、2)自由基與O/H自由基池或NO之間的反應競爭所決定的．在貧燃時，NH2自由基主要通過與O自由基反應生成HNO或與O/H自由基池反應生成NH自由基這兩類路徑消耗．此外，O/H自由基池對于NH自由基的氧化也會通過關鍵中間體HNO實現．憑借NH2+O＝HNO+H和NH+OH＝HNO+H等反應生成的HNO中間體會通過與O/H自由基池反應或者分解反應轉化為NO．由此可見，氨-氫火焰中的NO生成通過中間體HNO與O和OH自由基形成了緊密的聯系．NO的還原主要通過NH+NO＝N2O+H反應生成N2O，而由此生成的N2O則主要通過N2O+H＝N2+OH或N2O(+M)＝N2+O(+M)反應被消耗．NO還能直接被NH2自由基還原成N2，該關鍵鏈終止反應對于NO的消耗在富燃工況下顯得更加明顯．相比于貧燃，富燃時的三體反應2NH2(+M)＝N2H4(+M)在整個NH2消耗通道內的相對ROP值明顯增大，而N2H4能夠逐步發生脫氫反應進而轉化為N2H2．在富燃時，NH2與NH相結合生成N2H2的途徑對于NH2的消耗也變得更加重要．N2H2主要通過與O/H自由基池、NH2自由基反應或者直接分解生成NNH．然后，NNH主要通過分解反應被消耗，而與O2的反應則是其次的．因此，富燃有助于增強N2H化學，從而遏制NH自由基朝著NO生成方向上的轉化．

圖5 0.1MPa下燃燒室出口溫度和排放情況隨當量比的變化

圖6 0.1MPa下NO與OH摩爾分數分布

圖7 時氨-氫火焰主要反應路徑和相對ROP分析

圖8 時氨-氫火焰主要反應路徑和相對ROP分析

2.2 壓力對燃燒排放特性的影響

為了研究氨-氫燃料在工業燃氣輪機中的應用前景，還有必要對高壓工況下的氨-氫燃燒排放情況進行探索．加壓燃燒工況下，燃燒室的輸入熱功率為35.39～49.55kW．圖9展示了操作壓力增至0.5MPa后，分級燃燒室的煙氣排放物濃度與出口溫度隨當量比的變化情況．將圖9與圖5對比后可以發現，燃燒室內操作壓力增大后，當量比小于1.25的工況下NO排放濃度明顯降低，而在當量比不低于1.25的工況下NO排放卻出現增加的趨勢．燃燒壓力升高后的最低NO排放從100×10-6(15%O2)降至55×10-6(15%O2)，NO2排放最低值從5.6×10-6(15%O2)略微增至5.9×10-6(15%O2)．不僅如此，當量比1.25～1.40對應工況的NO2排放濃度在加壓后增大了3～4倍．結合上述反應路徑分析結果可知，增壓后HO2自由基濃度增大從而促進了NO向NO2的轉化．除此之外，NO最低排放值對應的當量比從1.25降低至1.20．將圖6和圖10對比后能夠發現，上述3個工況對應的初級燃燒區內的NO生成強度隨著操作壓力的增加而減弱．此外，在次級燃燒區內，與常壓燃燒工況下的NO生成情況不同的是燃燒壓力升高后當量比為1.25時的NO生成強度要高于當量比為1.20時的NO生成強度．這表明在操作壓力為0.5MPa且當量比為1.25時，初級燃燒區有過多的未燃燒NH3過渡到次級燃燒區并在次級燃燒區燃燒后產生較多的NO和NO2排放并且導致最低NO排放濃度對應的當量比略微減?。?/p>

圖9 0.5MPa下燃燒室出口溫度和排放情況隨當量比的變化

圖10 0.5MPa下NO與OH摩爾分數分布

結合增壓前后的一維火焰模擬結果對氨-氫火焰中影響NO濃度的關鍵反應進行敏感性分析和相對ROP分析以便于從動力學層面進一步了解增壓對于NO形成帶來的具體影響．在敏感性分析結果中，正向敏感性系數代表了促進生成作用而負向敏感性系數則表示抑制生成或促進消耗作用．結合圖7、圖8和圖11所展示的結果可知，隨著壓力的增加，三體反應H+O2(+M)＝HO2(+M)被強化，從而致使H自由基向著并不活潑的HO2自由基轉化的趨勢增強．這導致對O/H自由基池濃度敏感的NO生成過程被減弱，從而呈現出該反應對NO生成的負向敏感系數增大的現象．該現象意味著增壓可能有助于降低氨-氫料燃燒過程中的NO排放．此外，HO2濃度增加還會增強NH2+HO2＝NH3+O2進而促進鏈終止和抑制反應體系．

雖然壓力的增加會促進O/H自由基池中活性組分的耗盡，但在上述反應路徑圖中OH自由基參與的大多數消耗通道所對應的相對ROP值卻有所增大．這意味著盡管壓力的增加縮減了O/H自由基池，但增壓以后的OH自由基在O/H自由基池中的相對濃度得到提升進而導致許多依賴OH自由基的組分消耗通道的占比增大．此外，加壓會促進H+O2＝O+OH與H+O2(+M)＝HO2(+M)之間的競爭，故而抑制了O自由基的生成．因此，在上述反應路徑圖中，許多與O自由基有關的相對ROP值在增壓后減小而與O2有關的相對ROP值增大．

圖11 氨-氫火焰中NO的敏感性系數

從敏感性分析結果中還能發現，作為氨-氫燃燒過程中重要的鏈終止反應，NH2+NO＝N2+H2O是限制氨-氫燃燒過程中NO排放濃度的主要途徑．鏈分支反應H+O2＝O+OH對于NO的生成起著最大促進作用．NH+OH＝HNO+H、NH+O2＝HNO+O和NH2+O＝HNO+H等反應對于NO的生成均具有較大的正向敏感性系數．一方面是因為HNO是NO形成的關鍵前驅體，另一方面則是因為這些反應還生成了活性自由基H或O從而進一步促進氨氧化反應進程．其中，反應HNO+OH＝NO+H2O對于NO生成的負向敏感性系數則隨著壓力增加而明顯增大．這可能與增壓以后O/H自由基池中OH自由基的相對濃度增大有關．值得一提的是，雖然HNO+OH＝NO+H2O是貧燃時生成NO的主要反應，但是該反應屬于氨-氫火焰中的關鍵鏈終止反應，故而對NO生成表現出較大負向敏感性系數．

2.3 摻氫比對燃燒排放特性的影響

為了進一步了解氨-氫燃料應用于微型燃氣輪機過程中的煙氣排放情況，分別對不同摻氫比下的分級燃燒室工作情況進行了三維反應流模擬．在壓力為0.5MPa，當量比為1.20不同摻氫比下，該燃燒室的輸入熱功率為41.14～44.14kW，其出口溫度和排放濃度如圖12所示．

圖12 加壓燃燒室出口溫度和排放情況隨摻氫比的變化

從圖12中可以看出，NO排放濃度隨著摻氫比的增加呈現出先減后增的趨勢，并且在摻氫比約為35%時達到最低值，其值約為49×10-6(15%O2)．結合圖12和圖13可知，這是因為在當量比為1.20且摻氫比較小的工況下，初級燃燒區內有較多的NH3未被燃盡，隨后這些未燃燒NH3在次級燃燒區內進一步燃盡而導致較高的NO排放．但是，隨著摻氫比的增加，初級燃燒區內的燃燒強度得到明顯提升．這使得初級燃燒區內有更少的未燃燒NH3過渡到次級燃燒區，從而導致NO排放出現一定程度上的降低．然而，當摻氫比進一步增大，燃燒強度被過度提升以至于初級燃燒區內的溫度過高并且不利于NO被NH自由基還原．不僅如此，摻氫比增大會導致次級燃燒區內形成的O/H自由基池濃度也隨之增大，進而導致更多的NO排放．此外，在分級燃燒后的煙氣中，N2O和NH3排放基本上都低于1×10-6(15%O2)．但需要注意的是，選擇性催化還原(SCR)裝置仍然需要被采用以滿足政府規定的NO排放濃度要求．

圖13 不同摻氫比下的NO和OH摩爾分數分布

為了探究摻氫引發的熱效應與其他效應(化學效應和輸運效應)對于NO生成的具體影響程度，本研究結合虛擬稀釋氣體法對不同摻氫比下的一維氨-氫層流火焰進行了模擬．通過對比有無添加極少量暈苯(C24H12)的一維氨-氫層流火焰的NO排放濃度峰值來區分熱效應與其他效應對其影響程度，結果如圖14所示(＝1.0，壓力0.1MPa)．該方法能夠實現熱效應與其他效應解耦的原理在于添加的虛擬組分被用于替代部分氮氣且不參與任何化學反應并能增加混合物熱容從而使添加虛擬組分前后的絕熱火焰溫度保持近似一致[16]．因為N2是氨燃燒產物中的主要物質，所以需要選擇熱容量極高的虛擬組分以盡可能減少化學平衡移動對效應解耦的阻礙．Mei等[17]指出暈苯熱容至少是N2的23倍，故而只需要添加極少量的C24H12替代N2即可實現熱效應與其他效應解耦．正如本研究中為了控制摻氫比為95%的工況下氨-氫燃燒的絕熱火焰溫度與壓力為0.1MPa且當量比為1的純氨絕熱火焰溫度相同，僅需要添加0.54%的暈苯作為替代組分．

（a）NO峰值

（b）相對百分比

圖14 摻氫引發的熱效應與其他效應對NO排放的影響

Fig.14 Influence of thermal and other effects induced by hydrogen doping on NOemission

從圖14中能發現，在整個摻氫比范圍之內，化學效應和輸運效應的影響無疑是占主導地位的，而熱效應所產生的影響力有限．以往的研究指出，H2的添加會導致NH2+H2＝NH3+H反應變得敏感并且其敏感性也會隨著摻氫比的增加而增強[11]．這就意味著摻混的H2會通過與NH2自由基反應從而帶來更多的H自由基，進而促進鏈分支反應H+O2＝O+OH來產生更多的O和OH自由基，從而導致更多的NH自由基被氧化生成NO進而對NO生成帶來明顯的化學效應增強．在摻氫比較低(小于10%)的工況下，熱效應引起的NO增量占總增量的相對百分比較高(20%～40%)．這可能是因為在摻氫比很小時，摻氫引發的O/H自由基池濃度的增幅并不明顯而增高的火焰溫度所帶來的促進作用對于NO增量具有一定的影響力．隨著摻氫比進一步增大，O/H自由基池得到極大豐富從而導致化學效應引起的NO增量占總增量的相對百分比很快超過了90%．盡管從相對占比的角度來看，較高的摻氫比范圍內的熱效應占比很低，但這并不意味著熱效應就不再重要．需要額外注意的是，在60%～80%的摻氫比范圍之內，熱效應引起的NO絕對增量即紅色區域面積遠大于其他范圍．因此，在過高摻氫比下，由于火焰溫度過高而產生的大量熱力型NO需要被額外注意．此外，氫燃料中混有極少量的NH3(5%～20%)便會導致極高的NO排放增量．由此可見，在確保預混氣反應性或點火性能得到足夠改善的前提下，選擇適當摻氫比有助于在氨-氫燃燒工況下實現較低的NO排放．

2.4 壁面熱損失對燃燒排放特性的影響

在燃氣輪機的實際運行中，對于燃燒室壁面的適當冷卻是維持設備長穩運行且不會出現壁面熱裂的基本要求．但是，氨-氫燃料在考慮壁面熱損失的兩級濃淡燃燒室內的燃燒和排放特性還缺乏研究．因此，為了掌握壁面熱損失對于兩級濃淡燃燒室內氨-氫-空氣混合物的燃燒和排放特性的影響，則分別對不同側壁面溫度下的模型燃燒室運行情況進行了模擬．通過考慮不銹鋼的最高允許溫度和長穩運行條件下不銹鋼的最高允許溫度來分別設定模擬時的側壁面溫度為1250K和900K[14]．壁面熱損失對于NO排放的影響(見圖15)，不同壁面熱損失程度下的溫度分布見圖16(＝1.20，＝0.5MPa)．

研究發現，壁面熱損失對于初級燃燒區的未燃燒NH3濃度、火焰長度和燃燒室出口的NO排放濃度有著明顯影響．如圖16所示，在摻氫比為30%、壓力為0.5MPa且當量比為1.20的工況下，當考慮壁面熱損失后，NO排放濃度的最低值朝著更高摻氫比的方向移動．在較低摻氫比的工況下，壁面熱損失的增加會導致燃燒室出口的NO排放明顯增加，但對于較高摻氫比的工況而言，壁面熱損失對于NO排放的影響相對較?。m然壁面熱損失的存在可能會抑制貧燃區內的NO產生，但同時也會導致富燃區內更多的未燃燒NH3移動到貧燃區從而在燃燒后產生更多NO．因此，這兩種影響的綜合表現導致了考慮壁面熱損失后分級燃燒室出口的NO排放濃度增加．在絕熱壁面、1250K和950K的側壁面溫度下，NO排放濃度的最低值分別為54×10-6、85×10-6和86×10-6(15%O2)．從圖16中還能夠發現，在摻氫比為0時，壁面熱損失的存在會導致火焰長度明顯伸長且火焰會在燃燒室壁面附近發生淬熄．但是，氫氣的引入可以顯著縮短火焰長度并提升燃燒強度，從而抑制了純氨火焰在近壁面處的淬熄現象發生并且能夠有效改善其燃燒與排放特性．

圖15 壁面熱損失對于NOx排放的影響

圖16 不同壁面熱損失程度下的溫度分布

3 結 論

本研究提出了24種組分和170個基元反應的氨-氫燃燒簡化反應機理并驗證了該簡化機理足夠精簡．在較寬的工況條件下，基于該簡化機理的基礎燃燒特性參數模擬結果與詳細機理的預測數據高度吻合，從而說明了該簡化機理能夠較好地反映氨-氫燃料的燃燒和排放特性．基于該簡化機理，對兩級濃淡燃燒室內氨-氫-空氣預混旋流燃燒過程進行了數值模擬，且結合詳細機理對不同燃燒工況下NO生成的相關反應動力學過程進行了分析．研究發現，過高的摻氫比(60%～80%)將導致NO排放顯著升高，而根據壁面熱損失程度的不同，適當的摻氫比(35%～55%)則有助于實現較低的NO排放(54×10-6～86×10-6(15%O2))且氫燃料中混有極少量的NH3(5%～20%)便會導致極高的NO排放．此外，氨-氫燃料燃燒過程中的三體反應H+O2(+M)＝HO2(+M)是燃燒壓力影響NO排放的關鍵反應．三維反應流模擬結果表明，燃燒壓力的升高有助于降低整體NO排放濃度，但會促進NO與HO2反應從而提高NO2排放濃度并且NO最低排放濃度值對應的當量比有所下降．壁面熱損失的存在不僅會導致純氨火焰在燃燒室壁面附近發生淬熄，還會使初級燃燒區內的氨-氫火焰強度明顯減弱進而導致更多的未燃燒NH3過渡到下游從而導致NO排放增加．適當調整摻氫比除了能夠抑制近壁面火焰淬熄現象之外，還能削弱壁面熱損失對于NO排放的影響．總體上而言，兩級濃淡燃燒技術能夠有效降低氨-氫-空氣預混旋流燃燒過程中的NO排放，進而減輕尾部煙氣脫硝裝置的壓力．

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NOEmission Characteristics of Ammonia-Hydrogen-Air Premixed Swirl Combustion in Two-Stage Rich-Lean Combustor

Qu Haijun1,2，Gou Xiaolong1,2

(1. School of Energy and Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2. Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technologies & System，MOE，Chongqing 400044，China)

In order to understand the NOemission characteristics of the NH3-H2-air premixed swirl flame in the gas turbine two-stage rich-lean combustor and the kinetic mechanism affecting the NOformation，a three-dimensional reacting flow numerical simulation of the NH3-H2-air premixed swirl combustion process was carried out and the kinetic characteristics of the combustion reaction were investigated. The results show that NOemission can be reduced to 54×10-6(15%O2)under the adiabatic combustion condition with the hydrogen doping ratio of 35%，the pressure of 0.5MPa and the equivalence ratio of 1.20. H+O2(+M)＝HO2(+M)is the key reaction in which pressure affects NOemission during NH3-H2fuel combustion. The increase of combustion pressure promotes the conversion of NO to NO2by reacting with HO2. For NH3-H2blended fuel，excessively high hydrogen doping ratios(60%—80%)lead to a significant increase in NOemission，while appropriate hydrogen doping ratios(35%—55%)are favourable for achieving lower NOemission(54×10-6—86×10-6(15%O2))depending on the degree of wall heat loss.

NH3-H2fuel；two-stage rich-lean combustion；swirl flame；chemical kinetics；NOemission

TK16

A

1006-8740(2024)01-0032-11

2023-02-20．

國家重點研發計劃資助項目(2022YFE0125400).

屈?？?1998— )，男，碩士研究生，Quhj9806@163.com.

茍小龍，男，博士，教授，simgxl@cqu.edu.cn.

(責任編輯：梁 霞)