燃料重整及燃燒室旋轉爆轟增壓燃燒技術研究.pdf

1、提高燃氣輪機的熱效率和降低污染物排放是能源動力領域的一個非常重要的研究方向?；诓祭最D循環(huán)的傳統(tǒng)簡單循環(huán)燃氣輪機通過提高部件效率，增加壓氣機壓比和渦輪前溫度的方式已經達到了非常高的熱動力學效率，進一步提高循環(huán)熱效率需要付出高昂的代價。在傳統(tǒng)簡單循環(huán)燃氣輪機中，燃燒熱力過程產生壓力損失，從而使工質做功能力下降；同時，簡單循環(huán)燃氣輪機的排氣余熱沒有得到利用，限制了循環(huán)效率的提高。本文從能量綜合利用的角度出發(fā)，基于化學回熱循環(huán)概念，采用低溫等

2、離子體與催化劑協同催化的新型重整形式對燃料進行深度蒸汽重整，提高燃料當量熱值，進而提高燃氣輪機循環(huán)的熱效率；從突破傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)等壓燃燒熱力過程產生壓損的角度出發(fā)，基于爆轟燃燒具有增壓特征的原理，構建一個新型燃燒加熱的熱力過程，采用連續(xù)爆轟增壓燃燒模態(tài)使重整氣燃料燃燒放熱，提高工質的做功能力，以進一步提高燃氣輪機循環(huán)熱效率。為此，本文開展了以下幾個方面的基礎研究工作：
　?。?）搭建了燃料蒸汽重整等溫反應試驗臺，利用自主設計的反應

3、器開展了燃料蒸汽重整的實驗研究。結果表明 DBD催化蒸汽重整方案更容易產生高碳烴。根據這一特點，結合蒸汽重整實驗結果，建立和發(fā)展了一套等離子催化甲烷蒸汽重整的反應機理及動力學模型，并開展了DBD催化甲烷蒸汽重整的反應路徑流分析，找到了影響DBD催化產物選擇性的主要限制反應，為提高目的產物的選擇性提供了依據。
　?。?）為了提高余熱利用率，設計了低溫等離子體協同催化反應器，在原有試驗臺的基礎上，分別從燃料轉化和能量回收兩個角度，系統(tǒng)

4、研究了甲烷空速、反應器壁面溫度、燃料重整的水碳比（S/C）、等離子放電特性等因素對化學回熱操作條件下不同重整形式的重整特性的影響。結果表明采用并列協同重整技術在余熱回收及增加H2選擇性等方面均具有明顯優(yōu)勢。在等離子系統(tǒng)輸入功率相同的前提下，并列協同重整可以回收更多的渦輪排氣余熱。而且，并列協同重整可以在更低的溫度下回收更多余熱，這更有助于提高不同工況下渦輪排氣余熱的利用深度。
　?。?）基于某型環(huán)管燃燒室，從燃料燃燒的角度考查了不

5、同重整形式的重整特性，數值分析了燃料重整對等壓燃燒熱力過程的影響。在保證相同入口焓值的前提下，數值研究了不同組分的重整氣燃料在等壓燃燒模態(tài)下的流場特性及燃燒室性能，進一步驗證了等壓燃燒熱力過程中由流阻和熱阻帶來的總壓損失這一固有特性。
　?。?）采用數值模擬的方法，利用二維歐拉方程，忽略黏性、熱擴散等傳輸特性，研究了當量H2/air在連續(xù)旋轉爆轟燃燒室中的流場特性。利用MATLAB和開源程序CANTERA，得到了H2/air、CH

6、4/air、CH4/H2/air等燃料的爆轟胞格寬度，為燃燒室尺寸的選擇提供依據。分析了連續(xù)旋轉爆轟燃燒室的宏觀流場結構及總壓分布特征，考察了平均流場參數隨時間的變化規(guī)律，揭示了連續(xù)旋轉爆轟增壓燃燒過程機理。
　?。?）采用數值模擬的方法，系統(tǒng)分析了不同入流總壓、入流總溫、軸向尺寸及周向尺寸等參數對 CH4/air預混氣下爆轟燃燒室性能的影響規(guī)律，并在此基礎上建立和發(fā)展了可用于預測二維旋轉爆轟流場結構及性能的理論預測模型。結合數值

7、模擬與理論分析，發(fā)現了旋轉爆轟燃燒室具有幾何相似性這一根本特征。所建立和發(fā)展的理論預測模型可以準確預測旋轉爆轟燃燒室內部流場參數及出口參數等。
　?。?）基于環(huán)型燃燒室，進一步分析了燃料重整對爆轟燃燒熱力過程的影響。隨著重整氣中H2含量增加，爆轟波傳播速度不斷加快，但爆轟波強度逐漸減弱；當入流總溫為300 K時，不同重整氣組分下的旋轉爆轟燃燒室的增壓比在2.5-2.7之間，大大提高了燃氣的做功能力。
　　（7）采用數值模擬的