沼气成分对微型燃气轮机燃烧室影响的数值分析

刘闳钊，王玉璋，高慧峰，翁史烈

(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；2. 上海航天能源股份有限公司，上海 201201)

我国作为传统的农业大国，在广大的农村地区蕴藏着大量的生物质资源，其中，以沼气为代表的生物质气具有良好的利用前景[1-2]。由于微型燃气轮机具有体积小，结构轻便、紧凑，NOx排放低等特点，基于微型燃气轮机的分布式供能系统为沼气的利用提供了一条有效的途径[3-5]。

由于原料、温度环境等因素的影响，沼气成分中甲烷与二氧化碳的比例会发生改变。在使用沼气作为燃料时，为保证微型燃气轮机的性能，组织好燃烧过程并有效控制污染物生成，需要对不同成分沼气下的微型燃气轮机燃烧室内部流动及燃烧特性进行深入分析[6- 7]。而基于其灵活性与便利性，CFD方法被认为是分析微型燃气轮机燃烧室内部流动及燃烧特性的有效方法[8-9]。

本文利用数值计算的方法，研究了三种不同成分沼气下微型燃气轮机燃烧室内的流动及燃烧过程，并与纯甲烷下的情况进行了对比，分析了燃烧室内的温度、污染物分布，以及燃烧室出口参数的变化，以探究沼气成分变化对微型燃气轮机燃烧室流动及燃烧特性的影响。

1 研究对象

本文所针对的分析对象为微型燃气轮机环形的燃烧室，其整体示意图如图1所示。燃烧室由外壳及内衬围成双层环状结构，外层介于外壳与内衬之间，为空气通道。内层由内衬包裹，为燃烧反应区域。在内衬上设置有内外两圈掺混孔，大部分压缩空气经由掺混孔进入燃烧室内层与燃烧气体进行掺混。

喷嘴安装在燃烧室外壳上，并穿过内衬连通空气通道和燃烧室内层。燃烧室共配置有六组喷嘴，分为前后两排切向布置，前排四组，后排两组。每组喷嘴沿轴线方向布置有12个环形分布的燃气孔，沿切线方向布置有两列共8个空气孔，并正对空气通道。通过燃气孔和空气孔，燃气与压缩空气在喷嘴内实现预混。

2 计算方法

燃烧室采用三维计算模型，并利用ANSYS ICEM软件对流体域及固体域进行离散，绘制网格。计算域选用非结构化网格，最终生成约1 170万网格单元，其示意图如图2所示。

燃烧室流场的计算在Fluent软件内进行，选用Large Eddy Simulation (LES)湍流模型，并利用k-ε湍流模型计算所得的定常结果作为初始条件。微型燃气轮机对应的燃料为沼气，而沼气的主要燃烧成分为甲烷，因此燃烧反应采用甲烷两步反应过程以及Eddy Dissipation Concept燃烧反应模型，同时考虑NOx的生成。燃烧室入口分为空气入口和燃气入口，均设定为流量入口，温度分别为780 K和300 K。燃烧室出口设为压力出口，数值设定为0.405 3 MPa。

3 结果分析

3.1 燃料参数

为保证微型燃气轮机的热负荷，燃烧室需维持足够的甲烷流量。随着燃气成分发生改变，燃烧室喷嘴燃气侧来流的参数也会产生相应的变化。

图3所示为喷嘴燃气来流质量流量与相对压力随甲烷摩尔分数变化的曲线，其中qm与p分别表示燃烧室喷嘴燃气来流的质量流量与相对压力，而qma与pa对应的是纯甲烷时的参数值。在燃气中甲烷的摩尔分数下降的过程中，燃气的质量流量与相对压力不断上升。当甲烷的摩尔分数降至0.5时，qm与qma的比值增至3.75，而p与pa的比值也增加到2.78。甲烷摩尔分数的降低，使得燃烧室喷嘴燃气侧需要提供更高的流量以及压力。

3.2 温度分布

通过对燃烧室内温度分布的分析，能够了解燃气成分变化对燃烧特性的影响。燃烧室喷嘴所在平面是燃烧反应集中进行的区域，图4所示即为燃烧室内两个喷嘴平面上的温度分布，据此可反映出燃烧室内火焰的形态。在火焰的内焰，预混气体尚未发生反应，温度与喷嘴出口来流相当。外焰处燃烧反应开始进行，区域内温度沿气流方向不断升高。

对比四种成分的燃气温度分布可以看出，燃气成分的变化影响了燃烧室内的温度分布。当燃气为纯甲烷时，喷嘴平面上温度大于1 650 K的区域仅占很小的面积；当二氧化碳含量为25%时，高温区域的面积开始增大；当二氧化碳含量超过40%时，高温区已覆盖大部分喷嘴平面。随着燃气内二氧化碳含量的升高，燃烧室内局部的高温区域逐渐增多，温度梯度不断增大，而这些变化将影响到燃烧室内污染物的生成。

3.3 污染物分布

图5所示为不同燃气成分下燃烧室内NOx生成量的分布。结合图4的温度分布可以发现，局部高温区与NOx的生成密切相关。在高温区内，NOx的含量明显高于其它区域。燃气成分的变化改变了燃烧室内的温度分布，因此也改变了NOx的生成量。对比四种成分燃气下NOx的生成量能够看出，随着二氧化碳含量的增加，燃烧室内NOx的生成量逐渐增多。

图6所示为燃烧室内CO生成量的分布。一般地，燃烧室内的高温区域增多会减少CO的生成，但对燃烧室内CO生成量的分析结果却呈现出不同的变化趋势。随着燃气中二氧化碳含量的增加，燃烧反应生成的CO也不断增加。二氧化碳作为燃气的组成部分，同时也是燃烧反应的产物，其含量的增加影响了燃烧反应的充分进行，使得不完全燃烧产物CO的生成增多。

结合NOx与CO生成量的分析可以看出，燃气成分的变化对污染物的生成造成了影响。而燃气中二氧化碳含量的升高，同时增大了NOx与CO的生成量。

3.4 燃烧室出口参数

图7所示为不同成分燃气下，燃烧室出口参数的变化曲线。Δp为空气从压气机出口到燃烧室出口的压降，T为燃烧室出口气体温度，Δpa与Ta则对应燃气为纯甲烷时的参数值。对比压降与温度的变化曲线，燃气中甲烷含量的降低，增加了气流在燃烧室内的压降，以及燃烧室出口气流的温度，但增加的幅度并不十分显著。在甲烷摩尔分数为0.5时，压降以及温度的比值变化幅度最大，但其数值均不超过1.08。

4 结论

微型燃气轮机在以沼气为燃料的情况下，其燃烧室内的流动与燃烧特性会受到沼气成分变化的影响，具体表现为：

1) 燃气中甲烷含量的降低，将使得燃烧室喷嘴燃气侧需要提供更高的流量以及压力，以维持燃烧室内足够的甲烷流量来保证微型燃气轮机的热负荷。

2) 燃气中二氧化碳含量的升高，增大了燃烧室内的高温区域面积以及温度梯度，而这些变化将增加燃烧室内NOx的生成量。

3) 二氧化碳作为燃气的组成部分，同时又是燃烧产物。其含量的增加将影响燃烧反应的充分进行，进而增大CO的生成量。

4) 气流在燃烧室内的压降以及出口温度上受到燃气成分变化的影响，但影响的幅度并不十分显著。