基于空气加湿的燃烧过程计算与能效分析

文献综述

1 引言

空气加湿燃烧是一种特殊的燃烧方式，在内燃机和燃气轮机中已有长期的应用，其作用是降低氮氧化物排放和提高热功转换的循环效率。在燃煤电站锅炉与工业锅炉设备中，空气加湿的低氮燃烧技术尚未得到实际应用，而空气加湿对锅炉能效和尾部受热面积灰皆有不利影响，综合考虑脱硝成本和锅炉能效时，空气加湿需要综合优化。

2 研究背景

随着世界范围内的能源紧缺以及各国对环境保护的重视，20世纪80年代以来，燃气轮机在世界电力系统中的地位越来越重要。因此很多学者也提出了各种以燃气轮机为基础的先进透平循环，其中湿空气透平(HAT)循环[^[1]]以其突出的高效率，高比功，低NO、排放等优点成为一种新型的先进发电循环，被誉为跨世纪的热力循环同时也被列为美国先进透平计划进行研究。把煤气化和HAT循环相结合的整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环对于我国以及世界上以煤炭为主要能源的国家就显的十分的适合[^[2]]。另外整体煤气化联合(IGCC)循环[^[3]]也是大家所十分关注的发电循环。

实现和推广湿空气透平循环HAT, 整体煤气化湿空气透平循环IGHAT以及整体煤气化联合循环IGCC循环可以提高能源的利用效率，同时由于其燃烧过程是湿空气燃烧，因此也具有相对低的NOx排放。然而，其有一个共同的关键过程湿空气燃烧。为了使HAT, IGHAT以及IGCC循环能够推广应用，必须攻克其关键技术之一湿空气燃烧。

3 湿燃烧的发展历程

水作为燃烧的辅助控制技术最早是在年的第一个燃气轮机原理的专利中提出的。当时认为将水喷入燃烧产物中可以保护透平,这也是早期燃气轮机的设计理念之一。20世纪60年代以前,燃料掺水被广泛用于内燃机中,用于改善爆震,冷却以及提高效率等等。直到Zeldovich[^[4]]等研究了燃烧中氮气生成氮氧化物的机理以及NOx和化学光污染之间的关系,Kopa[^[5]]才提出了一个研究加湿燃烧的新动机加湿降NOx排放。

20世纪80年代相继提出注蒸汽循环(STIG)和湿空气透平(HAT)循环,加湿燃烧又具有了新的很重要的功能新型热力循环的需要。

4 湿空气燃烧的研究现状

目前国内外对加湿燃烧进行了一些研究。Lupandin[^[6]]和Blevins[^[7]]等针对扩散火焰和预混火焰的加湿燃烧进行了研究,发现加湿度对NOx和CO排放有显著的影响。Touchton把水直接喷到燃烧室中,但引起火焰的不稳定,限制了加入的水量。A.Chen[^[8]]在模型实验台上对液态燃料加湿燃烧进行了研究,发现在相同的火焰温度下,若加湿度合适可以使NOx的排放降低90%,他认为影响NOx排放的主要因素不是火焰温度变化,而是加湿导致的化学反应机理的改变。Belokon[^[9]]等在模型燃烧室中对于甲烷一湿空气扩散火焰的NOx排放及燃烧效率进行了实验研究，实验结果表明，NOx随含湿量的增加而显著下降，而CO则相反，由于CO和未燃碳氢化合物(UHC)随含湿量的增加而增加，因此燃烧效率下降，在含湿量达到7%时，燃烧效率开始明显恶化。

国内上海交大建立了甲烷一湿空气扩散燃烧实验台[^[10]]并运用PIV测量了空气加湿对流场的影响[^[11]]，认为空气加湿使得火焰的稳定性变差。同时还对湿空气模型燃烧室进行了数值模拟，认为随着湿度的增加，燃烧区的温度以及O原子浓度降低，导致NOx浓度显著降低[^[12]]。