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燃气轮机燃烧室燃料重整与燃烧技术研究

作　者: 龙强
导　师: 郑洪涛
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 化学回热 燃料重整 裂解气燃烧 动力学模型
分类号: TK471
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 29次
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内容摘要


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Plasma PSR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-ε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。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章 绪论  12-21
  1.1 目的和意义  12-13
  1.2 国内外进展  13-19
    1.2.1 燃气轮机化学回热循环的国内外研究进展  13-15
    1.2.2 常规甲烷燃料重整的国内外研究进展  15-16
    1.2.3 等离子体/催化剂协同催化甲烷燃料重整的国内外研究进展  16-18
    1.2.4 等离子体催化甲烷重整反应机理国内外研究进展  18-19
  1.3 本文主要内容  19-21
第2章 等离子体特性及其在甲烷蒸汽重整中的应用  21-28
  2.1 引言  21
  2.2 介质阻挡放电等离子体  21-24
    2.2.1 气体放电理论  21-23
    2.2.2 介质阻挡放电特性  23-24
  2.3 等离子体化学特性  24-25
  2.4 甲烷蒸汽重整  25-27
    2.4.1 常规催化剂重整  25
    2.4.2 等离子/催化剂协同催化甲烷蒸汽重整  25-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章 燃料重整实验研究  28-53
  3.1 引言  28
  3.2 试验台及反应器设计  28-30
    3.2.1 试验台设计  28-29
    3.2.2 反应器设计  29-30
  3.3 实验准备  30-33
    3.3.1 实验仪器及原料  30-31
    3.3.2 实验工艺计算  31-33
    3.3.3 催化剂填装  33
  3.4 实验参数测量  33-39
    3.4.1 介质阻挡放电功率的测量  34-35
    3.4.2 出口气体组分的测量  35-38
    3.4.3 出口气体流量的测量  38-39
  3.5 实验结果及讨论  39-52
    3.5.1 水碳比对甲烷蒸汽重整反应的影响  39-42
    3.5.2 甲烷空速对甲烷蒸汽重整反应的影响  42-45
    3.5.3 温度对甲烷蒸汽重整反应的影响  45-47
    3.5.4 放电功率对甲烷蒸汽重整反应的影响  47-50
    3.5.5 放电频率对甲烷蒸汽重整反应的影响  50-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章 等离子体催化甲烷蒸汽重整反应动力学模型探究  53-70
  4.1 引言  53
  4.2 反应动力学模型建立流程  53-54
  4.3 反应动力学模型的建立  54-62
    4.3.1 电子-分子碰撞反应的选取  54-55
    4.3.2 碰撞截面数据的获取  55-56
    4.3.3 电子碰撞反应反应速率的求取  56-59
    4.3.4 重粒子反应的选取  59-62
  4.4 反应动力学模型的验证  62-69
    4.4.1 基本假设  63
    4.4.2 数学模型  63-66
    4.4.3 计算参数的选取  66
    4.4.4 反应动力学模型的检验及校正  66-69
  4.5 本章小结  69-70
第5章 裂解气燃烧流场数值模拟  70-85
  5.1 引言  70
  5.2 数学模型  70-73
    5.2.1 流体流动模型  70-71
    5.2.2 湍流脉动模型  71-72
    5.2.3 湍流燃烧模型  72-73
  5.3 燃烧室模型选取  73-75
    5.3.1 燃烧室几何模型  73-74
    5.3.2 燃烧室网格划分  74
    5.3.3 边界条件设定  74-75
  5.4 燃烧流场数值模拟分析  75-84
    5.4.1 子午面温度分布  75-77
    5.4.2 出口不均匀度  77-80
    5.4.3 壁面温度分布  80-81
    5.4.4 总压恢复系数  81-82
    5.4.5 火焰长度  82
    5.4.6 燃烧效率  82-84
  5.5 本章小结  84-85
结论与展望  85-88
参考文献  88-96
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  96-97
致谢  97

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 内燃机 > 燃气轮机（燃气透平） > 理论
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