排放标准化方法对H?–CH?燃料在通用型及NO?减排型燃气轮机燃烧中的比较影响

研究在模型燃气轮机燃烧器中通过甲烷-氢气混合燃料实验，对比ISO和MBHI两种归一化方法对NOx排放评估的影响，发现ISO方法因未考虑EGR引入的额外体积稀释而高估NOx，而MBHI能更准确反映实际排放，并揭示氢气比例增加导致NOx非线性上升的现象。

　　

托马斯·戴维斯 | 丹尼尔·普格 | 萨莉·休莱特 | 史蒂文·莫里斯 | 菲利普·鲍恩

卡迪夫工程学院，女王大厦，The Parade 14-17号，卡迪夫，CF24 3AA，威尔士，英国

摘要

使用CH₄–H₂混合物在高温入口条件下对模型燃气轮机燃烧室进行参数实验，实验既未采取任何减排措施，也采用了废气再循环（EGR）技术来降低NO_x排放。目的是量化传统的干式15% O₂ NO_x校正方法（ISO方法）的性能，并通过质量与热输入（MBHI）的标准化来验证文献中的模拟结果，同时扩展这项研究以涵盖NO_x减排燃烧情况。

研究发现，与CH₄相比，使用ISO方法时H₂燃烧产生的NO_x浓度始终偏高，而MBHI方法则能更接近质量与功输出之间的基线排放值。尝试提出的校正系数被证明并不实用。使用ISO方法评估EGR效果时存在一个根本性问题，即该方法没有考虑额外的体积稀释效应，而MBHI标准化方法则避免了这一问题。

引言

随着氢气（H₂）在燃气轮机（GT）中的应用日益增多，与其相比时经常提到的一个问题是NO_x排放。作为零碳燃料，H₂是碳氢化合物（HC）燃烧的有吸引力的替代品，但有大量文献表明H₂燃烧产生的NO_x排放量可能显著高于天然气燃烧。

GT排放的测量标准由ISO-11042-1:1996规定，该标准规定了可接受的测量方法、设备以及关键的标准化计算方法。该文档中使用的标准化工具是“干式15%体积O₂”方法（ISO方法），该方法通过去除原始体积排放值中的水（H₂O）成分，并将其稀释至15%的体积氧（O₂浓度来实现标准化[5]。尽管这种方法对于比较碳氢化合物燃料非常有效，但道格拉斯等人[6]指出了该方法在比较碳氢化合物和非碳氢化合物燃料时的局限性，并提出了一种替代的“质量与热输入”技术（MBHI方法）。

H₂与碳氢化合物在燃烧化学上的根本差异意味着ISO排放报告方法并不适用于它们之间的排放比较。在碳氢化合物燃烧过程中，会产生H₂O和二氧化碳（CO₂），而在H₂燃烧产物中则没有CO₂，这导致H₂O在废气中的体积占比更高。此外，H₂燃烧消耗的O₂分子较少，因此在给定运行条件下达到目标15% O₂浓度所需的相对稀释程度更低，从而使得H₂燃烧产生的NO_x浓度比等效的H₂火焰燃烧更低[6]。此外，去除H₂O成分还会因H₂浓度较高而夸大H₂燃烧废气中污染物的含量[6]。

通常，H₂的NO_x减排策略通过稀释来降低燃烧温度，从而减少热NO_x的产生。例如废气再循环（EGR）或蒸汽注入等方法直接增加了废气的稀释量和总体体积流量，这意味着基于体积的ISO标准化方法会受到进一步影响[7],[8],[9],[10]。

ElKady等人探讨了这一问题，并最终推导出针对碳氢化合物燃料的ISO标准化方法修正公式[11]，而Weiland等人则推导出适用于纯N₂稀释火焰的修正公式[12]，但这些方法仍属于特定情况的解决方案。目前文献中缺乏关于不同标准化技术如何影响不同燃料混合物下EGR效果的一般性研究。通过选择不同的标准化技术可能会提供解决问题的通用方法。

道格拉斯等人利用基本平衡化学计量学量化了未处理甲烷-氢气（CH₄–H₂）混合物的排放差异[6]。本文旨在验证他们的发现，并比较ISO方法和MBHI标准化方法在高温入口温度和压力条件下对几何通用模型GT旋流燃烧器实验结果的适用性，以及不同CH₄–H₂混合物对NO_x排放的影响。

本文旨在扩展道格拉斯等人的研究[6]，将其方法应用于NO_x减排燃烧结果。实验量化了ISO和MBHI标准化技术对带EGR燃烧排放的影响，并评估了不同CH₄–H₂混合物（0-100%体积H₂）的排放情况。选择EGR是为了突出ISO方法在报告稀释燃烧排放时的一个根本性问题，因为该方法无法区分NO_x减少是由于真正减少了热NO_x产生还是仅仅是体积稀释所致。本文的工作中量化了这一效应。初步研究表明，在蒸汽注入情况下这一问题不那么明显（因为ISO排放报告要求去除体积中的水分），其结果更接近未处理燃烧的情况。

章节摘录

理论

重要的是，任何排放标准化技术都只是一个后处理步骤，因此不会影响燃烧过程中实际排放的污染物质量。因此，需要考察不同标准化过程对不同燃料可能产生的不等影响。

传统标准化技术在排放报告方面的局限性在燃烧领域逐渐得到广泛认可，英国相关部门也意识到了这一点。

实验配置

实验使用的是卡迪夫大学燃气轮机研究中心（GTRC）的几何通用旋流燃烧器[18]。所使用的系统是一种模块化的旋流稳定燃烧器，是GT的典型模型，广泛应用于罐式环形配置中。该系统安装在一个光学压力壳体内。具体几何结构和设置如图1、图2和图3所示。

燃烧器配置为非预混的共环形流动结构。燃料喷射器位于...

未处理燃烧排放性能

根据第3节所述的方法，未采取任何减排措施的CH₄–H₂混合物的NO_x排放（包括NO和NO₂）被捕获并进行了处理。这些数据经过ISO方法标准化（转换为单位标准化体积的质量），以及MBHI方法处理后显示在图4(a)和(b)中。

显然，随着燃料中H₂比例的增加，NO_x排放也随之增加。这主要是由于Zel'dovich机制描述的热NO_x产生增加所致。

结论

• •
  在非预混的共环形流动燃烧器中，随着H₂比例的增加，NO_x产生量也增加。当以H₂体积分数为基准时，NO_x的增加速率是非线性的；而当以H₂质量分数为基准时，NO_x的增加速率更为线性，这凸显了基于体积定义不同体积能量密度燃料（如CH₄和H₂）混合物时NO_x产生速率的陡增现象。

CRediT作者贡献声明

托马斯·戴维斯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析、概念化。 丹尼尔·普格：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、数据分析、概念化。 萨莉·休莱特：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。 史蒂文·莫里斯：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、数据分析。 菲利普·鲍恩：资金获取。

资金支持

该项目由National Gas Transmission Plc资助，并与卡迪夫大学合作，通过Ofgem的Network Innovation Allowance (NIA)资助机制实施，旨在积累知识并促进天然气消费者和最终用户的能源转型。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我非常感谢丹尼尔·普格博士和萨莉·休莱特博士在撰写本文过程中提供的宝贵指导和反馈，同时感谢史蒂文·莫里斯对最终稿件的校对。我也感谢史蒂文·莫里斯、Burak Goktepe博士和萨莉·休莱特博士为本文收集数据，以及负责资金获取的菲利普·鲍恩教授。

有关本研究的补充数据可通过以下途径获取：