H2O對合成氣火焰燃燒特性的影響

厲劍梁

(中國華電集團公司，北京 100031)

H2O對合成氣火焰燃燒特性的影響

厲劍梁

(中國華電集團公司，北京 100031)

使用Chemkin軟件對CO/H2合成氣在O2/N2/H2O氣氛下預混火焰的火焰傳播速度和著火延遲時間進行數值模擬。模擬選用GRI-Mech 3.0反應機理。模擬結果表明，H2O的性質尤其是化學性質對燃燒特性有重要影響。在低H2含量時，H2O的化學性質提高火焰傳播速度，降低著火延遲時間。在高H2含量合成氣燃燒中，H2O的化學性質會降低火焰傳播速度以及著火延遲時間。

富氧燃燒，燃燒特性，化學影響

0 前言

Oxy-fuel燃燒技術是如今備受矚目的一種新型燃燒技術[1]，該燃燒技術通過O2代替空氣作為氧化劑與燃料混合燃燒，燃燒產物主要為H2O和CO2，此時出口煙氣中的CO2含量可以達到80%，而高含量的CO2更利于煙氣的分離和凈化。由于燃燒產生的高溫以及能夠減少碳捕集過程中需要分離的成分，Oxy-fuel燃燒技術能夠很好地提高燃燒系統的效率。在Oxy-fuel燃燒技術的基礎上，Anderson[2]等人提出用水蒸氣替代循環煙氣作為稀釋劑參與燃燒，即實現燃料在O2/H2O氣氛下的燃燒。與O2/CO2燃燒技術相比，O2/H2O燃燒技術避免了煙氣循環系統，同時僅通過冷凝出口煙氣就能得到高純度的CO2。此外，O2/H2O燃燒技術還能進一步降低氮氧化物的排放[3]。因此，O2/H2O燃燒技術被認為是新一代的富氧燃燒技術。

但是在O2/H2O氣氛下，H2O替代N2會對燃燒過程產生影響，這些影響不僅是H2O的物理性質(比熱容、擴散系數等)造成的，還來自于H2O的化學特性產生的影響。在燃燒過程中，除了與NOx相關的反應，N2基本不參與其他化學反應，可以被認為是惰性氣體，而H2O由于自身的特點，既可以是生成物，也可以作為反應物。因此，當氧化劑中含有H2O時，燃燒特性需要重新認識。

為了能夠對O2/H2O燃燒的燃燒特性有更進一步的理解，科研人員開展了一系列的實驗和模擬。Park[4]研究了H2O的添加對甲烷在空氣氣氛下燃燒中的火焰結構和NOx排放特性的影響。研究發現添加少量水蒸氣時H2O的化學效應會提升最大火焰溫度，而且會降低CO的排放指數，升高CO2的排放指數。Richards[5]等使用Chemkin軟件比較了O2/CO2和O2/H2O氣氛下的燃燒火焰的停留時間和CO平衡濃度。結果發現CO2氣氛下火焰的停留時間比H2O氣氛下的停留時間長5～7倍，并且CO2氣氛下的CO的平衡濃度更高。Tu[6]等通過FLUENT數值模擬方法探討H2O對煤粉富氧無焰燃燒的影響。研究發現H2O的添加相對于CO2氣氛可以提高火焰溫度，H2O的添加可以導致煤粉發生氣化反應產生大量的H2從而促進煤粉著火，而且H2O可以抑制HCN的轉化，H2的存在會促進NO-Reduction機理的轉化，降低污染物NO的排放。

合成氣是一種清潔能源，其來源廣泛，由煤炭、生物質等熱解或者氣化產生，主要由CO和H2組成。在過去幾十年，許多學者對H2/CO合成氣火焰的燃燒特性的研究產生了極大的興趣。但是目前的研究主要集中在N2氣氛或者CO2氣氛下，對在O2/H2O燃燒氣氛下的CO/H2的燃燒特性的研究較少。在這里，本文研究了O2/H2O燃燒氣氛下CO/H2燃燒的火焰傳播速度，討論H2O對火焰傳播速度的影響。

1 數值模擬方法

本文采用化學動力學分析軟件Chemkin的PREMIX模型。層流預混反應模型是個理想化的模型，火焰為一維穩定火焰，整個燃燒過程是等壓絕熱過程。

在這里，為了研究H2O的化學性質對整個燃燒過程帶來的影響，本文在模擬時虛構了一種組分X，X具有與H2O相同的熱力特性和擴散特性，但是這種虛構的組分不參與任何化學反應，可以認為是一種惰性氣體。

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在本文，計算的合成氣燃料采用H2體積分數分別為10%和50%的合成氣，氧化劑為O2/N2/H2O(X)的混合氣體，各組分的體積比見表1。此外，反應物初始溫度為398 K，壓力為0.101325 MPa(1 atm)。

表1 氧化劑各組分體積比

本文采用GRI-Mech3.0機理[7]，包含53種組分和325步基元反應。該機理適用的反應條件為溫度在1 000～2 500 K，壓力在0.001 333 MPa(10 torr)與1.013 25 MPa(10 atm)之間，當量比在0.1～5的范圍內。該機理是經過優化的詳細化學反應機理，目前被廣泛應用于CH4、H2、CO氣體燃燒模擬中并且在大量的實驗數據中得到很好的驗證。

2 H2O對火焰傳播速度的影響

在H2含量為10%時預混火焰中添加不同比例H2O的層流火焰速度數據如圖1所示。從圖中可以看出，H2O參與化學反應時的火焰傳播速度大于H2O不參加化學反應時的速度，這說明H2O的化學性質促進火焰速度的傳播。另一方面，隨著H2O的添加比例的增加，火焰傳播速度首先增大，當H2O添加比例達到30%時，火焰傳播速度達到最大值，該結果與文獻中獲得的結論相似。H2O比例繼續增大，此時火焰傳播速度開始下降。而當添加的H2O不參加反應，即當稀釋劑為X火焰傳播速度隨著稀釋劑比例升高不斷降低。這說明當H2O的比例為30%時的化學性質的影響最大。

圖1 H2/CO(10∶90)燃料在不同H2O/X比例下火焰傳播速度

在H2含量為50%時預混火焰中添加不同比例H2O的層流火焰速度如圖2所示。可以發現，此時H2O參與化學反應時的火焰傳播速度小于H2O不參加化學反應時的速度，這說明當高H2含量時，H2O的化學性質抑制火焰速度的傳播。這一點與低H2含量時的結果完全相反。而且隨著H2O含量的增加，火焰傳播速度也沒有出現先增大后降低的現象，而是一個單調下降的過程。

圖2 H2/CO(50∶50)燃料在不同H2O(X)比例下火焰傳播速度

3 H2O對著火延遲時間的影響

在實驗中，有很多種方法可以確定著火延遲時間，這些方法由實驗測量過程決定。本文選擇以溫度梯度(dT/dt)的最大值作為判定著火延遲時間的依據。H2含量為10%時預混火焰中添加不同比例H2O的著火延遲時間如圖3所示。

圖3 H2/CO(10∶90)燃料在不同H2O/X比例下的著火延遲時間

從圖3中可以看出，H2O參與化學反應時著火延遲時間更長，這說明H2O的化學性質的影響會使著火延遲時間增加。此外，隨著H2O添加比例的增加，著火延遲時間會增加，這是由于H2O的比熱容大于N2的比熱容，導致火焰溫度隨著H2O的添加而降低，從而延長了著火延遲時間。相比于H2O的添加，虛擬物質X的添加對著火延遲時間的影響相對較小。這是由于此處的變化僅僅來自于H2O的物理性質的影響，這也說明H2O的化學性質對著火延遲時間的影響更大。在H2含量為50%條件下的預混火焰中添加不同比例H2O的著火延遲時間如圖4所示。對比圖3，50%H2時的著火延遲時間縮短，H2的添加有利于燃料的著火。而且圖4中化學性質的影響相比于圖3也更大，這表明H2O的化學性質對著火延遲時間的影響在高H2含量合成氣中更加明顯。

圖4 H2/CO(50∶50)燃料在不同H2O/X比例下的著火延遲時間

4 結束語

本文通過使用水蒸氣替代空氣中N2的方法，研究了H2O的化學性質對兩種不同H2含量的合成氣預混火焰的火焰傳播速度和著火延遲時間的影響，可以得出以下結論。

(1)在低H2含量時，H2O的化學性質促進火焰的傳播。在高H2含量時，H2O的化學性質抑制火焰的傳播。并且隨著H2O的添加，高H2含量合成氣火焰的傳播速度下降速率更快。

(2)在兩種燃燒過程中，H2O的化學性質都會導致燃燒的著火延遲時間變長。H2O的化學性質對著火延遲時間的影響在高H2含量合成氣中更加明顯。

[1]LAI X,Ye Z,XU Z,et al.Carbon capture and sequestration(CCS)technological innovation system in China:Structure,function evaluation and policy implication[J].Energy Policy,2012,50(11):635-646.

[2]ANDERSON R,HUSTAD C,SKUTIEY P,et al.Oxy-fuel Turbo Machinery Development for Energy Intensive Industrial Applications[J].Energy Procedia,2014(63):511-523.

[3]TU Y,LIU H,SU K,et al.Numerical study of H2O addition effects on pulverized coal oxy-MILD combustion[J].Fuel Processing Technology,2015(138):252-262.

[4]PARK J,SANG I K,JJU H Y.Addition Effects of H2and H2O on Flame Structure and Pollutant Emissions in Methane-Air Diffusion Flame[J].Energy & Fuels,2007,21(6):3216-3224.

[5]RICHARDS G A，CASLETON K H，ChORPENING B T.CO2and H2O diluted Oxy-fuel combustion for zero-emission power[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A： Journal of Power and Energy，2005，219(2)： 121-126.

[6]TU Y,LIU H,SU K,et al.Numerical study of H2O addition effects on pulverized coal oxy-MILD combustion[J].Fuel Processing Technology,2015(138):252-262.

[7]SMITH B G P,GOLDEN D M,FRENKLACH M,et al.Gri-Mech 3.0[Z],http:// www.me.berkeley.edu/gri_mech, 2015.

TK 16

B

1674-1951(2017)12-0059-03

2017-11-13；

2017-12-18

(本文責編：齊琳)

厲劍梁(1981—)，男，浙江東陽人，高級工程師，從事大型火力發電廠電廠節能技術，節能項目管理等方面工作(E-mail:jianliang-li@chd.com.cn)。