反應(yīng)機(jī)理對CFD計算燃?xì)廨啓C(jī)高壓燃燒NO排放的影響

席中亞， 付忠廣

(華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心， 北京 102206)

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒產(chǎn)生的污染物主要為NOx(其中NO通常占95%以上)，對于日趨嚴(yán)格的環(huán)保規(guī)定，降低NO排放迫在眉睫。貧預(yù)混燃燒方法[1]因較低的燃燒溫度而在降低NO方面獲得了廣泛應(yīng)用，該方法先將燃料與過量空氣預(yù)混形成貧態(tài)可燃物，再進(jìn)入燃燒室燃燒，從而獲得較低的燃燒溫度，因此熱力型NO[2]的生成較少。同時在燃燒器設(shè)計方面，由于燃燒所產(chǎn)生的回流區(qū)在穩(wěn)定火焰和增強(qiáng)新鮮未燃物與高溫?zé)煔獾幕旌仙掀鸬街匾饔肹3]，旋流燃燒器得到了廣泛使用。

為了提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室須在高溫高壓的工況下運行，當(dāng)前F級重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗貫? 430 ℃，壓氣機(jī)壓比達(dá)到17～30[4]。但由于測量手段的限制，在高壓工況下對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行實驗研究受到了阻礙[5]，且研究所需成本高、周期長。計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值預(yù)測以較低的成本和較短的時間，為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒特性及污染物排放的研究提供了有效的手段[6]。

Lu等[7]指出了化學(xué)機(jī)理對反應(yīng)模擬研究的重要性，不合適或不充分的反應(yīng)機(jī)理會產(chǎn)生不準(zhǔn)確甚至錯誤的結(jié)果，過于復(fù)雜的機(jī)理不利于計算機(jī)求解，過于簡單的機(jī)理會使計算失去準(zhǔn)確性。GRI3.0機(jī)理[8]由美國伯克利大學(xué)的Smith等提出，其包含53種組分及325步反應(yīng)，該機(jī)理被普遍認(rèn)為是甲烷燃燒計算的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)理，其中考慮了壓力對化學(xué)反應(yīng)的影響，計算量相對較大。為了節(jié)省計算成本，Karalus等[9]對GRI3.0機(jī)理進(jìn)行簡化，發(fā)展了骨架機(jī)理Skeletal mech，旨在用于預(yù)測燃?xì)廨啓C(jī)在高壓及貧預(yù)混工況下甲烷燃燒所產(chǎn)生的NOx，該機(jī)理包含30種組分及177步反應(yīng)，其中甲烷氧化反應(yīng)含有22個組分和122步反應(yīng)，其余的8個組分和55步反應(yīng)用于描述NOx的形成，考慮了壓力對化學(xué)反應(yīng)的影響。同時，Novosselov等[10]提出了8步反應(yīng)機(jī)理8-steps mech，同樣是為了預(yù)測燃?xì)廨啓C(jī)在高壓及貧預(yù)混工況下甲烷燃燒所生成的NO，該機(jī)理包括7種組分和8步化學(xué)反應(yīng)，其中有3步為甲烷燃燒的總包反應(yīng)，另外5步為各種途徑的NO生成反應(yīng)，壓力對化學(xué)反應(yīng)的影響通過將壓力引入化學(xué)反應(yīng)速率計算公式而實現(xiàn)。

近年來，一些學(xué)者[11-12]提出并證實了新的快速型NO的生成反應(yīng)，他們以新的反應(yīng)CH+N2=NCN+H取代了原先著名的由Fenimore[13]提出的反應(yīng)CH+N2=HCN+N，新反應(yīng)的快速型NO子機(jī)理取得了發(fā)展[14-16]。其中，Lamoureux等[16]提出的修正機(jī)理GRI3.0_modify，將原先GRI3.0的快速型子機(jī)理中的反應(yīng)CH+N2=HCN+N和CH+N2(+M)=HCNN(+M)替換成CH+N2=NCN+H，同時添加了NCN的消耗反應(yīng)：

NCN+H=HCN+N

(1)

NCN+O=CN+NO

(2)

NCN+OH=HCN+NO

(3)

NCN+O2=NO+NCO

(4)

Pillier等[17]通過Chemkin軟件計算及實驗得出，由Lamoureux等提出的修正機(jī)理GRI3.0_modify能在高壓下預(yù)測NO的形成。然而Chemkin反應(yīng)器并不能像CFD一樣揭示NO的形成地點及過程。CFD中的渦耗散概念模型(EDC)適用于詳細(xì)化學(xué)機(jī)理的計算，F(xiàn)ukumoto等[18]指出EDC模型能夠準(zhǔn)確模擬燃燒的火焰結(jié)構(gòu)。

筆者結(jié)合已提出的4個高壓燃燒機(jī)理，采用CFD對美國國家能源技術(shù)實驗室NETL的SimVal燃?xì)廨啓C(jī)燃燒實驗臺的高壓燃燒實驗[19]進(jìn)行數(shù)值模擬，計算NO排放。通過分析溫度場、NO生成率分布和NO摩爾分?jǐn)?shù)分布，揭示NO形成地點及過程；將出口NO體積分?jǐn)?shù)的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，揭示每個機(jī)理的計算效果和準(zhǔn)確性，為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在實際高壓工況下運行的NO排放預(yù)測提供參考。

1 計算對象及數(shù)值模型

1.1 計算對象

以NETL的SimVal燃?xì)廨啓C(jī)高壓燃燒實驗臺[19]為研究對象，該實驗臺如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)為預(yù)混段、噴嘴、燃燒室和乏氣段，空氣和燃料在圓環(huán)形的預(yù)混段內(nèi)充分混合，經(jīng)過旋流器后在噴嘴內(nèi)形成旋流可燃物后進(jìn)入圓柱形燃燒室燃燒，經(jīng)末尾帶有卡口的圓柱形乏氣段流出，在乏氣段出口處測量NO的生成量。

圖1 NETL-SimVal燃?xì)廨啓C(jī)高壓燃燒實驗臺

1.2 數(shù)值模型

采用Fluent數(shù)值計算軟件，CFD幾何模型為二維軸對稱模型，如圖2所示。網(wǎng)格單元均為四邊形，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)為9 500，由于過密未在圖2中顯示。

圖2 CFD幾何模型

入口設(shè)置在燃燒室入口表面上游5 cm處，旋流采用邊界條件的設(shè)置取代旋流器，旋流角為56°，來源于Strakey等[20]的實驗結(jié)果。CFD計算燃料為甲烷，當(dāng)量比為0.55，燃燒室絕對壓力為0.62 MPa，入口邊界條件為質(zhì)量流量入口，溫度為550 K，質(zhì)量流量為0.385 kg/s，出口邊界條件為壓力出口。壁面采用絕熱邊界近似處理，與實際散熱的誤差在合理范圍內(nèi)。軸線為整個圓柱形區(qū)域的中心軸。2D模型選為軸對稱旋流模型，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，混合物的密度設(shè)置為理想氣體模型，湍流化學(xué)相互作用模型為渦耗散概念模型，反應(yīng)機(jī)理分別為上文所提及的GRI3.0、Skeletal mech、8-steps mech和GRI3.0_modify。壓力速度耦合采用Simple算法，物理量空間離散采用二階迎風(fēng)，以保證精度。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 流場

各反應(yīng)機(jī)理的流場相似，旋流流場如圖3所示。圖3中，流場發(fā)生渦破碎形成內(nèi)部回流區(qū)(Inner Recirculation Zone, IRZ)，具體過程為：由于離心力的作用，旋流產(chǎn)生徑向壓力梯度；切向速度沿軸向膨脹并衰減，因此在軸線附近形成負(fù)的軸向壓力梯度，從而引起反向流，形成內(nèi)部回流區(qū)，即云圖中軸向速度小于0的區(qū)域。同時，由于噴嘴出口界面的突擴(kuò)作用，在邊角處形成外部回流區(qū)(Outer Recirculation Zone, ORZ)。回流區(qū)的形成在穩(wěn)定火焰、增強(qiáng)新鮮可燃物和高溫?zé)煔獾幕旌戏矫嫫鸬搅酥匾饔谩?/p>

圖3 旋流流場

2.2 溫度場

各反應(yīng)機(jī)理的溫度場如圖4所示，其中4個反應(yīng)機(jī)理的溫度分布相似。從圖4可以看出，高溫區(qū)域均位于外部回流區(qū)和中心體處的微小區(qū)域，高溫區(qū)域溫度水平在1 812～1 842 K。反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech和其修正機(jī)理GRI3.0_modify的溫度場基本一致，三者計算域平均溫度分別為1 715 K、1 722 K和1 715 K，可見GRI3.0的平均溫度水平相對于Skeletal mech稍低，與GRI3.0_modify相同；而8-steps mech的高溫區(qū)域形狀則與其他機(jī)理存在差別，其計算域平均溫度為1 743 K，明顯高于其他3個反應(yīng)機(jī)理，同時可推測其火焰長度明顯更短。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

圖4 溫度場

Fig.4 Temperature fields

2.3 NO生成率分布

各反應(yīng)機(jī)理的NO生成率分布如圖5所示。從圖5可以看出，各反應(yīng)機(jī)理對應(yīng)的高NO生成率均出現(xiàn)在火焰表面，說明4個反應(yīng)機(jī)理的NO形成地點均主要在火焰表面。外部回流區(qū)高溫區(qū)域的NO生成率比火焰表面低得多，而火焰表面的溫度則明顯低于該區(qū)域，說明火焰表面由溫度引起的NO生成率(即熱力型NO)極低。火焰溫度均在1 800 K及以下，熱力型NO的形成很少[21]。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

圖5 NO生成率分布

Fig.5 Distribution of NO production rate

NO的生成途徑主要有熱力型、快速型、N2O型、NNH型和燃料型等。由于本文的燃料甲烷沒有N元素，故沒有燃料型NO的生成，熱力型NO的生成也很少，故4個反應(yīng)機(jī)理的NO來源主要為快速型、N2O型和NNH型。這與Fackler等[22]的研究結(jié)論一致。

反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech的NO生成率分布基本一致，說明Skeletal mech很好地預(yù)測了GRI3.0的NO生成。而修正機(jī)理GRI3.0_modify在相同位置的快速型NO生成率比GRI3.0和Skeletal mech明顯要高。8-steps mech在相同位置的NO生成率則明顯低于其他反應(yīng)機(jī)理。

2.4 NO摩爾分?jǐn)?shù)分布

各反應(yīng)機(jī)理的NO摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖6所示。從圖6可以看出，4個反應(yīng)機(jī)理高摩爾分?jǐn)?shù)NO的區(qū)域相同，都位于火焰表面及高溫區(qū)域(外部回流區(qū)和中心體處的微小區(qū)域)，NO的形成過程為：燃料進(jìn)入燃燒室燃燒，在火焰表面形成了高摩爾分?jǐn)?shù)的NO，然后回流至高溫區(qū)域，在高溫區(qū)域的回流過程中，NO的摩爾分?jǐn)?shù)得到了少量增加，約在0.4×10-6以內(nèi)，可見絕大部分的NO來源于火焰表面，這與上述對NO生成率的分析結(jié)論一致。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

圖6 NO摩爾分?jǐn)?shù)分布

Fig.6 Distribution of NO mole fraction

反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與Skeletal mech的NO摩爾分?jǐn)?shù)分布基本一致，Skeletal mech很好地再現(xiàn)了GRI3.0的NO摩爾分?jǐn)?shù)分布；而GRI3.0_modify在相同位置的NO摩爾分?jǐn)?shù)比GRI3.0和Skeletal mech明顯要高；8-steps mech在相同位置的NO摩爾分?jǐn)?shù)明顯低于其他反應(yīng)機(jī)理，分布結(jié)果均與NO生成率分布一致。

2.5 出口NO體積分?jǐn)?shù)的計算值與實驗值比較

將CFD計算得到的出口NO體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成干基及15%O2體積分?jǐn)?shù)下的值，以對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)。得到的反應(yīng)機(jī)理出口NO體積分?jǐn)?shù)的計算值與實驗值[19]如表1所示。

表1 出口NO體積分?jǐn)?shù)計算值與實驗值的對比

考慮到實驗存在的不確定性及計算采用甲烷代替實驗用的天然氣等因素，GRI3.0及其簡化機(jī)理Skeletal mech和修正機(jī)理GRI3.0_modify均對出口NO體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測，這3個反應(yīng)機(jī)理的計算值與實驗值較接近，分別相差25%、26%和16%；GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech的計算值基本一致，Skeletal mech在更少的計算時間(GRI3.0的一半)內(nèi)很好地再現(xiàn)了GRI3.0對NO排放的預(yù)測，這與對NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布的分析結(jié)論一致；而GRI3.0_modify的出口NO體積分?jǐn)?shù)則高于GRI3.0和Skeletal mech的計算值，這同樣與NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布的分析結(jié)論一致，并且GRI3.0_modify的計算值更接近實驗值，在相同的計算時間內(nèi)，GRI3.0_modify通過改變原機(jī)理中的快速型NO子機(jī)理而提高了預(yù)測NO排放的準(zhǔn)確度，計算值增加了0.23×10-6，準(zhǔn)確度提高了9%。而8-steps mech的計算結(jié)果則與實驗值偏差較大，相差約50%。

3 結(jié) 論

(1) 反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech和修正機(jī)理GRI3.0_modify的溫度場基本一致；而8-steps mech 的計算域平均溫度明顯高于其他反應(yīng)機(jī)理，同時其火焰長度明顯更短。4個反應(yīng)機(jī)理的NO生成地點主要在火焰表面；熱力型NO生成很少，NO來源主要為快速型、N2O型及NNH型。

(2) GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布基本一致，Skeletal mech很好地預(yù)測了GRI3.0的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布；而GRI3.0_modify在相同位置的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)比GRI3.0和Skeletal mech明顯要高；8-steps mech在相同位置的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)則明顯低于其他反應(yīng)機(jī)理。

(3) GRI3.0及其簡化機(jī)理Skeletal mech和修正機(jī)理GRI3.0_modify均對出口NO體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測，這3個反應(yīng)機(jī)理的計算值與實驗值較接近，分別相差25%、26%和16%；而Skeletal mech在更少的計算時間內(nèi)再現(xiàn)了GRI3.0對NO排放的預(yù)測；與GRI3.0相比，在相同的計算時間內(nèi)GRI3.0_modify提高了預(yù)測NO排放的準(zhǔn)確度，計算值增加了0.23×10-6，準(zhǔn)確度提高了9%；8-steps mech的計算結(jié)果與實驗值偏差較大，相差約50%。

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