低熱值燃料燃燒室等離子點火特性

鄭洪濤， 張志浩， 劉瀟， 李智明， 楊家龍

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

進入21世紀以來，隨著我國經濟的快速發展，能源問題和環境問題越來越受到人們的關注，全球各國積極研究節能減排新技術。目前，我國有大量的高爐煤氣被鋼鐵企業浪費掉，高爐煤氣是高爐煉鐵過程中產生的伴生氣，是典型的低熱值燃料氣。隨著人們節能減排意識的不斷加強，低熱值燃料燃燒技術獲得了極大的關注。低熱值燃料常見的有高爐煤氣、煉油伴生氣、瓦斯氣[1]。由于熱值低，火焰傳播速度低，使得低熱值氣具有燃燒溫度低，點火困難，燃燒穩定性差的特點[2-3]。鋼鐵企業一般會采用燃機聯合循環發電的方式燃用低熱值氣來提高能源利用率，通常情況下，在燃用低熱值氣的同時還需摻燒部分高熱值的甲烷，或使用輕質柴油點火并作為值班火焰來穩定燃燒。這些方法以消耗一定的高品質能源為代價來穩定燃燒，其附屬的燃料及控制系統龐大復雜[4]，因此亟需尋找更經濟有效的方法解決低熱值燃料在燃機中的燃燒問題。

等離子體技術最先應用于航空發動機點火[5-6]，之后被應用至燃燒領域。Bellenoue等[7]通過實驗的手段比較了火花塞放電和脈沖電暈放電作用于甲烷空氣混合物的點火性能。Lance等[8]的研究表明，2 kW的直流電弧能產生高達5 000 K且富含等離子體的射流。李智明等[9]一直從事等離子點火系統實際應用的研究工作。除此之外各國專家學者還實驗及模擬的方法研究了當量比、來流速度、來流壓力、點火位置、點火能量、點火持續時間、電極直徑等參數對點火性能的影響[10-18]。

本文以某型100 kW微型燃氣輪機燃燒室為模型，采用數值模擬的方法探究了該燃燒室的最優點火位置和最佳點火工況，分析了O等離子體添加對該型燃燒室燃用低熱值氣的點火時間、點火功率、點火延遲等方面的影響，并模擬該燃燒室燃用低熱值氣體時的點火及火焰傳播過程。

1 燃燒室幾何模型及邊界條件

1.1 燃燒室模型簡化方案

本文選取的燃燒室模型是某型100 kW燃氣輪機燃燒室，由于該燃燒室結構比較復雜，而本文要點火動態過程，為了減小不必要的計算量，需要簡化計算模型：移除火焰筒外機匣結構且舍去主燃孔后對主燃區影響較小的火焰筒尾部結構。為保證簡化模型的各個進氣孔進氣量與原型燃燒室一致，本文對該燃燒室進行了流量監測，本文對燃燒室進氣孔依次標記為1～9，圖1為燃燒室不同進氣孔的流量分配。數值模擬所檢測的各部分空氣流量如圖1所示。以進氣孔進氣流量作為簡化模型后流體域的邊界條件進行計算，簡化后的燃燒室頭部結構如圖2所示。采用Realizablek-ε湍流模型，EDC燃燒模型對比原燃燒室和簡化后的燃燒室頭部流場，如圖3可知流場基本不變，說明該結構簡化方式可行。

圖1 燃燒室各空氣進口及空氣量分配Fig.1 Air inlet and air volume distribution in the combustor

圖2 原燃燒室及簡化后燃燒室頭部結構Fig.2 Combustor and the head structure of combustor which is simplified

圖3 燃燒室簡化前后溫度對比Fig.3 Comparison of temperature before and after simplification

.2 邊界條件

以簡化后的燃燒室頭部為計算模型，使用Realizablek-ε湍流模型，EDC燃燒模型，采用簡化的甲烷19步反應機理對低熱值氣的燃燒工況進行計算。進口空氣流量0.98 kg/s，空氣溫度400 K，空氣壓強0.313 06 MPa；低熱值氣流量0.12 kg/s，低熱值氣溫度400 K。表1為燃用的高爐煤氣的組分構成。

表1 高爐煤氣組分含量Table1 The component of blast furnace gas

1.3 湍流模型、燃燒模型及反應機理

1.3.1 湍流模型

Fluent中提供很多湍流模型，其中RANS模型包括：單方程模型、雙方程模型、雷諾應力模型等。其中，雙方程模型又包括：標準k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型。

相對于標準k-ε模型和RNGk-ε模型，Realizablek-ε模型在湍流粘度計算公式和ε方程2方面進行了改進，能夠更好地在強流線彎曲、旋流和旋轉流動方面模擬出結果。因此，本文選擇Realizablek-ε湍流模型。

Realizablek-ε模型的方程如下：

Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

1.3.2 燃燒模型

EDC模型考慮了化學反應動力學細節，EDC模型是在ED模型的基礎上改進得到的，不僅能夠模擬不同燃料燃燒，同時也能模擬燃燒室內的點火、熄火等現象。

該模型假定化學反應發生在很小的湍流結構中，這種湍流結構被稱為良好尺度ε*，在良好尺度內化學反應發生所需時間為τ*定義為：

式中速率常數遵循Arrhenius定律，即：kf,r=ArTβre-Er/RT,kb,r=kf,r/Kr。那么在每一個化學反應中化學反應凈生成速率為：

R′i,r=Γ(v″i,r-v′i,r)ωi,r=Γ(v″i,r-v′i,r)·

(3)

1.3.3 反應機理

本文根據高爐煤氣化學反應中主要組分生成率和消耗率敏感性系數，在改進后的GRI3.0化學反應機理基礎上去除多余反應，得出簡化反應機理。本文將簡化后的機理與Davis、Ranzi反應機理進行對比(如圖4)。由圖4可知，簡化后的機理能準備模擬燃燒溫度、層流火焰傳播速度及主要組分含量，因此可以使用簡化的19步反應機理來計算低熱值氣體的點火過程，提高計算效率。

圖4 各種機理燃燒參數對比Fig.4 Different mechanism combustion parameter comparison

2 計算分析及結果

2.1 計算方法驗證

為了能準確模擬出活性粒子對燃燒室點火性能的影響以及燃燒室點火的過程，本小節對某燃燒室流場進行了數值模擬[19]，以驗證計算模型的正確性，然后進行低熱值氣體的點火計算。

圖5給出計算結果與實驗值對比結果，計算結果與實驗值吻合良好。

圖5 不同工況下燃燒室出口溫度徑向分布對比Fig.5 Comparison of radial distribution of combustion chamber outlet temperature

2.2 點火位置的確定

根據速度流線圖選取一系列的點火位置。根據實驗測量結果，選擇火核半徑為10 mm。Marchione等[15]研究發現點火位置在負速度區時，成功率最高，故對點火位置進行選擇(見圖6)：P1(Z=131 mm，Y=95 mm)；P2(Z=93 mm，Y=97 mm)；P3(Z=46 mm，Y=33 mm)；P4(Z=44 mm，Y=23 mm)；P5(Z=50 mm，Y=25 mm)。最終只有P5點火成功。

圖6 燃燒室頭部冷態速度場Fig.6 Cold state field of combustor head

3 點火過程分析

3.1 邊界條件

由于燃用的高爐煤氣中含有的氫燃料較少，故經過點火器電離出的活性粒子主要為O，故本節將研究O對燃燒室點火性能的影響。表2統計了不同點火功率、持續時間、點火能量和活性粒子濃度的點火情況。

表2 點火能量數據統計Table 2 Ignition energy data statistics

本文選擇火核半徑為r=10 mm，點火能量最小設為1 kW，點火持續時間最短為t=10 ms，在火核區域添加活性粒子來模擬等離子體的點火效果。

表2表明最佳點火為CaseU。具體分析如下：CaseT無活性粒子添加，點火失敗；在CaseT的基礎上，增加點火功率至2 kW并且保持點火持續時間不變，點火依然失敗；繼續增加點火功率至8 kW時，才能點火成功。因此在不添加活性粒子的前提下，當點火持續時間為20 ms時，其臨界點火功率為8 kW。CaseAE點火失敗則證明當點火持續時間為10 ms時，臨界點火功率為10 kW；同時點火功率8 kW所對應的臨界點火持續時間為20 ms。

但是在現有條件下，想要達到如此高的點火功率是不現實的。由數值模擬的結果可以看出當添加活性粒子O后，點火成功所需要的功率和能量都明顯減小，同時隨著等離子體濃度越高，點火性能逐漸變好，當活性粒子O的濃度達到4%時，只需要1 kW左右的等離子點火功率就能夠成功將低熱值氣體點燃，較同等條件下的常規點火功率降低了90%左右。

綜上所述，可以得到4點結論：1)當功率大于臨界點火功率時，可以通過增加持續時間使點火成功；2)達到臨界點火持續時間時，又可提高功率，增加點火溫度，使點火成功；3)通過在燃燒室中添加等離子體可以一定程度減小臨界點火功率和臨界點火持續時間，且隨著活性粒子濃度的增加，降低程度有所提升；4)當活性粒子O的濃度達到4%時，只需要1 kW左右的等離子點火功率就能夠成功將低熱值氣體點燃，較同等條件下的常規點火功率降低了90%左右。

3.2 點火過程

等離子體點火器從接通電源開始到點燃燃燒室，一般經歷等離子發生器放電擊穿空氣、初始火核點燃混合氣、火焰鋒面傳播到燃燒室中心回流區3個過程。本節基于CaseU研究100 kW燃燒室的動態點火過程。

圖7給出CaseU點火及火焰傳播過程，圖8給出了整個燃燒場內Z=125 mm截面上平均溫度、H2和CO化學反應速率隨時間的變化關系，其中t=8 ms時開始點火。

圖7 CaseU工況下Z=80 mm、Z=100 mm、Z=125 mm截面溫度場的變化Fig.7 Variation of temperature field of Z=80 mm, Z=100 mm, Z=125 mm in CaseU

圖8 平均溫度、CO化學反應速率、H2化學反應速率隨時間的變化關系Fig.8 Average temperature, chemical reaction rate of CO and H2 as a function of time

1)t=8 ms開始點火后，此時能量比較大，燃燒室局部溫度較高，CO、H2反應速率急劇增加，但只出現了一個小高峰；

2)t=30 ms時，由于火核隨著回流區的發展，在Z=100 mm截面處大約有1/5的區域被點燃；

3)t=50 ms時，火焰傳播至燃燒室中心位置處；

4)t=70 ms時，燃燒室中心回流區形成穩定的火焰，并且燃燒面積還在不斷地增大；

5)t=100 ms時，火焰逐漸向燃燒室的另一側傳播；

6)t=120 ms時，整個火焰已經封閉；

7)t=150 ms后，燃燒室溫度分布呈對稱狀態，燃燒室被完全點燃。

為了研究不同點火功率下活性粒子對燃燒室動態點火性能的影響，本文又進行了4種工況的數值模擬研究，工況條件如表3所示。

表3 點火能量統計數據Table 3 Ignition energy statistics

圖9(1)給出了CaseAG點火失敗時的中截面溫度場變化關系。一共進行了4次點火，但都只能使點火位置的溫度短暫的提高，溫度很快耗散，無法點燃低熱值氣；當活性粒子一定時，增大點火功率可以縮短點火延遲時間，更快的完成點火能量的累積(對比CaseAJ和CaseAH可發現點火延遲時間縮短了50 ms左右)；而當點火功率和點火能量不變時，添加活性粒子可以加快反應進程，縮短點火延遲時間(對比CaseAJ和CaseAI可發現點火延遲時間縮短了20 ms左右)。

圖9 CaseAG、CaseAH、CaseAI、CaseAJ燃燒室中截面處溫度場的變化情況Fig.9 Field sectional change of the temperature in the combustor at CaseAG, CaseAH, CaseAI, CaseAJ

圖10中是CaseAH、CaseAG和CaseAI 3組成功點火的最大溫度和可燃組分化學反應速率隨時間變化的曲線圖。CaseAH的點火功率較低，最大溫度的峰值較低。功率提高和等離子體的添加都可以縮短點火延遲時間，但是整體趨勢沒有改變。

圖10 最高溫度、CO化學反應速率、H2化學反應速率隨時間的變化關系Fig.10 Maximum temperature, chemical reaction rate of CO and H2 as a function of time

4 結論

1)點火位置需位于負速度區且有足夠濃度的可燃氣才能夠點火成功，通過數值模擬確定最佳點火位置為Z=50 mm，Y=25 mm附近。

2)通過在燃燒室中添加活性粒子可以一定程度的減小臨界點火功率和臨界點火持續時間，且隨著活性粒子濃度的增加，降低程度有所提升；當活性粒子O的濃度達到4%時，只需要1 kW左右的等離子點火功率就能夠成功將低熱值氣體點燃，較同等條件下的常規點火功率降低了90%左右。

3)當等離子體濃度一定時，增大點火功率可以縮短點火延遲時間。對比CaseAJ和CaseAH可發現點火延遲時間縮短了50 ms左右；而當點火功率和點火能量不變時，添加活性粒子可以加快應，點火延遲時間因此縮短，對比CaseAJ和CaseAI可發現點火延遲時間縮短了20 ms左右。