過量空氣系數(shù)對乙烯燃燒特性及碳煙生成的影響

王 珂

(長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 434023)

近年來，為滿足我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，需要持續(xù)的能源供應。伴隨著化石能源使用所產(chǎn)生的是污染物的大量排放，其中碳煙是造成霧霾、PM2.5有毒顆粒的元兇。如何控制碳煙的排放是當下研究的重點課題，具有現(xiàn)實意義。大量學者就此課題展開了研究。Tan[1]、Andersson[2]通過實驗和模擬驗證的方法，對比研究了CO2對碳煙的抑制作用；鐘北京等[3]研究碳煙機理，得出了碳煙的生長模型；劉暢[4]設計了富氧O2/CO2氛圍影響碳煙生成的數(shù)值模擬，通過單一改變O2濃度設計工況，通過模擬對比，得出控制污染物排放的最佳O2濃度為30%；任昕[5]設計氧化劑氛圍，以O2濃度設為定值，單一改變CO2濃度來設計工況，模擬得出了CO2濃度對污染物生成的影響規(guī)律；郭喆[6]針對二維C2H4/空氣擴散火焰，用詳細的化學反應機理和非灰輻射模型進行了模擬。結(jié)果表明O2濃度會加速碳黑成核，其體積分數(shù)呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。胡多多[7]對甲烷在O2/H2O氛圍的碳煙生成進行了數(shù)值模擬，得出了“加濕燃燒對碳煙的生成具有較好的抑制作用”的結(jié)論。目前針對碳煙排放的研究主要在改變氧化劑的氛圍方面，而針對過量空氣系數(shù)的影響，尤其涉及機理分析的數(shù)值模擬還比較少。本文控制燃料流量不變，通過改變氧化劑的流速設計了過量空氣系數(shù)在0.6～1.4的多種工況，進行了數(shù)值模擬。分析了過量空氣系數(shù)在碳煙生成以及排放上所起到的作用，為碳煙排放的防治提供了一定的參考意見。

1 模型與控制方程的建立

1.1 物理模型的建立

實驗燃燒器為伴流燃燒器，其出口主要由燃料管和氧化劑管組成。燃料從燃料管口流出，氧化劑從兩管組成的同心圓環(huán)中間的區(qū)域流出。兩股氣體同向流動，發(fā)生燃燒反應，形成層流擴散火焰。燃燒器的尺寸見表1所示，其噴口處簡化結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。為了模擬燃燒器出口處的燃燒反應情況，建立了250 mm×100 mm的計算區(qū)域，如圖1(b)所示，接下來進行了網(wǎng)格的劃分，靠近進口和軸線處的區(qū)域是反應的主要區(qū)域，采用加密網(wǎng)格，靠近壁面和出口處反應較為平緩，采用稀疏網(wǎng)格，總共生成網(wǎng)格數(shù)14 650個，網(wǎng)格面29 577個，節(jié)點14 928個，如圖1(c)所示。

表1 燃燒器尺寸 mm

圖1 計算區(qū)域與網(wǎng)格

1.2 選擇控制方程

控制方程式(1)采用流體力學通用形式[8]：

(1)

式中：φ為流動物理量，kg/s；Гφ為有效擴散系數(shù)；Sφ為源項；x，r，θ為軸向、徑向、周向坐標，m；u，v，w為軸向、徑向、周向速度，m/s；ρ為氣體密度，kg/m3。

湍流模型設置為標準k-ε模型，設置P-1輻射換熱模型，打開渦耗散概念模型(EDC)對湍流化學反應進行模擬，預測碳煙(Soot)的生成采用單步Khan and Greeves模型[9]，方程見式(2)，為了分析燃燒的中間基元反應，導入乙烯燃燒23步簡化CHEMKIN化學反應動力學機理[10]計算。

(2)

式中：Ysoot為煙黑質(zhì)量分數(shù)；σsoot為普朗特數(shù)；Rsoot為煙黑生成凈速率，kg/(m2·s)。

2 邊界條件與工況設置

2.1 邊界條件設置

在建模、劃分好網(wǎng)格之后開始定義邊界條件，其邊界名稱、類型以及相關的參數(shù)如表2所示。

表2 邊界條件

2.2 工況設計

本文為研究過量空氣系數(shù)對燃料燃燒碳煙生成的影響，以常用來進行碳煙生成研究的乙烯為燃料，以常規(guī)氛圍的空氣為氧化劑來進行研究。控制乙烯的流量恒定，通過單一調(diào)節(jié)氧化劑流速，使過剩空氣系數(shù)α在0.6～1.4發(fā)生變化，共設計了包含貧氧條件到富氧條件的7組工況，如表3所示。過剩空氣系數(shù)α的定義見式(3)：

(3)

式中：V為每立方米干燃氣實際助燃空氣量，m3/m3；V0為每立方米干燃氣理論空氣需求量，m3/m3。

表3 邊界條件

3 模擬結(jié)果分析

3.1 燃燒火焰溫度分析

對不同過量空氣系數(shù)α的工況進行模擬，溫度云圖的對比如圖2所示。分析圖2可知，α<1時，火焰溫度較低，峰值區(qū)在軸線兩側(cè)，且燃燒溫度云圖各區(qū)域顯示的溫度差異較小，主要集中在1 000～1 500 K。隨著α值的增大，火焰溫度明顯增大且向軸線靠攏，火焰的各區(qū)域溫度差異更清晰，出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)。由此可判斷，當過量空氣系數(shù)較低時，燃料燃燒反應程度較為平緩，甚至接近“無焰燃燒”；但過量空氣系數(shù)較大時，燃料燃燒反應劇烈，說明過量空氣系數(shù)對燃燒反應的劇烈程度和燃燒溫度有較大的影響。加大過量空氣系數(shù)會促進燃料的充分燃燒，提高燃燒溫度。

圖2 溫度分布云圖對比

3.2 燃燒速率分析

對各工況下軸線上C2H4的濃度變化進行了對比和分析，圖3中可以體現(xiàn)出當α<1時，出口處C2H4濃度不為0，說明有部分C2H4不充分燃燒，從出口處流出。而隨著α值的增大，C2H4濃度沿軸線下降的速度變快，并且迅速降至0，說明燃料完全參與了反應，在計算區(qū)域的出口處沒有剩余。表明當過量空氣系數(shù)變大時，C2H4的燃燒速率會加快，說明其對C2H4的充分燃燒具有促進作用。

圖3 C2H4濃度軸線分布

3.3 污染物碳煙(Soot)生成分析

碳煙分布的對比云圖如圖4所示，將碳煙生成的主要區(qū)域(Z=0.01～0.15 m)取截面體積分數(shù)進行比較，結(jié)果如圖5所示。可以看出：①碳煙的峰值在軸線的兩側(cè)靠近燃料與氧化劑的交界面產(chǎn)生，當過量空氣系數(shù)變大時，碳煙生成的區(qū)域趨于集中，且峰值先增大后減小；②碳煙濃度峰值的極大值出現(xiàn)在α=0.8附近，且峰值位置先遠離入口后又向入口靠近；③α<1時，出口處碳煙有較大濃度，在α≥1時，濃度很小。說明過量空氣系數(shù)會影響碳煙的產(chǎn)生。

圖4 碳煙濃度云圖對比

圖5 截面碳煙濃度對比

碳煙的生成是碳煙聚集和氧化的過程，其中聚集過程和PAHS(多環(huán)芳烴)的濃度有關，H自由基在多環(huán)芳烴的形成過程之中起到反應的鏈接作用[11]；而在碳煙的氧化作用中則由氧化性強的OH自由基與O2濃度影響[12]。為綜合分析碳煙的形成與氧化過程，需要同時分析H、OH自由基濃度。本文對不同工況下H、OH自由基團的軸向濃度分布進行了對比分析，如圖6所示。由圖6可以看出，當α值變大時，H、OH自由基的濃度在軸線各段均增加。說明過量空氣系數(shù)通過影響H、OH自由基的濃度進而對碳煙的生成產(chǎn)生影響，H、OH自由基的濃度的增加同時促進了碳煙的形成與氧化反應的發(fā)生，兩種作用相互耦合，最終反應為碳煙生成濃度的變化情況。為研究不同工況下的碳煙排放的差異，本文對出口處碳煙的平均濃度進行對比。從碳煙排放量的角度著眼并進行剖析，如圖7所示。不難看出過量空氣系數(shù)增大會導致碳煙排放量的下降，但在不同的區(qū)間下降幅度有所區(qū)別。在α<0.9區(qū)間下降幅度大，在α=0.9～1.4下降幅度小，在α=0.9附近時達到拐點。因此工業(yè)上可以通過控制過量空氣系數(shù)α≥0.9來抑制碳煙的生成。α值越高，燃燒越充分，碳煙生成濃度越小，排放量越少。

圖6 H、OH自由基濃度變化

圖7 碳煙排放濃度變化

4 結(jié) 論

本文充分調(diào)研了國內(nèi)外文獻，基于FLUENT數(shù)值模擬，采用簡化CHEMKIN化學反應動力學機理對乙烯在空氣氛圍下、過量空氣系數(shù)為0.6～1.4的不同工況下的燃燒火焰及碳煙的生成進行了模擬。分析對比了燃燒火焰溫度分布情況、燃料軸向濃度變化規(guī)律、碳煙生成狀況、自由基團濃度變化等相關燃料燃燒特性。從機理的角度重點研究了在碳煙生成過程中，過量空氣系數(shù)的作用以及其原理，得出了以下幾點結(jié)論：

(1)過量空氣系數(shù)增加時，燃料燃燒的溫度會上升，燃燒速率會加快；α<1時，燃料的燃燒不充分，燃燒溫度低，近似于“無焰燃燒”，高溫區(qū)在燃燒軸線兩側(cè)；α≥1時燃料能完全燃燒，高溫區(qū)集中，峰值在燃燒軸線上。

(2)過量空氣系數(shù)α值增加時，H、OH自由基濃度會增加，從而同時促進碳煙的聚集與氧化反應，耦合作用下碳煙的生成濃度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，并且在α=0.8附近時達到最大值。

(3)過量空氣系數(shù)增加會導致碳煙排放量下降，在α=0.6～0.9期間濃度高、下降幅度大，在α=0.9～1.4期間濃度低、下降幅度小，在α=0.9時出現(xiàn)拐點。由此可得出，控制碳煙的排放要求過量空氣系數(shù)不得小于0.9。