Oxy-steam氣氛下天然氣燃燒特性研究

2020-09-15 02:14:28王城景

工業加熱 2020年7期

王城景

(長江大學石油工程學院，湖北武漢 434023)

傳統富氧燃燒技術是提高助燃氣體中的氧氣濃度，提高燃燒強度和燃燒效率，繼而實現節能降耗的目的，但也要考慮到燃燒溫度過高容易達到燃燒器材料的承受極限，同時已有學者表明，富氧燃燒過程中氮氧化物排放濃度顯著增加[1]。考慮到傳統富氧燃燒存在的一系列問題，Oxy-steam燃燒技術于2007年由加拿大能源技術中心提出[2]，其原理是采用純氧來中和水蒸氣，區別于常規空氣氛圍。與O2/CO2煙氣循環燃燒相比，Oxy-steam燃燒方式優勢體現在：①沒有煙氣循環，從根源上防止高濃度CO2煙氣的泄漏；②水蒸氣調節燃燒溫度，實現較低的NOx排放；③水分子具有高熱輻射系數物理特性[3]，相對于CO2，它的熱輻射效率和對流換熱效果較優。同時，賈令博對富氧燃燒加熱爐系統整體經濟性進行多元線性回歸分析，結論認為最優助燃氣體氧濃度為31%[4]，本文在此基礎上進行進一步研究。目前大多是研究集中于添加水蒸氣對氣體燃料燃燒特性的影響，Le[5]等進行了詳細的化學動力學建模來研究了水蒸氣對天然氣燃燒動力學的影響，分析了水蒸氣存在時燃料氧化反應路徑，結論表明水蒸氣影響了第三體反應效率，同時降低了火焰速度和絕熱溫度，NO排放的減少主要是由于稀釋作用，N2濃度的降低以及熱效應。Seepana S[6]等分析了甲烷在O2/H2O氣氛下燃燒火焰結構，發現甲烷在φ(O2)=36%，φ(H2O)=64%氣氛中燃燒火焰結構類似于傳統空氣氣氛即φ(O2)=21%，φ(N2)=79%，然而國內外有關O2/H2O燃燒技術的研究并不多見，本文利用Fluent軟件對O2/H2O氛圍下天然氣富氧燃燒進行數值模擬，選用渦耗散概念模型，耦合簡化后的甲烷24步氣相反應機理，對燃燒器內的富氧燃燒過程中的溫度分布、關鍵組分分布、火焰長度以及氮氧化物的排放量進行較為準確的模擬，為Oxy-steam技術的工業應用提供一定的技術支持。

1 數值模擬方法

1.1 計算模型

燃燒器內的燃燒流動伴隨劇烈的化學放熱反應，包括組分輸運，傳質傳熱等相互作用，本文確定采用工程應用中使用最為廣泛標準k-ε模型來模擬湍流流動，求解輻射換熱方程選用p-1模型。流體力學基本控制方程[7]形式如下：

(1)

式中：φ為流動物理量；Γφ為有效擴散系數；Sφ為源項；x，r，θ分別為軸向、徑向、周向坐標；u，v，w分別為軸向x、徑向r、周向θ方向上的速度分量。

為了實現富氧燃燒過程中準確的數值模擬，需要將詳細的甲烷燃燒機理與Fluent中燃燒模型進行耦合，目前最為詳細的甲烷燃燒氣相反應機理是GRI-mech 3.0，涉及325步反應，包括53種組分，由于其組分種類繁多，計算耗時長，難收斂，且存在計算“剛性”等問題[8]，因此本文選用的是精確性與可靠性已經得到驗證的簡化后的24步反應機理[9]，將Chemkin格式的機理文件包括反應方程與動力學參數導入Fluent。渦耗散概念模型[10]實現了細致化學反應在湍流流動中的應用，在湍流流動結構中包括詳細的化學反應機理。它假定精細渦中發生著化學反應。化學反應本身需要的時間和小渦存在時間來協同控制反應時間。其中小渦的空間分辨率ξ由式2得到

(2)

式中：Cξ為容積比率常數，Cξ=2.137 7；ν為運動黏度，m2/s。

化學組分假設在式得出的時間內發生化學反應：

(3)

式中：Cτ為時間尺度常數，Cτ=0.408 2。

已有文獻資料證明渦耗散概念模型對于描述燃燒過程及燃燒產物的準確性高于有限速率/渦耗散模型[11]。

1.2 邊界條件和工況設置

燃料和助燃空氣均采用速度入口，天然氣組分簡化成100%甲烷，燃料噴嘴直徑為2 mm，助燃氣體入口是直徑為146 mm的環形入口，燃料以103 m/s的速度經噴嘴射入，助燃氣體以0.15 m/s的速度從噴嘴外環形區域流入，混合形成湍流擴散火焰。燃燒器壁面設為等溫恒定300 K，上邊界采用壓力出口邊界條件。在整個模擬工況過程中，燃料流速保持一定，即參與反應的甲烷的量不變，改變助燃氣體氛圍，工況1助燃氣體為φ(O2)=31%，φ(N2)=69%，工況2，3，4，5助燃氣體中水蒸氣體積分數逐步增加，逐步取代N2，工況6為φ(O2)=31%，φ(H2O)=69%H2O，從而實現Oxy-steam方式下燃燒。

1.3 實體建模

本模擬原本采用三維圓筒形燃燒器，考慮到為軸對稱圖形，且Fluent自帶Axisymmetric的二維替代三維的計算模式，二維網格質量更高，所需要的網格數量相對三維較少，減少了計算量，將模型繞軸線旋轉一圈便得到了圓柱型燃燒區域，如圖1所示，燃燒區域網格的質量直接關系到模擬計算精確程度，利用Gambit軟件對計算域劃分四邊形單元結構網格，11 450共計個網格，11 680個節點。噴嘴附近的氣體流速較快、與助燃氣體接觸混合后反應較激烈，需加密網格，整體計算域從入口到出口，從中心軸線到兩側邊界網格是漸變的。

圖1 燃燒器結構及網格劃分圖

2 模擬結果討論分析

2.1 溫度分布特性

確定富氧濃度為31%的情況下，改變助燃氣體氣氛，其水蒸氣體積分數由0%梯級增加到69%直至完全取代N2。圖2為H2O體積濃度變化情況下溫度等值線圖，為了顯示更加直觀，軸線上側為富氧空氣氣氛下燃燒溫度分布云圖，軸線下側為不同H2O體積濃度下的溫度分布圖，可以明顯看出，溫度分布宏觀特征分布一致，隨著H2O的加入，火焰高溫區形成區域縮短，將溫度比例尺調成一致，可見峰值溫度在下降。產生這一現象的原因在于：

(1)H2O的物理性質與N2不同，H2O(g)的定壓比熱容(1 000 K，0.1 MPa)是N2的1.262倍[12]，反應期間吸收了大量的熱量，導致溫度下降，同樣H2O的熱傳導系數，熱擴散系數均大于N2，物理性質的差異直接影響著燃燒流場。

圖2 不同水蒸氣濃度下溫度對比云圖

(2)H2O活躍的化學性質也影響著該氣氛下的燃燒特性不同于富氧空氣氣氛。其表現在水蒸氣會參與反應發生裂解，使反應基團發生改變，影響了反應路徑；H2O的存在會影響三體反應的反應速率[13]，進而影響反應路徑，最終使得燃燒特性有所改變。

同時可見，在燃料噴嘴附近，流場中心內溫度較低，原因在于燃燒器出口處的甲烷處于初始裂解狀態，還未來得及與助燃氣體中的氧氣發生反應，當裂解后擴散到燃燒器中程后，與氧氣劇烈反應，造成溫度上升梯度較大。

圖3給出了不同H2O體積濃度下燃燒器出口平均溫度，可以看出，燃燒器出口平均溫度隨著H2O體積濃度的增大而逐漸降低，富氧空氣氣氛時為1 137 K，φ(O2)=31%，φ(H2O)=69%時為1 058 K，約降79 K，原因在于參與反應的燃料一定，放出的熱量一定，而添加的水蒸氣逐步取代了N2，水蒸氣的高比熱吸收熱量的能力增強，致使整體燃燒溫度降低，因而出口平均溫度也隨之降低。

圖3 不同水蒸氣濃度下燃燒器出口平均溫度

2.2 組分濃度分布特性

燃燒器中心軸線上甲烷的體積分數的變化代表著燃燒反應的進行，其體積分數變化率可表征燃燒反應速率，如圖4所示，幾種燃燒氣氛下，甲烷消耗速率趨于一致，當噴嘴初射出甲烷，與助燃氣體迅速混合，裂解并開始反應，此時甲烷體積分數下降幅度最大，然后下降速率趨于變緩直至消耗殆盡。當助燃氣體中H2O體積濃度增加時，甲烷消耗速率更快，燃燒所需行程縮短。分析原因在于，H2O參與化學反應，導致OH+H2?H+H2O (R(15))正向反應受到抑制[14]，導致了OH基團的累積，從而加快了燃燒的速率[15]。

圖4 不同水蒸氣濃度下甲烷軸向體積分數

2.3 火焰長度

本文采用CO摩爾分數的軸向分布來表征火焰長度[16]，由圖5可知，隨著助燃氣體中H2O體積濃度的增加，燃燒火焰長度逐漸縮短，分析原因在于水蒸氣的物理特性，高熱傳導系數和熱擴散系數促進了燃氣與反應物間的傳熱，同時活躍的化學性質使原本的反應基團濃度發生改變[17]，二者均促進了燃燒，從而縮短了火焰長度。

圖5 不同水蒸氣濃度下火焰長度

2.4 污染物NOx的排放

湍流富氧燃燒排放的污染物氮氧化物中主要成分為NO[18](所占比例達95%)，因而氮氧化物排放濃度可通過燃燒器出口處NO的濃度來表征。從圖6可以看出，隨著助燃氣體中H2O的體積濃度增大，平均出口處NO質量分數下降較為均勻，H2O體積濃度在0～15%下降幅度最大，隨H2O體積濃度進一步加大，NO下降趨勢愈加趨于平緩，分析原因在于，當初步有水蒸氣加入時，溫度下降趨勢明顯，極大地影響了熱力型NO生成[19]，造成平均出口處NO下降幅度較大。