不同加濕模式下甲烷湍流燃燒特性數值模擬

王城景, 齊立典, 辛 玥, 王 珂, 張引弟,3*

(1.長江大學石油工程學院, 武漢 430100； 2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司工程建設管理部, 東營 257000；3.加拿大國家研究院測量科學與標準研究中心, 渥太華 KIAOR6, 加拿大)

近年來,燃煤工業鍋爐逐步被燃氣鍋爐取代,為了進一步滿足日趨嚴格的大氣污染物排放標準,多種形式減排技術手段受到推廣應用[1-2]。作為實現低氮燃燒之一的加濕燃燒技術受到廣泛研究,認為在燃燒過程中添加水蒸氣是一種有效的方法,其中在燃氣輪機濕空氣透平循環中已經實現降低NOx排放的效果,但在燃氣工業鍋爐上應用研究并不多見,加濕燃燒技術也是煙氣再循環技術的延伸,因為燃燒尾氣中通常含有大量水蒸氣。因此,研究H2O對甲烷燃燒特性及污染物排放的影響對于加濕燃燒技術在工業燃氣鍋爐上的推廣應用以及對于水合物的開發利用具有實際意義。

國內外眾多學者利用實驗或者數值模擬手段分析和探究水蒸氣對于氣體燃料燃燒的影響。Padilla等[3]通過實驗測量水蒸氣稀釋的非預混甲烷與空氣對沖火焰中的組分結構分布,結果表明水的化學作用將改變OH,H和O自由基的產生和消耗,OH強度和反應區厚度隨水的增加而降低,水主要是通過熱效應來降低火焰溫度直至熄滅。賀元驊等[4]探究低壓細水霧添加氯化鉀對抑滅性能的影響,在密閉空間內開展了含不同濃度氯化鉀的低壓細水霧對正庚烷池火的抑滅實驗。結果表明:添加劑可有效縮短低壓細水霧滅火時間,顯著強化低壓細水霧的抑滅性能。Zhao等[5]研究了氧化劑側加濕工況下燃燒過程中的產物OH基對NOx生成的影響,結果顯示空氣加濕致使OH基的濃度降低,因而整體氮氧化物排放量降低。葛冰等[6]利用PLIF平面激光熒光系統、高溫熱電偶及紅外氣體分析儀對不同空氣濕度下的合成氣進行擴散燃燒實驗,研究表明:空氣濕度增加,火焰基本形態大幅度變化；當加濕比例達到約20%時,NOx排放趨勢減緩,再繼續增加水蒸氣含量對于降低NOx排放意義不大。楊承等[7]對某在役燃氣輪機燃料預混水蒸氣燃燒過程進行數值計算研究,結果表明,預混水蒸氣后燃燒筒內溫度降低,水蒸氣的混入導致火焰拉長,燃燒室出口的NO平均濃度下降明顯。胡多多等[8]通過Fluent仿真建模,研究了甲烷在三種不同燃燒氣氛下富氧燃燒特性,O2/H2O氛圍下燃燒速率高,出口污染物生成量最少,燃燒效率也是三種氣氛下最高的。

前人學者研究采用的燃料涉及各種碳氫化合物,如CH4、C2H6、C3H8以及合成氣等,然而當前對加濕燃燒技術的實驗研究或者數值模擬,大多只實現了在單一方式下加濕,對于甲烷在不同加濕方式下的燃燒特性綜合對比研究較少。為此，采用數值模擬的方法通過組分輸運模型耦合甲烷半詳細氣相反應機理對比分析兩種加濕方式下對甲烷燃燒特性的影響,確定一種合理加濕方式下優越的濃度配比,以期為加濕燃燒技術的推廣應用提供一定的技術支持。

1 數值模擬方法及邊界條件

1.1 幾何模型網格及控制方程

如圖1所示,采用四邊形的結構化網格,網格從燃燒器入口一端到出口一端由密集逐漸變得稀疏,其中對于燃料噴口和燃燒流場軸線內部區域網格劃分較密,其他區域相對稀疏,由進口到出口,軸線到兩側邊界網格是漸變的。

圖1 燃燒器結構圖及計算網格

流體力學基本控制方程[9-10]形式如式(1)所示:

(1)

式(1)中：φ為通用物理量；Γφ為輸運系數；Sφ為源項；ρ為密度；x、r、θ分別表示軸向坐標、徑向坐標、周向坐標；u、v、w分別表示速度在x、r、θ方向上的分量；當φ=1,Γφ=0該方程變成連續性方程；當φ=u、v、w為對應x、r、θ方向的動量方程；當φ=k、ε、f和h為分別對應x、r、θ方向的湍流動能方程、湍流動能耗散率方程、組分質量守恒方程和能量方程，其中k為湍動能,ε為湍動能耗散率,f為質量分數,h為焓。

1.2 數值求解方法

模擬采用標準雙方程湍流模型,為了避免射流擴張率過大,將湍流模型常數C1-Epsilon由1.44改為1.6[11]。其他所有選項保持默認。燃燒模型選用考慮燃燒過程中涉及了物質輸運,啟動組分輸運與化學反應模型,將24步簡化甲烷氣相化學反應機理[12]通過Chemkin Import導入Fluent,該機理簡化成24個基元反應,包括17種物質,選用渦耗散概念模型來實現湍流與化學反應的相互作用。采用P-1 模型模擬燃燒室內的輻射換熱。選用熱力型NOx與快速型NOx兩種形成機理對NOx的生成進行了預測,碳煙顆粒的形成預測采用Fluent中Two-step模型,同時考慮碳煙輻射效應。

1.3 邊界條件及工況

結合實際條件,本次模擬設置如表1所示的邊界條件。

表1 邊界條件

表2 計算工況(φ1)

表3 計算工況(φ2)

2 模型驗證

為驗證本文建模及選用燃燒模型的可靠性和準確性,當用乙烯作為燃料時,將本文所設模型的模擬結果同對比文獻[13]及對比文獻[14]的數據進行比較。在計算流體力學中,速度場分布是決定燃燒流場特征最重要參數之一。因此,圖2給出了離噴嘴軸向距離x=75 mm及x=113 mm兩個截面處的徑向速度分布同文獻進行對比,數據表明,計算結果與文獻中吻合趨勢較好。

圖2 不同截面處徑向速度分布

圖3為本文模型的中心軸線上的溫度分布與文獻中的模擬火焰溫度數據的對比結果。三者均為同軸伴流湍流乙烯擴散火焰,變化趨勢均隨著中心軸線距離增加而先升高達到峰值溫度后降低。

圖3 火焰截面軸線溫度分布

其中不同的是,本文模擬溫度結果與文獻峰值溫度形成趨勢均保持一致,但峰值溫度略高于對比文獻[13-14]。產生這一差異的原因在于:①本文中選用的燃燒模型與對比文獻均不同,溫度模擬結果必然有差異；②模擬過程中為簡便計算,將兩側邊界簡化成絕熱邊界條件[15],導致燃燒中邊界無熱量損失,而在實際實驗過程中是存在散熱損失,所以實際峰值溫度值會有所降低。

因為本文中選用的燃燒模型與對比文獻不同,且選用的乙烯反應動力學機理也不同,因此二者的結果對比必然存在差異,但較好地模擬出了燃燒整體趨勢及流場分布。誤差分析計算結果如表4所示,該誤差較為合理,表明模擬結果基本吻合實際燃燒情況,因此本文建模及選用模型可以較好地模擬碳氫燃料湍流燃燒過程,并在此基礎上進一步研究得到的結論是可信的。

表4 誤差分析

3 模擬結果對比與分析

3.1 對燃燒流場的影響

3.1.1 燃燒溫度

溫度作為反映燃燒內部情況的重要指標參數,需要重點關注。圖4為兩種加濕方式下不同水蒸氣摻混比例下燃燒溫度分布云圖,由圖4可見:兩種加濕方式下燃燒流場內溫度分布宏觀特征一致,燃燒高溫區域逐步向中心軸線收攏,可以明顯看出,甲烷預混水蒸氣后對于溫度分布特征影響較大,火焰高溫區域縮短；而空氣預混同體積的水蒸氣后對于溫度分布特征影響不明顯。

圖4 火焰溫度分布云圖

圖5及圖6為9種工況下燃燒流場峰值溫度和中心軸線上的溫度分布,可見兩種加濕方式下,燃燒峰值溫度均有所降低,其中燃料加濕對于降低火焰峰值溫度效果更明顯,分析原因在于:

圖6 不同工況軸向溫度分布

(1)水的物理特性如比熱容較大,吸收熱量能力較強；水的輻射系數與擴散系數較其他氣體大,作為三原子氣體會增強流場內對流與輻射換熱[16]。

(2)水蒸氣的超平衡基團效應,水蒸氣參與化學反應以及自身發生離解反應致使O、H和OH自由基等基團生成位置和濃度均有所改變[5],繼而影響了燃燒過程中的反應路徑,主要的支鏈反應H+O2=O+OH與重組反應H+O2+M=HO2+M直接衡量總體反應速率,也是最高火焰溫度的衡量標準[17],反應速率的降低導致了峰值溫度的下降,其中燃料預混水蒸氣方式下可能對于反應速率的影響較大。

(3)水蒸氣改變了某些三體反應的反應速率,影響基團的生成與消耗,改變了燃燒特性。

燃料加濕模式下形成最高溫區域提前原因在于水蒸氣與甲烷預先混合,射入流場內與伴流空氣混合,為了研究單一變量水蒸氣對于燃燒特性的影響,保證了單位時間內參與反應的甲烷一定,造成出口流速增加,燃料射流動量增大,與氧化劑混合充分,燃燒反應迅速,故達到峰值溫度所需行程縮短。

3.1.2 OH自由基

在燃燒研究中,燃燒反應區域會含有大量的OH自由基,OH基密度常用來表征火焰反應區及其反應特征,可用于燃燒狀態的診斷。文獻[18-19]也表明激光可視化測量系統進行OH-PLIF測量時,OH自由基熒光強度可以用來反映燃燒反應區域以及部的反應強度,這對于觀察整體火焰特性非常有價值,因此探討OH基在流場內的分布很有必要。

圖7給出了2種加濕模式5種工況下的OH基質量分數分布云圖,可以看出兩種加濕模式下隨水蒸氣體積濃度增加峰值OH基的質量分數分布?？梢悦黠@看出,燃料預混水蒸氣模式下,隨著水蒸氣的預混濃度變大,OH基形成區域愈發靠近燃料口,OH基質量分數逐步增大,主要因為反應式(2)和式(3)在該反應機理中貢獻了大量的OH基,而OH基團的消耗依靠式(5)、式(6)和式(7)等基元反應：

圖7 不同工況下OH基質量分數云圖

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

當燃料中水蒸氣體積濃度增大時,OH基團產生速率變小,基本反應式(5)、式(6)和式(7)中的OH消耗速率幾乎不變[5],但由于添加蒸汽,如圖8所示,式(4)最大反應速率降低,且燃料預混水蒸氣方式下降低幅度更明顯,速率降低抑制了式(4)正向反應,使得對OH消耗的貢獻大大降低,同時逆向反應加強,這些反應總的平衡的結果是,促進了OH的產生。如圖9所示,燃料預混水蒸氣模式下,OH基團質量分數隨著水蒸氣體積濃度的增大而增大,OH的質量分數變大。而在空氣預混水蒸氣模式下,由于水蒸氣的加入導致空氣中氧氣濃度略低,燃料需擴散到更高的區域才能完全消耗殆盡,所以火焰略微拉長,從上述溫度云圖及OH基團質量分數分布云圖可以體現出這一點,盡管OH基團生成總量增加,但質量分數減少。

圖8 反應式(4)最大反應速率

圖9 OH基峰值質量分數

3.2 對污染物排放的影響

3.2.1 NOx排放

針對目前鍋爐大氣污染物排放標準日趨嚴格,湍流射流火焰的NOx排放特性被廣泛研究,NOx約有90%是NO,NO2所占比例很小(5%～10%)[20],本文研究主要討論NO的排放,相對于火焰上方較大較寬的反應區,NO產生于火焰中下部的薄層流小火焰區。甲烷燃燒生成熱力型NOx為主,快速型NOx含量相對較少。圖10為9種工況下出口處NO平均質量分數,兩種加濕模式下均能減少NO排放濃度,燃燒預混水蒸氣方式減排效果更佳,但水蒸氣體積濃度達到40%時,繼續加大水蒸氣體積濃度對于減少NOx排放意義不大。著重分析燃料預混水蒸氣方式下NO的形成,其中對NO形成有重大貢獻的基元反應[5]如下:

圖10 出口處NOx質量分數

N+O2=NO+O

(8)

N+OH=NO+H

(9)

HCCO+NO=HCNO+CO

(10)

H+NO+M=HNO+M

(11)

可以看出,NO主要由N+O2=NO+O,N+OH=NO+H產生并被HCCO+NO=HCNO+CO, H+NO+M=HNO+M消耗,而燃料預混水蒸氣造成的OH濃度的增加促進了NO的形成,但CH、HCN、N等中間活性物質對NO的形成也極為重要[21],其中涉及CH基的重要基元反應有:OH+CH2=CH+H2O。

由于添加的水蒸氣原本是燃燒反應的最終產物,大多數可逆反應均遵循勒夏特列原理,所以CH基團在OH+CH2=CH+H2O的生產反應中變少,因此,CH自由基濃度顯著降低,文獻[21]也表明水蒸氣的存在也稀釋了CH自由基濃度,進而減少了 HCN 濃度,致使抑制了快速型NO的生成。此外,添加了水蒸氣而使燃燒室溫度降低對減少熱力型NO的貢獻較大。因此,燃料預混水蒸氣后盡管OH基團濃度增加,但熱效應的存在以及CH基團濃度的降低,致使整體上抑制了NO的生成。

3.2.2 碳煙排放

碳氫燃料燃燒時需重點關注碳煙排放,碳煙是燃燒過程中產生的主要顆粒物,一方面它具有強烈的熱輻射特性[22],影響著燃燒流場內溫度分布；另一方面,它對人類健康和環境有著重要的影響。碳煙的排放是由碳煙生成與氧化反應的競爭機制所決定。碳煙的形成是一系列復雜的物理化學過程[23],其中包括單環芳烴,顆粒前驅物形成多環芳烴,碳煙顆粒成核和表面凝結生長,形成碳煙團聚體,以及碳煙氧化。

從圖11中可以看出，9種工況下,沿燃燒流場軸向碳煙體積分數分布特征較為一致,與上述碳煙的生成氧化過程一致。空氣預混水蒸氣模式下,碳煙峰值體積分數到達區域略微滯后,向火焰下游移動,造成原因在于水蒸氣的加入致使氧化劑流中氧氣濃度略低,火焰被拉長,碳煙形成區域整體向火焰下游移動。而在燃料預混水蒸氣模式下,碳煙峰值體積分數到達區域略微提前,向噴嘴處移動,造成原因在于,該模式下峰值溫度行程區域縮短,碳煙形成和氧化過程也隨著提前。

圖11 中心軸線上碳黑體積分數分布

(2)H2O的熱效應使得火焰溫度的降低影響了燃料的熱解速率[25]和化學效應抑制了碳煙起始成核速率[26]。

圖12給出了在高度h=125、175和215 mm處碳煙體積分數的徑向分布。

從圖12可以看出，碳煙主要分布在以軸線為半徑距40 mm的環形圓筒區域內,在火焰底部,即h=125 mm附近,碳煙徑向分布存在先上升后下降的趨勢,隨著軸向高度的上升,在h=175 mm附近,碳煙體積分數徑向分布趨勢為先平緩下降后變得陡峭,到火焰上游,碳煙體積分數徑向分布下降梯度較大。火焰底部即h=125 mm時存在兩個峰值,與文獻[27]的結果一致,這兩處峰在下游沿燃燒流場軸向合并為一個峰。此外,在不同截面處,水蒸氣的加入對于減少碳煙的生成表現出很好的一致性。

圖12 不同截面處徑向碳煙體積分數分布

3.2.3 CO排放濃度

考慮到加濕對火焰燃燒穩定性的影響,主要體現在,在燃料預混水蒸氣模式下,燃料中混有水蒸氣使得燃料噴嘴處出口速度增加時,影響了火焰的穩定性,這一特征體現在一氧化碳出口排放濃度,如圖13所示,隨著燃料中預混的水蒸氣體積濃度增大,出口處CO排放濃度越加陡峭,而對于空氣預混水蒸氣模式下影響不大。

圖13 不同水蒸氣預混比例下出口處CO體積分數

針對本文中模擬的結果綜合分析流場分布,污染物排放濃度等因素,如圖14所示,在控制污染物排放方面,燃料預混水蒸氣模式優勢明顯,得出了水蒸氣預混比為40%時,控制污染物排放效果最優,進一步增大預混比例對于減少污染物排放意義不大,且火焰的不穩性增強。

圖14 不同工況對出口處污染物的影響

4 結論

通過計算流體軟件耦合簡化的24步甲烷氣相反應動力學機理來探究甲烷同軸湍流擴散火焰燃燒中不同添加模式、不同水蒸氣含量下對于燃燒流場的影響,結果如下。

(1)水蒸氣的加入降低了燃燒流場內的溫度,兩種加濕模式下峰值溫度均隨著水蒸氣體積濃度的增加線性下降,其中燃料預混水蒸氣方式下下降幅度更大。

(2)水蒸氣的物理特性和化學效應協同影響著燃燒中間產物如OH基團的生成位置和生成濃度,顯著降低甲烷湍流擴散燃燒中NO和碳煙的生成。

(3)分別在燃料側和空氣側預混水蒸氣的情況相比,燃料預混水蒸氣模式下,整體燃燒溫度更低,NO和碳煙排放濃度顯著低于空氣預混水蒸氣模式下,而CO排放量略有上升,因此在燃料側添加水蒸氣更有助于控制污染物生成。

(4)基于燃燒穩定性和污染物控制因素的綜合考量,確定了燃料預混水蒸氣模式下71.4%CH4/28.6%H2O配比最優。