摻混H2對CH4-空氣對沖擴散火焰溫度和NOx生成影響的數值研究

呂志超，洪 洋，趙國江

（1.臺州科技職業學院，浙江 臺州 318020；2.浙江邦得利環保科技股份有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引言

氫氣具有無污染、能量密度高、可存儲時間長、應用方式廣泛等優點，被看作是最具應用前景的能源之一[1]。但氫氣的全周期能量轉換效率較低，運輸成本高[2]。將氫氣通入現有天然氣管道，組成H2與CH4的混合氣是一種低成本、高效率 的 氫 能 利 用 方 式[3]，[4]。

雖然天然氣的燃燒產物大部分為H2O和CO2，H2的燃燒產物為H2O，對環境幾乎不造成污染。但是其混合氣在燃燒過程中會產生對環境有較大污染的NOx，通過改變某些燃燒條件可以控制NOx的生成，如改變氣體混合比例、燃燒溫度和壓力、火焰拉伸率等。張高強[5]通過數值模擬研究了CH4-空氣在不同CO2摻混率下的燃燒特性，發現提高CO2摻混率可有效抑制NOx的生成[5]。袁也[6]研究了H2/CO合成氣中H2體積分數對NOx生成的影響，研究結果表明，隨著H2體積分數的增加，NO的生成量隨之增加，NO2的生成量呈現出先減少后增加的趨勢。沈文鋒[7]模擬研究了摻混NH3（燃料氮）的CH4對沖擴散燃燒過程中壓力對NO生成的影響，發現壓力的升高抑制了HNO和H2NO的離解，使得燃燒型NO的生成受到了抑制。游濱川[8]對重整燃料在燃燒室中的燃燒特性進行了數值模擬研究，研究結果表明，相對于純甲烷燃料，水蒸氣的存在會降低重整燃料高溫區的溫度，從而降低NOx的生成量。張亞肖[9]采用FR-ED燃燒模型對天然氣貧預混燃燒室中NO的生成特性進行了模擬研究，結果表明，蒸汽加濕可以顯著降低熱力型NO的生成速率，同時降低CO的峰值濃度。Chen Y[10]模擬研究了CO2代替空氣中的N2對CH4預混火焰的影響，研究結果表明，CO2的置換會降低火焰穩定性，同時顯著降低火焰熄滅速度。

限制NOx的排放是高比例H2混合CH4發電技術中必須解決的問題，但是，有關摻混H2對CH4-空氣對沖擴散火焰溫度特性以及NOx生成特性影響的研究還不多。因此，本文采用了CHEMKIN軟件中的OPPDIF Code模型來模擬層流對沖火焰，對火焰燃燒特性進行研究，并運用GRI3.0機理分析不同H2混合比例下的燃料燃燒過程。

1 物理模型

本文研究的CH4-空氣對沖擴散火焰燃燒裝置的物理模型如圖1所示。燃料和空氣的流動方向相向，H2與CH4摻混后由噴嘴噴出。燃料與空氣的軸向距離L為1cm，x=0cm處為燃料的起始射流位置，x=1cm處為空氣的起始射流位置。

圖1 物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical model

2 數學模型

在穩態下，對沖擴散火焰的控制方程包括連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。本文研究的對象為混合氣體，還需要增加組分守恒方程作為控制方程。OPPDIF Code可以對燃燒器系統的質量守恒方程、能量守恒方程及組分守恒方程聯立求解。對流項采用迎風差分格式。網格采用自適應網格，采用阻尼牛頓法計算方程。設定迭代誤差不超過10-6。GRI3.0機理可以較好地解釋CH4/H2合成氣的燃燒化學反應機理。

2.1 連續性方程

采用圓柱坐標系，連續性方程表示如下：

式中：x，r分別為軸向和徑向坐標；u，ν分別為軸向 和 徑 向 速 度 分 量，cm/s；ρ為 密 度，g/cm3。

2.2 動量守恒方程

式 中：μ為 動 力 黏 性 系 數，g/（cm·s）；H為 常 數。

2.3 能量守恒方程

式中：T為溫度，K；cp為混合物的定壓比熱容，J/（g·K）；λ為 混 合 物 的 導 熱 系 數，W/（cm·K）；cp，k為 第k種 氣 體 的 定 壓 比 熱 容，J/（g·K）；Yk為k組分的摩爾分數，%；ωk為k組分的摩爾生成速率，mol/（cm3·s）；hk為k組 分 的 比 焓，J/g；Vk為k組 分的 擴 散 速 度，cm/s。

2.4 組分守恒方程

擴散燃燒過程的組分守恒方程表示如下：

式中：Wk為第k種組分的分子量。

2.5 邊界條件

燃料側和空氣側的邊界條件分別設置如下：

式中：ρF和 ρO分別為燃料側和空氣側密度，g/cm3；uF和uO分別為燃料側和空氣側軸向速度分量，cm/s；TF和TO分別為燃料側和空氣側的溫度，K。

3 計算條件

火焰拉伸率K反映了對沖擴散火焰氣體之間的混合強度以及氣體發生反應時的停滯時間，其計算式為

式中：ν0和 νF分別為空氣和燃料的擴散速度，cm/s。

噴嘴出口設定為常溫常壓，即氣體溫度為298K，設定氣體壓力為101325Pa，火焰拉伸率K分 別 為30，100s-1和300s-1，H2摩 爾 分 數 分 別為0，20%，50%和70%。

4 結果與分析

4.1 H2摩爾分數對擴散火焰溫度的影響

不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對CH4-空氣擴散火焰溫度分布的影響如圖2所示。由圖2可知：在3種火焰拉伸率下，溫度分布呈現出相似的規律，即在某一段中間距離內，隨著火焰與燃料軸向距離的增大，溫度呈現出先上升后下降的變化趨勢。這是對沖擴散火焰比較典型的特征[11]。在燃氣與空氣對流擴散過程中，其在中間的某個位置上以一種最佳當量比的混合狀態發生燃燒時，燃燒效果最佳，溫度也最高[12]。

當燃料中的H2摩爾分數增加時，峰值溫度出現的位置向著遠離燃料的方向移動。從傳質的角度分析，H2與空氣擴散傳質的施密特數（反映了動量傳遞與質量傳遞的難易程度，施密特數越小，代表著氣體溶質在溶劑里的擴散能力越強）為0.20，而CH4與空氣擴散傳質的施密特數為0.99。另外，氫氣的熱值約為CH4熱值的3倍，氫氣燃燒產生的熱量所帶來的溫升明顯高于CH4。綜上可知，在燃料和空氣對沖擴散過程中，隨著H2摩爾分數的增加，火焰峰值溫度點會更靠近空氣區。在低火焰拉伸率（K=30s-1）下，這種變化更加明顯，當H2摩爾分數由0增加到70%時，火焰峰值溫度出現的位置依次為0.665，0.675，0.707，0.736cm。隨 著 火 焰 拉 伸 率 的 增大，這種變化越來越不明顯，在高火焰拉伸率（K=300s-1）下，當H2摩爾分數由0增加到70%時，火焰峰值溫度出現的位置依次為0.552，0.553，0.554，0.561cm。通 過 對 比 可 以 看 出，在 高火焰拉伸率下，隨著H2摩爾分數的增加，CH4-空氣燃燒火焰峰值溫度出現的位置沒有發生明顯變化。

從圖2還可以看出：在靠近燃料起始射流位置以及空氣起始射流位置的一段距離內，火焰溫度維持在氣體初始溫度不變；隨著火焰拉伸率的增加，這種趨勢更為明顯。這說明隨著火焰拉伸率的增加，主燃燒區的范圍變窄。

圖2 不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對CH4-空氣擴散火焰溫度分布的影響Fig.2 Effect of H2mole fraction on the temperature distributions of CH4-air diffusion flame at different stretching rates

4.2 H2摩爾分數對NO生成量的影響

不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對NO生成量分布的影響如圖3所示。由圖3可知：在主燃燒區，隨著H2摩爾分數的增大，NO生成量隨之增大，NO峰值摩爾分數出現的燃燒位置越發靠近空氣區；NO峰值摩爾分數出現的燃燒位置因火焰拉伸率的不同而略有差異，火焰拉伸率越高，NO峰值摩爾分數出現的燃燒位置的區別越小。

圖3 不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對NO生成量分布的影響Fig.3 Effect of H2mole fraction on the distributions of NO production at different stretching rates

不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對NO峰值摩爾分數的影響如圖4所示。由圖4可知，在同一火焰拉伸率下，隨著H2摩爾分數的增加，NO峰值摩爾分數隨之增加。這是因為H2的熱值高于CH4，當NO摩爾分數達到峰值時，火焰溫度最高，此時生成NO的化學反應受熱力型NO機理的影響最大，而受快速型NO機理和N2O-中間體機理的影響并不明顯。火焰溫度越高，意味著熱力型NO機理的作用越強，NO生成量就越大。由圖4還可以看出，在同一H2摩爾分數下，拉伸率越大，NO峰值摩爾分數越小。這表明火焰拉伸率的提高，使得反應物在燃燒區的滯留時間縮短，抑制了NO的生成。

圖4 不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對NO峰值摩爾分數的影響Fig.4 Effect of H2mole fraction on the NO peak mole fraction at different stretching rates

4.3 H2摩爾分數對NO2生成量的影響

不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對NO2峰值摩爾分數的影響如圖5所示。由圖5可知：在同一火焰拉伸率下，NO2峰值摩爾分數隨著混合氣中H2摩爾分數的增大而增大；在同一H2摩爾分數下，NO2峰值摩爾分數隨著火焰拉伸率的增大而降低。對比圖4，5可以發現，NO2峰值摩爾分數與NO峰值摩爾分數的變化趨勢類似。NO2的形成與分解分別依賴于反應HO2+NO=NO2+OH和NO2+H=NO+OH。隨著H2摩爾分數的增大，燃燒區的火焰溫度增高，NO的生成量隨之增大，促進了生成NO2的化學反應。

圖5 不同火焰拉伸率下H2摩爾分數對NO2峰值摩爾分數的影響Fig.5 Effect of H2mole fraction on the NO2peak mole fraction at different stretching rates

此外，在相同H2摩爾分數下，火焰拉伸率越大，NO2峰值摩爾分數越小。這是因為火焰拉伸率的增加抑制了NO的生成，在反應HO2+NO=NO2+OH中，NO的摩爾分數降低后，會導致NO2的摩爾分數降低。NO和NO2的摩爾分數表現出正相關的關系，這一點也可以從圖4，5中NO和NO2峰值摩爾分數的變化關系中看出。

5 結論

本文使用CHEMKIN軟件中的OPPDIF Code模型模擬了CH4中摻入不同比例的H2對CH4-空氣對沖擴散火焰溫度變化特性以及NOx生成特性的影響，分析了不同H2摩爾分數火焰拉伸率下火焰溫度的變化規律以及NO和NO2生成量的變化規律，得出以下結論。

①在主燃燒區內，隨著與燃料軸向距離的增加，火焰溫度呈現出先升高后降低的變化趨勢，存在一個溫度峰值點，此點為燃燒最佳當量比的位置。在主燃燒區外，火焰溫度與初始氣體溫度基本保持一致。

②隨著混合燃料中H2摩爾分數的增大，火焰溫度峰值點出現的位置向空氣區靠攏。隨著火焰拉伸率的降低，H2摩爾分數對火焰溫度峰值點位置變化的影響有所增大。③隨著混合燃料中H2摩爾分數的增大，NO峰值摩爾分數隨之增大。在主燃燒區，NO的摩爾分數隨著軸向距離的增大而呈現出先增加后減小的變化趨勢。當H2摩爾分數增加時，NO峰值摩爾分數出現的位置更靠近空氣區，隨著火焰拉伸率的增大，這種變化變得不明顯。

④NO和NO2的峰值摩爾分數呈現出相似的變化特性，隨著H2摩爾分數的增加，NOx峰值摩爾分數出現遞增的變化趨勢，但是火焰拉伸率的加大會降低NOx的生成。