摻水比對醇基燃料燃燒特性的影響分析

王志成，馬建業，張 玥，唐詩洋，楊 光，丁會敏

(1.黑龍江能源環境研究院，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱理工大學機械學院，哈爾濱 150080)

0 引言

目前，我國火電裝機總量占電力工業的比重達75.6%，火力發電占比超過80%。我國燃料消耗巨大，由此產生的排放量較大[1]，為了降低污染，需開發新能源，如生物質油、可再生醇基燃料等[2]。醇基燃料具有可再生性和清潔燃燒特性，發展前景廣闊[3-5]，生產技術日漸成熟，可滿足人們的需求。市場上的醇基燃料以甲醇和乙醇為主[6-10]，其中甲醇燃料為單位熱量最便宜的液體燃料，可從生物來源中產生，是一種被廣泛認可的可再生能源。但其也存在一些缺點，如沸點較低，易于氣化，生產工藝不規范，質量參差不齊[11-12]。

醇基燃料主要用于小型燃燒器和小型醇基燃燒鍋爐中，容量通常小于5T。由于甲醇燃料揮發性較強，穩定性較差，易于分層，通常要與其他燃料或添加劑混合使用。王欣然[13]等論述了甲醇鍋爐機組的系統構成、結構形式與技術特點，指出了其經濟效益、環境效益和社會效益。為使其燃燒在爐膛內更穩定，王振輝以700 kW甲醇鍋爐為研究對象，通過數值模擬，研究了不同爐膛長徑比對燃燒室溫度分布的影響，得出爐膛直徑為0.8 m、長徑比為0.41時，燃燒穩定性及甲醛排放性能最優，同時考慮了不同燃燒情況對污染物排放的影響，為優化爐膛提供了關鍵數據[14]。孫曉婷等使用FLUENT軟件，對不同過量空氣系數條件下的甲醇燃燒進行了模擬，分析了溫度分布，發現當過量空氣系數為1.09時，污染物甲醛的濃度最低，找到了合適的醇基鍋爐內的過量空氣系數[15]。

上述研究從宏觀層面對醇基燃料在爐膛內的燃燒進行了分析，但是缺乏關于醇基燃料自身性質對燃燒的影響及摻水后的經濟、環保性能等研究。針對以上問題，選取適用于燃料和氧氣以異相進入反應區并進行快速化學反應的紊態擴散火焰-非預混模型，對臥式鍋爐爐膛內不同摻水比例下的甲醇燃燒特性進行了數值模擬分析。建立燃燒模型時，結合化學反應動力學，考慮兩相流模型對燃燒產生的影響。

1 燃燒器結構和數學模型

熊燕[16]研究了一種適用于醇基鍋爐燃燒的噴嘴，并在臥式鍋爐中對醇基燃料的燃燒進行了數值模擬，分析了燃料的燃燒特性及排放特性。本研究采用一種旋流霧化燃燒器作為噴嘴進行模擬，如圖1所示。燃燒器關于中心軸線成軸對稱，為套筒式結構。利用mesh進行網格劃分，對醇基燃料摻水后的特性及污染物排放進行分析，選取臥式鍋爐，在建模時為了方便計算進行了簡化，設置了如表1所示的邊界條件。模擬燃燒時，采用簡化的計算域進行計算，燃燒器內部為簡化模型，為套筒式結構，內側為燃料進口，外側為兩個空氣入口，作為燃燒區域。實物為三維結構，燃燒在立體空間中模擬得更加真實，故采用六面體網格，總共60萬網格，利用fluent進行求解。

圖1 醇基噴嘴Fig.1 Alcohol-based nozzles

圖2 鍋爐網格劃分Fig.2 Boiler grid division

燃燒時，液體燃料先破碎為小液滴，經過燃燒器蒸發為氣體湍流流出，其中含有大量氣體及液體顆粒，屬于多項流動，因此采用多項流模型，使用隨機軌道模型進行模擬。目前主流的湍流方程中，K- ε 雙方程模型應用最廣，與實驗值吻合較好，故而使用標準k-ε雙方程模型進行模擬，對摻水后的醇基燃料特性進行分析，選出經濟性最高的燃料，應用簡化后的五步甲醇反應來達到要求[17]。燃燒模型使用非預混燃燒模型，輻射模型選擇DO模型，醇基燃燒的污染物排放主要是NOx，采用后處理方式，當溫度超過1200k后，主要產生的為熱力型NOx，因此本研究只考慮此種類型的NOx。

表1 模擬主要參數Tab.1 Simulation of main parameters

2 結果分析

圖3為不同比例摻水甲醇燃料在鍋爐內的燃燒情況，并在鍋爐中間y方向做切面，截面可對爐膛的溫度分布進行觀測。

圖3 不同摻水比例下爐膛溫度分布Fig.3 Furnace temperature distribution underdifferent water ratio

由圖3可以看出，爐膛火焰充滿了整個爐膛，爐膛內火焰的穩定性主要依靠噴嘴的射流，噴嘴處的燃料氣化后被點燃并繼續向前噴去，在重力作用下有一定的下墜，火焰在爐膛的分布比較均勻。根據模擬結果云圖顯示，摻水后，爐膛最高溫度有所降低，隨著摻水比例增加而下降。在不摻水燃燒時，爐膛最高溫度為1 936℃，當摻水比例達到10%時，最高溫度降為1 880℃，說明摻水后爐內溫度有所降低，但最高溫度降低并不明顯，爐膛中心區域及爐膛出口處可觀察到較為明顯的溫度降低現象。

圖4為甲醇燃料在爐膛內的分布。可以看出燃料主要集中在爐膛的中心及前半部分。根據圖5的溫度曲線可以看出，摻水比例為5%時，溫度變化較為平緩，隨著爐膛深度加深溫度逐漸下降，鍋爐尾部摻水比例為5%的燃料的溫度下降最為明顯。結合經濟性考慮，摻水5%時，溫度最穩定，反應最好，減少了燃料的使用，可在保障燃燒效率的同時減少浪費。

圖4 不同摻水比例下爐膛甲醇濃度分布Fig.4 Distribution of furnace methanol concentration under different proportion of water admixture

圖6是CO在爐膛內部的分布情況。可以看出摻水以后，爐膛中心區域的CO濃度明顯降低，這是由于此時爐膛內部反應更加充分，有利于燃料在爐膛內的完全燃燒，未完全燃燒產物CO濃度大幅度降低。與圖7中CO2濃度分布形成對照，可以看出在爐膛后部摻水比例為5%的燃料，CO2濃度有明顯降低的趨勢。

圖5 爐膛沿軸線分布溫度圖Fig.5 Diagram of temperature distribution alongthe axis of furnace

根據圖7的云圖分布，3種燃料的CO分布情況不同，不摻水時CO的濃度最高；摻水5%后，CO濃度明顯下降，說明摻水后燃燒更加充分，生成CO量減少，CO2濃度升高；摻水比例達到10%時，CO濃度相比不摻混時濃度降低，但是沿爐膛壁面分布較多，總體濃度要比摻混5%時高。這是由于摻水量過高時，爐膛后部溫度降低，抑制了甲醇的充分燃燒反應，在此摻水比例下，鍋爐排出的CO濃度最小，同時對比CO2分布圖看出，在此比例下，爐膛后部CO2濃度有一個明顯降低的趨勢，爐膛壁面處也有一部分降低。這是因為燃料摻水以后會使燃料濃度降低，氧氣相對充足，但是隨著燃料的消耗，燃料濃度沿爐膛降低，CO2濃度也隨著爐膛深度降低。以排放特性來說，此時的污染物排放量總體較低，有利于節能環保，CO2排放量也較低。結合經濟性及燃燒效率來看，應選取5%摻水濃度的燃料。

圖6 不同摻水比例下爐膛CO濃度分布Fig.6 Distribution of CO concentration in furnace with different water ratio

圖7 不同摻水比例下爐膛CO2濃度分布Fig.7 Distribution of CO2 concentration in furnace with different water ratio

在模擬中，爐膛溫度較高，當溫度超過一定值時，醇基燃料生成的NOx污染物主要為熱力型NOx。甲醇摻水使得NOx比甲醇燃燒時峰值降低，爐膛燃燒時中部溫度在1 800 k以上，是熱力型NOx生成的主要區域。在爐膛出口處，由于助燃空氣中的氧氣消耗殆盡，同時流速降低，使得N2得以在爐膛出口處停留較長時間，因此會有部分NOx生成。空氣進口處，由于氧氣消耗快，同時氮氣濃度高，因此也會有少量的NOx生成。根據圖8的曲線明顯看出，爐膛中摻水比例為10%的燃料，NOx峰值最低，因為影響NOx生成最主要的因素是溫度，在NOx生成的主要區域，摻水量為10%時，爐膛溫度最低，NOx峰值最低，說明摻水燃料不但具有節約資源的作用，還可保護環境。

圖8 不同摻水比例下爐膛NOx濃度分布Fig.8 NOx concentration distribution in furnace under different water mixing ratios

3 結論

基于非預混模型，在邊界條件相同的情況下，采用數值模擬的方法，對不同摻水比例的甲醇燃料在臥式醇基鍋爐內的燃燒進行了模擬分析，分析了摻水對燃料燃燒特性的影響。結合經濟性，得出了最合理的醇基燃料摻水比例，探討了場內溫度分布及污染物NOx排放的影響，得到了以下結論：隨著摻水比例的增加，爐膛溫度呈現出降低的趨勢，水分子的蒸發會吸收爐膛內的熱量，當摻水比例為5%時，爐膛內部溫度最平穩，此時摻水量適合燃料完全燃燒，同時降低了爐膛溫度。隨著摻水比例的增加，CO2濃度有所上升，爐膛前部燃燒充足，CO2濃度升高，隨著反應進行，燃料反應完全，摻水比例為5%的燃料在爐膛前部完全反應，后部產生的CO2濃度迅速降低。隨著摻水比例的增加，NOx的濃度逐漸降低，摻水后溫度降低，使得NOx排放量降低，摻水比例為5%時，爐膛尾部溫度降低明顯，NOx的降低也最為迅速。摻水比例為5%時，可以節省燃料用量，得到更好的燃燒效果，污染物的排放相對較低。結合經濟性及節能環保要求，選擇摻水比例為5%的醇基燃料是較為合理的。