甲烷、丙烷摻混對乙烯擴散火焰中碳煙生成影響

張引弟，曾繁錦，王城景，闕江鵬，羅廣，辛玥，黃紀琛，張汝西

1.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100 2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100

隨著全球經濟的發展，能源需求量日漸增多，能源生產結構持續向綠色低碳體系轉變[1]。碳氫燃料不完全燃燒產生的碳煙顆粒會對環境和人體健康產生嚴重危害[2-4]。大多數碳氫燃料都是含有多種碳氫分子的混合物，因此燃料混合對碳煙形成的影響值得關注。協同效應是研究混合燃料的碳煙生成特性的一個重要發現，是指在相同的條件下混合燃料比單一組分燃料產生更多的碳煙。大分子碳氫燃料在燃燒時首先裂解成乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、丙烷等小分子碳氫化合物，因此，研究小分子碳氫燃料摻混燃燒對碳煙生成的影響具有一定的實際意義。ZHANG等[5]對乙烯/二甲醚對沖擴散火焰中碳煙生成動力學進行了數值模擬研究，發現二甲醚的加入對乙烯對沖擴散火焰中碳煙生成有協同作用，這種協同效應與二甲醚的加入對PAHs生成的化學反應有關。XU等[6]對乙炔對沖擴散火焰中添加丙烯和丙烷對碳煙生成的影響進行了實驗研究，發現少量丙烷的加入對碳煙生成有協同作用，而丙烯的加入對碳煙生成有單調抑制作用。顧浩等[7]通過實驗測量了乙烯預混合火焰中摻混甲烷的碳煙顆粒粒徑分布，實驗表明，隨著甲烷摻混比增加，生成的碳煙顆粒的成核與生長速率逐漸減小，甲烷與乙烯之間在研究工況下不存在協同效應。林柏洋等[8]研究了摻混甲烷對預混合丙烯火焰中碳煙生成的影響，研究發現，隨著甲烷摻混比例的增加，碳煙顆粒生長速率減緩，碳煙體積分數減小，未發現甲烷與丙烯在碳煙生成方面的協同效應。王珂等[9]研究了不同甲烷摻氫比下的燃燒溫度、燃燒速度以及主要污染物的排放情況，發現隨著摻氫比的增加，燃燒溫度升高、燃燒速度加快、總污染物排放量減少。目前針對小分子碳氫摻混燃燒的研究大多在預混火焰中，筆者研究了在層流擴散火焰中，甲烷和丙烷摻混對乙烯中碳煙生成的影響。采用FLUENT軟件，耦合 GRI-Mech3.0氣相化學反應機理和Moss-Brookes碳煙模型進行數值計算，對比小分子氣體混合燃料的碳煙生成特性及重要中間組分濃度變化，研究在不同工況下是否存在碳煙生成方面的協同效應。

1 數值模擬方法

1.1 數值計算模型

圖1 燃燒器模型示意及計算域網格劃分Fig.1 Schematic diagram of burner model and grid division of the computational domain

研究模型采用與文獻[10，11]類似的Gülder燃燒器，燃料管內徑10.9mm，壁厚0.95mm，氧化劑管的內徑88mm，其簡化模型圖如圖1(a)所示。計算域網格劃分如圖1(b)所示，為減少計算量，模擬采用二維軸對稱計算域，在主要反應區對網格細化。軸向上，20mm以內劃分為間距為0.2mm的細網格，然后設置網格沿軸線向外由密變疏，擴展因子為1.0205，共劃分94個節點；徑向上，0.8mm以內采用間距為0.2mm的細網格，0.8～5.45mm區間，等距劃分19個節點，5.45～6.45mm區間內等距劃分4個節點，伴流氣側網格間距逐漸變大，等距劃分61個節點，擴展因子為1.025。最終計算域共劃分為20052個網格。其中計算域向燃料噴口上游延伸10mm，將燃料噴口包含在計算域內以得到較為合理的噴口燃料速度分布[12]。

1.2 數值求解方法設置

本研究的燃燒模型采用基于Arrhenius公式的層流有限速率模型，使用的化學反應機理來自GRI-Mech 3.0[13]，去除了與NOx生成相關的所有反應和物種。修改后的反應機理包括36個物種和219個反應。輻射模型選用離散坐標(DO)輻射模型來計算輻射傳熱，同時應用基于SMITH[14]等人提出的灰氣體加權和模型(WSGG)計算氣體介質和碳煙的輻射特性。模擬計算中碳煙模型采用The-Moss-Brookes模型[15]，氧化模型為Fenimore-Jones。碳煙顆粒的瞬時產生率由式(1)給出：

(1)

式中：N為碳煙顆粒數密度，m-3；a和l為模型常量；NA為阿伏伽德羅數；X為摩爾分數，1；p為壓力，Pa；R為氣體常數，取值8.314J/(mol·K)；T為溫度，K；dp為碳煙顆粒直徑，mm；t為時間，s；ρsoot為碳煙顆粒密度，kg/m3。

碳煙質量濃度的源項由式(2)建模，包括通過粒子成核而產生的碳煙質量、由表面生長過程產生的碳煙質量以及由氧化導致的碳煙質量消耗：

(2)

式中：M為碳煙質量密度，kg/m3；Mp為初生碳煙顆粒質量，取值為144kg/kmol；b、m、n為附加的模型常量。

數值算法選用了基于壓力耦合的求解器，利用Coupled 數值算法來處理壓力和速度的耦合。考慮到部分自由基團會在較小區域內大幅變化，難以收斂，通過設定溫度監視，當溫度達到穩定值，默認結果收斂。模擬先進行了冷態模擬，后加入化學反應，同時在乙烯和氧氣冷態混合區域應用局部初始化高溫，模擬“點火”。

1.3 邊界條件與計算工況

燃料入口和伴流氣入口邊界條件均選用速度入口，乙烯流速為3.465cm/s，側邊界設置為等溫壁面300K，上邊界選用壓力出口，允許出口邊界的回流。噴口壁面溫度設置為400K，以考慮火焰對噴口壁面的傳熱。

表1為進行計算的11組工況，甲烷和乙烯的摻混分別從無摻混(純乙烯)到完全取代(純甲烷和丙烷)。氧化劑為空氣，流量為284L/min。燃料為純乙烯、純甲烷、純丙烷時的流量分別為194、388、129.3mL/min，以保證燃料中總含碳流量不變[16]，從而使可見火焰高度基本保持一致，通過改變乙烯、甲烷和丙烷的流量達到相應的摻混比例。

表1 計算工況

2 模型合理性驗證

為驗證模型合理性，采用與本文使用相似燃燒器的文獻[17]數據進行對比。工況1數值模擬條件設置與對比文獻實驗工況相同，將二者火焰高度30mm處溫度和碳煙體積分數徑向分布進行對比，如圖2所示。雖然圖2(b)中在火焰中心線區域文獻中的碳煙體積分數低于模擬值，但兩者的變化趨勢保持一致，均隨火焰半徑的增大呈先增加后減少的趨勢，靠近中心軸線區域存在差異的主要原因是目前碳煙模型對由多環芳烴凝聚導致碳煙表面增長的預測不足[18]，從而使得中心軸線區域數值模擬的碳煙體積分數較小。由圖2可以看出本文數值模擬結果與文獻中的溫度及碳煙體積分數變化趨勢基本相符，溫度最大誤差約為1%，碳煙體積分數峰值誤差約為8.64%，故該模型的合理性可以得到保證。

圖2 火焰30mm截面處溫度和碳煙體積分數徑向分布Fig.2 Radial distribution of temperature and soot volume fraction at 30mm cross section of flame

3 結果與分析

3.1 火焰溫度

圖3 甲烷摻混乙烯溫度二維分布Fig.3 Two-dimensional temperature distribution of ethylene blended with methane

圖4 丙烷摻混乙烯溫度二維分布Fig.4 Two-dimensional temperature distribution of ethylene blended with propane

圖3及圖4分別顯示了不同摻混比下乙烯摻混甲烷和丙烷的溫度二維分布。在純乙烯火焰中，最高溫度為2129.8K，出現在火焰中HAB=0.84cm(HAB為距離燃燒器上方的高度,下同)，r=0.545cm附近的環形區域。當甲烷摻混比提高時，火焰溫度峰值出現的位置向火焰上部移動，火焰溫度峰值略有下降 ，而火焰上部中心線區域的溫度逐漸升高。當丙烷摻混比增大時，火焰溫度變化表現與摻混甲烷相同的趨勢，溫度峰值出現位置向火焰上部移動且溫度峰值持續略有下降，而火焰上部中心線區域的溫度升高程度小于甲烷摻混的工況。

選取火焰高度30mm和50mm截面處，分析各工況下溫度的徑向分布。如圖5所示，在30mm截面處，隨著甲烷摻混比的提高，火焰軸線附近溫度徑向分布較為一致，峰值溫度分布右移，在到達峰值后，各工況溫度隨甲烷摻混比增加而升高。在丙烷摻混乙烯工況中，隨摻混比的增加，火焰軸線附近溫度下降，峰值溫度分布較為一致，在到達峰值之前，溫度分布隨摻混比增加而下降。由圖6可以看出，與30mm截面處不同，在50mm截面處，隨著甲烷摻混比提高，火焰徑向溫度分布整體升高，火焰軸線區域內溫度分布也隨甲烷摻混比提高而整體升高，在丙烷摻混乙烯中，溫度分布變化趨勢與摻混甲烷類似。

圖5 火焰高度30mm處溫度徑向分布Fig.5 Radial temperature distribution at flame height of 30mm

圖6 火焰高度50mm處溫度徑向分布Fig.6 Radial temperature distribution at flame height of 50mm

3.2 碳煙的生成

圖7 甲烷摻混乙烯碳煙體積分數二維分布Fig.7 Two-dimensional distribution of soot volume fraction of ethylene blended with methane

圖8 丙烷摻混乙烯碳煙體積分數二維分布Fig.8 Two-dimensional distribution of volume fraction soot of ethylene blended with propane

圖7及圖8分別為6種工況下甲烷和丙烷摻混乙烯的碳煙體積分數二維分布云圖。在純乙烯火焰中，碳煙體積分數的最大值為8.955×10-6，位于HAB=2.7cm，r=0.28cm的環形區域。從云圖中可以看出，隨著甲烷和丙烷摻混比的增加，碳煙生成均顯著減少，碳煙區域的寬度和高度皆逐漸減小，碳煙峰值軸向分布的區域向火焰頂部移動，火焰腰部明亮區明顯上移，表明碳煙的起始生成速率有所下降，峰值出現區域稍有滯后，且甲烷摻混乙烯的碳煙峰值的位置更靠近火焰頂部。當甲烷完全替代了乙烯時，碳煙體積分數峰值(SVF)由8.955×10-6減小到1.182×10-6，峰值分布由兩翼分布變為兩翼上游及火焰頂部。在丙烷完全替代乙烯時，碳煙體積分數峰值減小到4.417×10-6，峰值分布由兩翼變為兩翼上游。隨著摻混比的增加，最大碳煙體積分數均逐漸減小。與摻混甲烷相比，乙烯摻混丙烷的碳煙體積分數降低的速率則相對緩慢。對于乙烯和甲烷及乙烯和丙烷混合火焰，都沒有表現出混合燃料的協同效應。

火焰高度30mm和50mm處各工況的碳煙體積分數徑向分布如圖9和圖10所示。在30mm截面處，甲烷摻混乙烯和丙烷摻混乙烯工況中，隨著摻混比的增加，碳煙體積分數峰值均下降，且峰值分布區域右移，各摻混比下甲烷摻混乙烯工況中整體碳煙體積分數以及峰值下降幅度比丙烷摻混乙烯更大。在50mm截面處，摻混甲烷的碳煙體積分數高于純乙烯工況，由50mm處溫度徑向分布可以看出，隨著甲烷摻混比提高徑向溫度整體升高，增強了碳煙生成速率。通過上述碳煙二維分布云圖也可得知，隨甲烷摻混比的提高，碳煙體積分數峰值分布區域有上移的趨勢，因為甲烷的摻混降低了碳煙成核速率，峰值分布區域向火焰下游延伸，導致當甲烷摻混比為10%、20%、40%時，該截面碳煙體積分數高于標準工況。在丙烷摻混乙烯工況中，50mm處碳煙體積分數分布規律同30mm處較為類似，隨丙烷摻混比提高，火焰軸線區域碳煙體積分數下降，徑向碳煙體積分數整體下降，但與30mm截面處相比，下降幅度更小。

H自由基和OH自由基是燃燒化學反應中的中間活性產物，對碳煙的生成有至關重要的作用。圖11顯示了火焰5mm和25mm高度處H自由基摩爾分數徑向分布。隨著火焰高度的升高，H摩爾分數峰值減小并且向火焰軸線靠近。在火焰高度5mm處，隨著甲烷摻混比的增加，H摩爾分數峰值右移且不斷減小，沿徑向分布的范圍不斷變窄。隨著丙烷摻混比的增加，H摩爾分數峰值數值減小，但徑向位置基本保持不變，沿徑向分布范圍變窄。在火焰高度25mm處，隨著摻混比的增加，在摻混甲烷和丙烷火焰中，H摩爾分數峰值和整體分布均右移，而隨著丙烷摻混比的增加峰值略有增大。這表明，甲烷和丙烷的摻混降低了乙烯火焰中碳煙生成的化學反應速度，而摻混甲烷使火焰中碳煙生成降低更多。

圖12顯示了火焰5mm和40mm高度處OH自由基摩爾分數徑向分布。隨著火焰高度升高，OH摩爾分數減小且分布區域向火焰軸線移動。在火焰高度5mm處，隨著甲烷摻混比的增加，OH摩爾分數峰值右移且減小，隨著丙烷摻混比的增加，OH摩爾分數峰值減小而徑向位置基本不變。在火焰高度40mm處，隨著摻混比增加，OH摩爾分數峰值均增大且右移，且峰值出現區域變窄。這表明，在火焰的中部和頂部，甲烷和丙烷的摻混使OH自由基濃度增大，且摻混甲烷導致的OH增大幅度更大，從而加強了碳煙的氧化，進一步抑制了碳煙的生成。

圖9 火焰高度30mm處碳煙體積分數徑向分布Fig.9 Radial distribution of soot volume fraction at flame height of 30mm

圖10 火焰高度50mm處碳煙體積分數徑向分布Fig.10 Radial distribution of soot volume fraction at flame height of 50mm

圖11 火焰高度5mm和25mm處H摩爾分數徑向分布Fig.11 Radial distribution of mole fraction of H at flame height of 5mm and 25mm

C2H2是碳煙表面生長過程中的重要物種[19]，圖13比較了甲烷和丙烷摻混乙烯不同工況下火焰中C2H2摩爾分數軸向分布。由圖13(a)可以看出，隨著甲烷摻混比的增加， C2H2摩爾分數持續減少，且峰值右移，C2H2分布向火焰上部移動。當燃料為純甲烷時，C2H2的摩爾分數下降到遠低于純乙烯火焰的水平。由圖13(b)可見，在乙烯中加入少量的丙烷(即摻混比為10%)時，C2H2摩爾分數比純乙烯火焰中稍有增加，隨著丙烷摻混比的繼續增加，C2H2摩爾分數逐漸減少。這是由于乙烯脫氫是C2H2產生的主要路徑，甲烷和丙烷摻混比的不斷增加使乙烯濃度減小，從而乙烯脫氫產生的C2H2減少。對比兩圖可以看出，乙烯摻混丙烷的火焰中C2H2摩爾分數下降幅度小于甲烷摻混乙烯工況。

圖12 火焰高度5 mm和40 mm處OH摩爾分數徑向分布Fig.12 Radial distribution of mole fraction of OH at flame height of 5mm and 40mm

圖13 不同摻混比下C2H2的摩爾分數軸向分布Fig.13 Axial distribution of mole fraction of C2H2 under different blending ratios

圖14 不同摻混比下碳煙表面生長速率Fig.14 Soot surface growth rate under different blending ratios

圖14顯示了不同摻混比下摻混甲烷和摻混丙烷的碳煙表面生長速率。結果表明，隨著摻混比例增大，摻混甲烷和摻混丙烷的碳煙表面生長速率均呈下降趨勢。因為甲烷和丙烷替換了部分乙烯，導致H自由基和C2H2濃度降低，而C2H2又作為表面生長的主要物種，致使表面生長速率下降。由圖14可以看出在摻混比大于20%時，摻混甲烷的碳煙表面生長速率的下降幅度明顯大于摻混丙烷工況，也說明甲烷的摻混使乙烯火焰中碳煙的生成降低更多。

4 結論

采用數值模擬研究了燃料中添加甲烷和丙烷對層流乙烯/空氣擴散火焰中碳煙生成的影響。采用GRI-Mech3.0氣相反應機理結合Moss-Brookes碳煙模型，在保持混合燃料中碳流量恒定的情況下，對不同工況的擴散火焰進行了數值模擬研究，分析對比了各工況的燃燒溫度分布、碳煙分布以及重要中間組分濃度的變化。

1)隨著甲烷摻混比的增加，層流擴散火焰峰值溫度和碳煙體積分數逐漸降低，火焰寬度逐漸增大，溫度和碳煙體積分數峰值分布均向火焰下游發展。

2)隨著丙烷摻混比的增加，火焰的峰值溫度和碳煙體積分數變化趨勢與摻混甲烷基本一致，但相同摻混比下的下降幅度小于甲烷摻混乙烯工況。

3)摻混甲烷和摻混丙烷的H和OH摩爾分數徑向分布曲線比較相似，隨著甲烷和丙烷摻混比的增加，火焰上游H和OH自由基摩爾分數逐漸減小且分布向火焰下游發展，C2H2摩爾分數減小，甲烷和丙烷的加入減小了乙烯火焰中碳煙表面生長速率。

4)在本文研究的甲烷摻混乙烯和丙烷摻混乙烯擴散火焰工況下，未發現甲烷與乙烯和丙烷與乙烯之間存在協同效應。