高溫燃料電池陽極尾氣的燃燒特性

摘要：為準確分析高溫燃料電池陽極尾氣的燃燒特性，利用化學反應動力學軟件Chemkin建立三參數模型；根據高溫燃料電池陽極尾氣的組分特點，基于合成氣的化學反應動力學機理，仿真研究預熱溫度、燃料含氫量、燃料轉化率和反應選擇性對預混火焰傳播速度和點火延遲時間的影響。仿真結果表明：預熱溫度對點火延遲時間的影響較大，預熱溫度降低100 K，點火延遲時間呈指數增長；氣體組分對火焰傳播速度的影響大于對點火延遲時間的影響；反應轉化率越大，層流火焰傳播速度越小，點火延遲期越長；隨著反應選擇性正向移動，燃料中H2組分減少，火焰傳播速度增大，點火延遲期減小。

關鍵詞：低熱值陽極尾氣；預熱；火焰傳播速度；點火延遲

中圖分類號：TM911.4文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）06-0040-06

引用格式：王寶軍，李國祥.高溫燃料電池陽極尾氣的燃燒特性［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（6）：40-45.

WANG Baojun，LI Guoxiang.Burning characteristics of anode off gas from high temperature fuel cell［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：40-45.

0 引言

為應對全球氣候變化的挑戰，“碳中和”已成為全球可持續發展的共識，富氫氣體燃料作為一種清潔能源在工業領域的應用越來越得到重視，氣化反應生成合成氣的方法為煤等生物質固體燃料提供了更加清潔的利用方式^[1-2]。富氫氣體燃料除可用作燃氣鍋爐^[3]和燃氣輪機^[4]中的燃料，也常應用于高溫燃料電池^[5]。

相比傳統的燃燒式熱機，高溫燃料電池在燃料的高效清潔利用方面具有巨大的潛力。高溫燃料電池一般在800～1 000 ℃的高溫下運行，相比質子交換膜燃料電池，除了利用H2之外，還可以采用CO和小分子烷烴作為燃料^[6]。在實際應用中，利用甲烷重整得到的以H2和CO為主要組分的合成氣燃料在電堆陽極中無法完全反應，形成熱值較低的富氫陽極尾氣^[7]。由于工藝和運行狀態不同，來自陽極尾氣的低熱值富氫氣體的組分、熱值都具有很大的波動性，因此，在工程應用中需要掌握富氫陽極尾氣的不同組分、熱值在不同溫度下的燃燒特性。

預混燃燒是一種降低NOx生成的燃燒技術，預混燃燒器設計過程中，火焰傳播速度和點火延遲時間是保證燃燒器安全穩定工作的重要參數。從二十世紀五六十年代開始，以煤氣化合成氣為代表的含氫氣體燃料受到了國內外學者的關注，學者們針對不同組分（含氫量）、不同熱值（CO2、H2O、N2摻混）和不同運行參數的合成氣燃燒特性都開展了相應的研究^[8-10]，并提出了以H2和CO為主要組分的合成氣化學反應機理^[11-12]。

已有的大量試驗研究中各參數變化范圍較廣，但主要著重于試驗機理的驗證和改進，不能準確描述燃料電池陽極尾氣的復雜成分特性。

本文中針對高溫燃料電池陽極尾氣建立三參數模型對其組分特點進行分析，并基于建立的參數模型和不同的預熱溫度對低熱值富氫氣體的火焰傳播速度和點火延遲時間進行數值模擬與分析，為預混燃燒器設計提供參考。

1 數值模擬方法

1.1 層流預混火焰傳播速度及點火延遲時間

本文中采用Chemkin中的一維層流預混火焰傳播模型，結合不同的氣體燃料化學反應動力學機理，求解層流預混自由火焰傳播在穩態、絕熱、一維條件下的控制方程，計算可燃氣體的層流火焰傳播速度。采用Chemkin中的閉式均勻反應器模型，結合詳細化學反應動力學機理，求解可燃氣體在均勻、等壓、絕熱條件下的控制方程，計算可燃氣體的點火延遲時間。

1.2 H2/CO化學反應動力學機理

化學反應動力學模型預測結果準確性主要取決于計算采用的化學反應機理。H2/CO燃料的化學反應動力學機理作為研究碳氫燃料反應動力學特性的基礎，得到了廣泛應用。通過分析近年來關于H2/CO燃料的燃燒特性相關研究文獻，選取了Ranzi-機理、Li-機理和GRI3.0機理進行模擬計算^[13-14]。選擇的機理適用于典型的混合燃料或重整氣組分燃料， 且其化學反應機理包含H2/CO的機理。Ranzi-機理以不同組分、較寬的壓力范圍和溫度范圍下H2/CO燃料的點火延遲時間的試驗數據為基礎進行檢驗，適用于高溫（1 000～2 200 K）條件下H2/CO燃料的計算；Li-機理基于甲醛的氧化數據，廣泛用于H2/CO燃料的燃燒特性研究^[15-16]。Ranzi-機理和Li-機理下化學反應動力學機理基本參數如表1所示。

2 計算結果與分析

本文中燃料電池陽極尾氣的組分為H2、H2O、CO、CO2。為了表征氣體組分和熱值特點，采用燃料含氫量（燃料電池陽極尾氣中含氫組分的摩爾分數）xH、反應轉化率（不可燃組分的摩爾分數）xα、反應選擇性（CO2在含碳組分中的摩爾分數與H2O在含氫組分中的摩爾分數之差，反映燃料電池陽極對CO和H2轉化的選擇性）Δx 3個參數描述氣體組分。

xH=[x（H2）+x（H2O）]/[x（H2）+x（H2O）+x（CO）+x（CO2）]，（1）

xα=[x（H2O）+x（CO2）]/[x（H2）+x（H2O）+x（CO）+x（CO2）]，（2）

Δx=x（CO2）/[x（CO）+x（CO2）]-x（H2O）/[x（H2）+x（H2O）]， （3）

式中：x（H2）為燃料中H2的摩爾分數，x（H2O）為燃料中H2O的摩爾分數，x（CO）為燃料中CO的摩爾分數，x（CO2）為燃料中CO2摩爾分數。

2.1 燃料含氫量對燃燒特性的影響

仿真計算中，建立含氫量xH分別為0.8、0.6、0.4、0.2的低熱值陽極尾氣組分，反應轉化率xα=0.6、反應選擇性

Δx=0時，不同含氫量的低熱值陽極尾氣參數如表2所示。由表2可知：在相同的反應轉化率和選擇性條件下，不同含氫量的燃料具有相近的絕熱火焰溫度和低熱值。

xα=0.6、Δx=0、氣體混合物溫度Tu=900 K時，不同機理、不同含氫量的低熱值陽極尾氣的層流火焰傳播速度v隨當量比的變化曲線如圖1所示；當量比為1.0時，層流火焰傳播速度與燃料中含氫量的關系曲線如圖2所示；點火延遲時間隨當量比的變化曲線如圖3所示。

由圖1～3可知：1）當量比為1.0時，火焰傳播速度與燃料含氫量近似呈正比，燃料含氫量增加0.2，層流火焰傳播速度增加約2 m/s，燃料點火延遲時間減少約20%。2）相比點火延遲時間，火焰傳播速度受燃料含氫量的影響更大，當燃料含氫量變化較大時，預混燃燒器應有更強的火焰速度變化適應能力。3）采用Li-機理和Ranzi-機理預測的火焰傳播速度和點火延遲時間的變化趨勢類似，采用Ranzi-機理計算的火焰傳播速度比采用Li-機理更高，與文獻[9]的模擬計算結論相同，對比文獻[9]中的試驗數據，采用Li-機理能夠更準確地預測火焰傳播速度， 采用Ranzi-機理的預測結果相對偏高；采用Ranzi-機理對點火延遲時間的計算結果也比Li-機理大。現有的研究一般認為Ranzi-機理對高溫點火延遲時間有較好的預測效果^[15]。

2.2 溫度對燃燒特性的影響

xH=0.6、xα=0.6、Δx=0時，不同預熱溫度T下低熱值陽極尾氣的層流火焰傳播速度和點火延遲時間計算結果如圖4、5所示。

由圖4、5可知：預熱溫度增加100 K，火焰傳播速度增加約50%（2 m/s），點火延遲時間增加約10倍，點火延遲時間受預熱溫度變化的影響更大。面對可能的預熱溫度變化，在設計預混燃燒器時，應保證混合氣在預混室內的停留時間較短，同時進行溫度控制設計，保證預混氣體溫度在燃燒器的安全設計范圍內。

2.3 反應轉化率對燃燒特性的影響

反應轉化率為0.5～0.8時的低熱值陽極尾氣組分參數如表3所示。由表3可知：隨著反應轉化率增加，混合物中可燃組分的比例減少，燃料的低熱值降低。

xH=0.6、Δx=0、Tu=900 K時，不同反應轉化率下低熱值氣體的層流火焰傳播速度和點火延遲時間計算結果如圖6、7所示。

由圖6、7可知：1）反應轉化率增加0.1，層流火焰傳播速度約降低2 m/s，點火延遲時間增加約0.1 s。2）反應轉化率為0.5～0.8時，火焰傳播速度和點火延遲時間與燃料含氫量為0.2～0.8時類似，反應轉化率變化0.1對燃燒特性的影響與含氫量變化0.2相近。

2.4 反應選擇性對燃燒特性的影響

燃料電池在不同工況下對合成氣燃料的吸附與反應可能具有不同的選擇性。xH=0.6、xα=0.6時，反應選擇性

Δx=-0.6～0.6時，低熱值燃料的組分變化如表4所示。由表4可知：隨著反應選擇性的正向移動，燃料中H2的體積分數減少。

xH=0.6、xα=0.6、Tu=900 K，層流火焰傳播速度和點火延遲時間隨反應選擇性變化曲線如圖8所示。由圖8可知：1）隨著反應選擇性正向移動，燃料中H2組分減少，火焰傳播速度降低，點火延遲期延長；2）反應選擇性增加0.5，火焰傳播速度增加約2 m/s，點火延遲時間減少約0.1 s。如果實際應用中存在反應選擇性改變的情況，預混燃燒器需要有更寬的火焰傳播速度適應范圍。

3 結論

利用數值模擬方法開展了高溫（溫度為700～900 K）預熱狀態下低熱值陽極尾氣的層流火焰傳播速度和點火延遲時間研究，得到以下結論。

1）采用燃料含氫量、反應轉化率和反應選擇性的三參數模型可以準確地描述燃料電池陽極低熱值尾氣組分狀態，可以通過三參數模型直觀、定量地描述燃料電池工作狀態變化對陽極尾氣的火焰傳播速度與點火延遲時間的影響。

2）采用Ranzi-機理對火焰傳播速度與點火延遲時間的預測結果比采用Li-機理普遍偏高，已有的研究結果認為Li-機理對火焰傳播速度的預測更準確，Ranzi-機理對點火延遲時間的預測更準確。Ranzi-機理點火延遲期和層流火焰傳播速度受當量比的影響均比Li-機理大。此外，Ranzi-機理層流火焰傳播速度受含氫量的影響比Li-機理大。

3）預熱溫度是點火延遲時間的主要影響因素，點火延遲時間隨著預熱溫度的增加呈指數變化，預熱溫度每升高100 K，點火延遲時間呈指數級減小。

4）典型工況下，燃料含氫量改變0.2，反應轉化率改變0.1，反應選擇性改變0.5，都會造成火焰傳播速度變化約2 m/s，點火延遲時間變化約0.1 s。

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Burning characteristics of anode off gas from high temperature fuel cell

WANG Baojun^1，2， LI Guoxiang^1*

1." School of" Nuclear Science， Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China；

2.Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China

Abstract：To accurately analyze the burning characteristics of the anode off gas from high temperature fuel cells， a three-parameter model is developed using Chemkin， the chemical reaction dynamics software. The effects of pre-heating temperature， hydrogen content， fuel conversion rate， and reaction selectivity on the premixed flame spread velocity and ignition delay time are simulated， basing on the dynamics of chemical reaction of synthetic gases and component characteristics of the anode off gas from high temperature fuel cell. The simulation results show that the pre-heating temperature has a greater impact on the ignition delay time， the pre-heating temperature is reduced by 100 K， the ignition delay time is increased exponentially. The gas component has a greater impact on the flame spread velocity than on the ignition delay time. Gas components have a greater impact on the flame spread velocity than on the ignition delay time. The higher the reaction conversion rate is， the lower the laminar flame spread velocity is， the longer the ignition delay time is. As the reaction selectively moves forward， the hydrogen content in the fuel decreases， flame spread velocity increases， and the ignition delay time decreases.

Keywords： low heat value anode off gas; pre-heating; flame spread velocity; ignition delay time

（責任編輯：劉麗君）