氫氧燃燒尾氣組分測量影響因素仿真分析

肖 波, 孫 濤2, 4, , 臧順來, 高育科, 劉景云

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氫氧燃燒尾氣組分測量影響因素仿真分析

肖 波1, 孫 濤2, 4, 1, 臧順來3, 高育科1, 劉景云1

(1. 中國船舶重工集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 西安科技大市場博士后創(chuàng)新基地, 陜西 西安, 710065; 3. 西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院, 陜西 西安, 710049; 4. 西安交通大學(xué) 公共政策管理學(xué)院, 陜西 西安, 710049 )

氫氧燃燒尾氣中含有殘留氫氣、氧氣及大量水蒸氣, 需經(jīng)減壓、冷凝、充氬、過濾和干燥等預(yù)處理后, 方可用組分分析儀對其中的氫氧組分含量進行測量, 這些預(yù)處理環(huán)節(jié)將對測量結(jié)果造成不可避免的影響。文中在分析氫氧燃燒尾氣組分測量基本過程的基礎(chǔ)上, 通過對燃燒室內(nèi)富氫、富氧和當(dāng)量比3種工況下氫氧反應(yīng)的化學(xué)平衡過程建模, 以及各預(yù)處理過程的分析和建模, 開展了氫氧燃燒尾氣組分測量影響因素的仿真分析。結(jié)果表明, 組分測量影響因素主要為當(dāng)前的環(huán)境溫度, 環(huán)境溫度越高、測量獲得的氫氧燃燒效率越低, 真實燃燒效率則要更低一些。此外, 相同環(huán)境溫度下富氫工況的真實燃燒效率相較其他工況要更低一些。同時根據(jù)仿真分析結(jié)果, 提出了提高測試準(zhǔn)確率的改進措施。

氫氧燃燒; 組分測量; 仿真分析

0 引言

在非核能的常規(guī)能源中, 氫的熱值最高, 氫氧燃燒產(chǎn)物為水, 無污染, 便于構(gòu)成高效能、無排放的閉式循環(huán)系統(tǒng)。利用固體儲存方式攜帶并通過化學(xué)方法實時產(chǎn)氫生氧, 具有儲能密度高, 長期儲存安全可靠, 且反應(yīng)制氫過程釋放的大量熱能可進一步提高能量密度, 是目前提高動力系統(tǒng), 尤其是水下航行器動力系統(tǒng)綜合性能的最佳能源。

準(zhǔn)確評價燃燒室中氫氧燃燒完成程度, 對評價氫氧燃燒室的工作性能及提高閉式循環(huán)系統(tǒng)的運行能力具有重要意義。目前, 氫氧燃燒尾氣的組分測量一般有3種較為可行的方法: 氫氣分析采用熱導(dǎo)氫分析儀, 氧氣分析采用順磁分析儀; 氫氣及氧氣分析均采用拉曼光譜分析儀; 氫氣及氧氣均采用氣相色譜儀。前2種方法對樣氣的溫度、相對濕度和壓力均有要求, 第3種方法則只要求溫度和壓力。

氫氧燃燒尾氣中含有殘留氫氣、氧氣及大量水蒸氣, 為了獲得不同當(dāng)量比工況下氫氧燃燒尾氣組分含量和氫氧燃燒效率, 對燃燒室內(nèi)氫氧燃燒尾氣取樣后, 需進行一次冷凝、充氬、二次冷凝(含排水)等預(yù)處理后, 方可利用氣相色譜儀進行氫氧組分測量[1]。文中基于最小自由能法對氫氧燃燒組分測量影響因素進行了分析, 通過對具體的物理化學(xué)過程簡化, 得到了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型, 通過仿真分析得出了氫氧燃燒組分的規(guī)律。

1 氫氧燃燒尾氣組分測量基本過程

1.1 取樣過程

如圖1所示, 氫氧燃燒尾氣取樣的方法: 燃燒室尾部設(shè)置抽氣支路, 電磁閥1關(guān)閉, 電磁閥2和電磁閥3打開, 開關(guān)閥1和開關(guān)閥2打開, 將減壓閥調(diào)整到合適位置; 當(dāng)燃燒室工作穩(wěn)定后, 打開電磁閥1, 使尾氣經(jīng)抽氣支路進入到2個大小均為2 L的儲氣罐內(nèi), 并經(jīng)電磁閥3和開關(guān)閥2后排出; 當(dāng)氣流穩(wěn)定后, 關(guān)閉電磁閥3, 再關(guān)閉電磁閥2; 取樣結(jié)束后立即結(jié)束試驗, 關(guān)閉開關(guān)閥1和開關(guān)閥2, 取出尾氣儲罐。

仿真假設(shè): 取樣結(jié)束時尾氣儲罐內(nèi)樣氣組分與燃燒室內(nèi)相同, 由兩部分組成: 一是認(rèn)為處于化學(xué)平衡狀態(tài), 實際參與反應(yīng)后, 剩余的氫氣、氧氣以及大量水蒸氣; 二是認(rèn)為在燃燒室內(nèi)未實際參與反應(yīng)的少量氫氣和氧氣。儲罐內(nèi)樣氣壓力下降為某一壓力1, 樣氣溫度與實際測量溫度相同, 文中取比理論燃燒溫度低50 K。

圖1 氫氧燃燒尾氣的取樣方法示意圖

1.2 一次冷凝過程

一次冷凝是指為防止充氬操作時燙傷操作人員, 將樣氣冷凝至某一安全壓強狀態(tài)。

仿真假設(shè): 一次冷凝及以后的各個過程中, 尾氣儲罐內(nèi)氫氣和氧氣間的化學(xué)反應(yīng)速率隨著樣氣溫度、氫氣和氧氣濃度變化, 且滿足阿累尼烏斯定律。

1.3 充氬過程

對2個尾氣儲罐內(nèi)充入惰性的常溫氬氣至某一壓力3, 該值大于1 atm, 以防止外界大氣進入尾氣儲罐內(nèi)。

1.4 二次冷凝過程

二次冷凝是將樣氣冷凝至某一溫度, 同時將析出的水分排出的過程。水分隨著樣氣溫度不斷下降而析出, 此時樣氣總處于飽和狀態(tài), 即相對濕度為100%。

2 燃燒室內(nèi)氫氧反應(yīng)過程建模與仿真

燃燒室為高溫(大于1 000℃)時, 氫氧反應(yīng)可能涉及到H、H2、O、O2、OH、H2O、HO2、H2O2等8種組分, 但由于采樣位置在燃燒室尾部, 此處燃氣溫度一般為700℃~900℃, 除H2、O2、H2O外, 其他組分在該溫度下所占比例很小, 因此, 計算氫氧反應(yīng)的化學(xué)平衡過程時, 文中只考慮H2、O2和H2O這3種組分。

Gibbs最小自由能法[2-5]是計算絕熱和一定壓力(或一定溫度和壓力)條件下化學(xué)平衡最為常用的方法, 而Aspen Plus的RGIbbs反應(yīng)器模型即是Gibbs自由能最小的平衡反應(yīng)器, 可同時計算化學(xué)平衡和相平衡。設(shè)燃燒室內(nèi)真實燃燒效率為, 若已知燃燒室入口的物料參數(shù), 則根據(jù)該反應(yīng)器和文中假設(shè)條件, 可獲得樣氣中各組分的摩爾比例及燃氣溫度, 如表1所示。

表1 各工況下樣氣中各組分的摩爾比例及燃氣溫度

可見,真實燃燒效率越高, H2、O2摩爾比例越低, H2O摩爾比例越高; O2的化學(xué)計量數(shù)小, 富氧工況相較當(dāng)量比工況來說, O2量增加較少, 故兩工況下各組分摩爾比例相差不大。

3 預(yù)處理過程建模與仿真

3.1 一次冷凝過程

3.1.1 物理模型

圖2 一次冷凝過程的物理模型

Fig. 2 Physical model of first condensation

3.1.2 計算模型

1) 氫氣、氧氣、過熱蒸汽、液態(tài)水的屬性[1]

認(rèn)為氫氣、氧氣為理想氣體, 其焓值僅與溫度有關(guān), 與壓力無關(guān)。氫氣和氧氣的摩爾焓值

過熱蒸汽焓值受壓力影響小, 其摩爾焓值

當(dāng)壓力不大于1 MPa時, 液態(tài)水的摩爾焓值

2) 氫氧反應(yīng)速率

當(dāng)前氫燃燒化學(xué)反應(yīng)模型可以采用單步反應(yīng)、兩步和多步基元反應(yīng), 為便于計算, 借鑒國內(nèi)氫氧燃燒化學(xué)反應(yīng)模型研究領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗, 給出了氫氧的單步反應(yīng)方程式, 即化學(xué)反應(yīng)速率[6]

氫氧反應(yīng)的摩爾熱值

3) 尾氣儲罐散熱

考慮儲罐散熱[7]為大空間內(nèi)的自然對流時, 散熱量主要與罐外壁溫度有關(guān)。計算時認(rèn)為圓柱面為豎直方向。

圓柱面散熱的格拉曉夫數(shù)

罐外壁的圓柱面部分向環(huán)境的對流換熱系數(shù)

2個尾氣罐外壁的圓柱面部分向環(huán)境的對流換熱量

上頂面散熱的格拉曉夫數(shù)

相應(yīng)的瑞利數(shù)

罐外壁的上頂面部分向環(huán)境的對流換熱系數(shù)

2個尾氣罐外壁的上頂面向環(huán)境的對流換熱量

下頂面散熱的格拉曉夫數(shù)

相應(yīng)的瑞利數(shù)

罐外壁的下頂面向環(huán)境的對流換熱系數(shù)

2個尾氣罐外壁的下頂面向環(huán)境的對流換熱量

罐外壁對外的輻射換熱量

綜上可知, 罐外壁對外的總散熱量由四部分組成: 圓柱面的對流換熱量、上頂面的對流換熱量、下頂面的對流換熱量和罐外壁對外的輻射換熱量, 即總散熱量

4) 樣氣內(nèi)水蒸氣為過熱蒸汽時樣氣溫度、組分及含量變化

將樣氣參數(shù)隨氫氧反應(yīng)、罐外壁散熱的過程進行時間離散。樣氣內(nèi)水蒸氣為過熱蒸汽, 一次冷凝過程開始時, 樣氣初始總焓值

樣氣的總焓值

為保證計算時水蒸氣為過熱蒸汽, 要求樣氣壓力不大于飽和蒸汽壓

5) 樣氣內(nèi)水蒸氣開始凝結(jié)時氧氣溫度、組分及含量變化

樣氣內(nèi)水蒸氣開始凝結(jié)時, 樣氣初始總焓值

樣氣某時刻的總焓值為

為保證外界大氣不進入罐內(nèi), 計算時要求樣氣壓力不小于1 atm。

3.1.3 初步計算結(jié)果及分析

1) 當(dāng)燃燒效率為90%時, 各工況下樣氣中各參數(shù)的變化趨勢基本相同: 氫氣和氧氣摩爾數(shù)的減少量很小, 水摩爾數(shù)的增加量也很小, 樣氣溫度和罐外壁溫度逐漸減小, 樣氣總焓值逐漸減小, 罐外壁散熱量隨樣氣溫度減小而逐漸降低, 樣氣壓力隨樣氣溫度和水蒸氣冷凝而逐漸降低。

2) 富氫工況下樣氣中水蒸氣分壓降低至飽和蒸汽壓的時間, 相比其他2種工況來說略長, 說明低濃度下氫氧化學(xué)反應(yīng)速率大小主要取決于氫氣摩爾數(shù)。

3.2 充氬過程

當(dāng)尾氣儲罐內(nèi)壓強不低于1 atm時, 向尾氣儲罐內(nèi)充氬, 防止外界大氣進入尾氣儲罐內(nèi)。根據(jù)3.1節(jié)的計算模型及初步計算結(jié)果可知, 當(dāng)罐內(nèi)水蒸氣分壓下降至飽和蒸汽壓, 水蒸汽開始冷凝時, 由于樣氣溫度低、氫氣和氧氣濃度也很低, 使得氫氧化學(xué)反應(yīng)幾乎可以忽略, 因此, 充氬過程不會使氫氣和氧氣的摩爾數(shù)發(fā)生變化, 即氫氣和氧氣摩爾比保持不變, 與一次冷凝過程結(jié)束時相同。

3.3 二次冷凝過程

與3.2節(jié)相同, 二次冷凝過程中氫氧化學(xué)反應(yīng)可以忽略, 因此, 二次冷凝過程中, 氫氣和氧氣摩爾比保持不變, 與一次冷凝過程結(jié)束時相同。

4 氫氧燃燒尾氣組分測量影響規(guī)律

4.1 環(huán)境濕度和壓力

研究環(huán)境因素(溫度、濕度、壓力等)對氫氧組分及含量的影響, 只需要研究一次冷凝過程, 之后的充氬、二次冷凝等過程不影響氫氧摩爾數(shù), 無需研究。一次冷凝過程結(jié)束時樣氣中氫氣和氧氣摩爾比即樣氣進入組分分析儀后的測試結(jié)果。

由于所有過程中樣氣壓力均不小于環(huán)境壓力, 只要能保證各閥門、接口及測試現(xiàn)場對接時的密封性, 外界大氣便不能進入到尾氣儲罐內(nèi), 外界環(huán)境的濕度和壓力變化對氫氧組分及含量無影響。

4.2 環(huán)境溫度

圖3 富氫工況燃燒效率比較

圖4 當(dāng)量比工況燃燒效率比較

圖5 富氧工況燃燒效率比較

5 結(jié)束語

在分析氫氧燃燒尾氣組分測量基本過程的基礎(chǔ)上, 通過建立燃燒室內(nèi)化學(xué)平衡模型、一次冷凝過程的物理和計算模型, 完成了對燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程、取樣和充氬及預(yù)處理過程等的仿真分析與計算, 得到了燃燒室內(nèi)的真實燃燒效率與組分分析儀獲得的燃燒效率之間的關(guān)系。結(jié)果表明: 當(dāng)分析儀獲得的燃燒效率處于50%~ 100%時(燃燒效率低于50%時, 對于工程實際的指導(dǎo)意義小), 燃燒室內(nèi)的真實燃燒效率要略低一些, 但相差較小; 環(huán)境溫度越高, 儲罐越不易散熱, 分析儀獲得的燃燒效率越低, 樣氣內(nèi)的氫氧反應(yīng)量越多, 故而燃燒室內(nèi)的真實燃燒效率要更低一些; 富氫工況下氫氣濃度高, 儲罐內(nèi)氫氧反應(yīng)量要略多一些, 故而燃燒室內(nèi)真實燃燒效率要更低一些。

為完善高溫高壓環(huán)境下氫氧成分的試驗測試方法, 對氫氧組分測量的建議如下: 進一步研究適合低濃度氫氧化學(xué)反應(yīng)模型; 取樣儲罐上設(shè)計壓力表和溫度計, 便于監(jiān)測樣氣壓力和溫度, 防止外界大氣進入, 同時便于在合適的時機充氬。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Simulation Analysis on the Factors Influencing Measurement of Components in Oxyhydrogen Combustion Exhaust Gas

XIAO Bo1, SUN Tao2, 4, 1, ZANG Shun-lai3, Gao Yu-ke1, LIU Jing-yun1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Postdoctoral Innovation Base, Xi’an Technology Resourse Market, Xi’an 710065, China; 3.School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 4. School of Public Policy and Administration, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Oxyhydrogen combustion exhaust gas contains hydrogen, oxygen and a large amount of vapor, so preprocessing is necessary before the measurement of the oxyhydrogen component content in the exhaust gas with component analyzer. The preprocessing includes decompressing, condensing, argon filling, filtering and drying, which will inevitably affect measuring result. In this paper, the measuring process of the oxyhydrogen combustion exhaust gas is analyzed, and the factors influencing the measurement of the components in oxyhydrogen combustion exhaust gas are simulated by modeling the chemical equilibrium process of oxygen-hydrogen reaction in the conditions of hydrogen enrichment, oxygen enrichment and equivalence ratio, respectively. And then, analysis and modeling of each pretreatment process is carried out. The results show that: 1) the major influencing factor is the environment temperature; 2) the higher the environment temperature is, the lower the measured oxyhydrogen combustion efficiency becomes; 3) the real combustion efficiency is lower than the measured one; and 4) the real combustion efficiency in hydrogen enrichment condition is lower than that in other conditions at the same environment temperature. In addition, some suggestions are offered to improve the accuracy of the measurement.

oxyhydrogen combustion; component measurement; simulation analysis

TJ630.32; TK31

A

2096-3920(2018)04-0304-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.005

肖波, 孫濤, 臧順來, 等. 氫氧燃燒尾氣組分測量影響因素的仿真分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(4): 304-309.

2018-03-13;

2018-04-08.

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項目(2016GY-056).

肖 波(1986-), 男, 工程師, 主要從事魚雷熱動力技術(shù)研究.