Oxy-steam氣氛下天然氣燃燒特性研究

王城景

(長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 434023)

傳統(tǒng)富氧燃燒技術(shù)是提高助燃?xì)怏w中的氧氣濃度，提高燃燒強(qiáng)度和燃燒效率，繼而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，但也要考慮到燃燒溫度過(guò)高容易達(dá)到燃燒器材料的承受極限，同時(shí)已有學(xué)者表明，富氧燃燒過(guò)程中氮氧化物排放濃度顯著增加[1]。考慮到傳統(tǒng)富氧燃燒存在的一系列問(wèn)題，Oxy-steam燃燒技術(shù)于2007年由加拿大能源技術(shù)中心提出[2]，其原理是采用純氧來(lái)中和水蒸氣，區(qū)別于常規(guī)空氣氛圍。與O2/CO2煙氣循環(huán)燃燒相比，Oxy-steam燃燒方式優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①?zèng)]有煙氣循環(huán)，從根源上防止高濃度CO2煙氣的泄漏；②水蒸氣調(diào)節(jié)燃燒溫度，實(shí)現(xiàn)較低的NOx排放；③水分子具有高熱輻射系數(shù)物理特性[3]，相對(duì)于CO2，它的熱輻射效率和對(duì)流換熱效果較優(yōu)。同時(shí)，賈令博對(duì)富氧燃燒加熱爐系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)論認(rèn)為最優(yōu)助燃?xì)怏w氧濃度為31%[4]，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究。目前大多是研究集中于添加水蒸氣對(duì)氣體燃料燃燒特性的影響，Le[5]等進(jìn)行了詳細(xì)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)建模來(lái)研究了水蒸氣對(duì)天然氣燃燒動(dòng)力學(xué)的影響，分析了水蒸氣存在時(shí)燃料氧化反應(yīng)路徑，結(jié)論表明水蒸氣影響了第三體反應(yīng)效率，同時(shí)降低了火焰速度和絕熱溫度，NO排放的減少主要是由于稀釋作用，N2濃度的降低以及熱效應(yīng)。Seepana S[6]等分析了甲烷在O2/H2O氣氛下燃燒火焰結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)甲烷在φ(O2)=36%，φ(H2O)=64%氣氛中燃燒火焰結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)空氣氣氛即φ(O2)=21%，φ(N2)=79%，然而國(guó)內(nèi)外有關(guān)O2/H2O燃燒技術(shù)的研究并不多見(jiàn)，本文利用Fluent軟件對(duì)O2/H2O氛圍下天然氣富氧燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，選用渦耗散概念模型，耦合簡(jiǎn)化后的甲烷24步氣相反應(yīng)機(jī)理，對(duì)燃燒器內(nèi)的富氧燃燒過(guò)程中的溫度分布、關(guān)鍵組分分布、火焰長(zhǎng)度以及氮氧化物的排放量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，為Oxy-steam技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算模型

燃燒器內(nèi)的燃燒流動(dòng)伴隨劇烈的化學(xué)放熱反應(yīng)，包括組分輸運(yùn)，傳質(zhì)傳熱等相互作用，本文確定采用工程應(yīng)用中使用最為廣泛標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)模擬湍流流動(dòng)，求解輻射換熱方程選用p-1模型。流體力學(xué)基本控制方程[7]形式如下：

(1)

式中：φ為流動(dòng)物理量；Γφ為有效擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為源項(xiàng)；x，r，θ分別為軸向、徑向、周向坐標(biāo)；u，v，w分別為軸向x、徑向r、周向θ方向上的速度分量。

為了實(shí)現(xiàn)富氧燃燒過(guò)程中準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，需要將詳細(xì)的甲烷燃燒機(jī)理與Fluent中燃燒模型進(jìn)行耦合，目前最為詳細(xì)的甲烷燃燒氣相反應(yīng)機(jī)理是GRI-mech 3.0，涉及325步反應(yīng)，包括53種組分，由于其組分種類繁多，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，難收斂，且存在計(jì)算“剛性”等問(wèn)題[8]，因此本文選用的是精確性與可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證的簡(jiǎn)化后的24步反應(yīng)機(jī)理[9]，將Chemkin格式的機(jī)理文件包括反應(yīng)方程與動(dòng)力學(xué)參數(shù)導(dǎo)入Fluent。渦耗散概念模型[10]實(shí)現(xiàn)了細(xì)致化學(xué)反應(yīng)在湍流流動(dòng)中的應(yīng)用，在湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)中包括詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。它假定精細(xì)渦中發(fā)生著化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)本身需要的時(shí)間和小渦存在時(shí)間來(lái)協(xié)同控制反應(yīng)時(shí)間。其中小渦的空間分辨率ξ由式2得到

(2)

式中：Cξ為容積比率常數(shù)，Cξ=2.137 7；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

化學(xué)組分假設(shè)在式得出的時(shí)間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

(3)

式中：Cτ為時(shí)間尺度常數(shù)，Cτ=0.408 2。

已有文獻(xiàn)資料證明渦耗散概念模型對(duì)于描述燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物的準(zhǔn)確性高于有限速率/渦耗散模型[11]。

1.2 邊界條件和工況設(shè)置

燃料和助燃空氣均采用速度入口，天然氣組分簡(jiǎn)化成100%甲烷，燃料噴嘴直徑為2 mm，助燃?xì)怏w入口是直徑為146 mm的環(huán)形入口，燃料以103 m/s的速度經(jīng)噴嘴射入，助燃?xì)怏w以0.15 m/s的速度從噴嘴外環(huán)形區(qū)域流入，混合形成湍流擴(kuò)散火焰。燃燒器壁面設(shè)為等溫恒定300 K，上邊界采用壓力出口邊界條件。在整個(gè)模擬工況過(guò)程中，燃料流速保持一定，即參與反應(yīng)的甲烷的量不變，改變助燃?xì)怏w氛圍，工況1助燃?xì)怏w為φ(O2)=31%，φ(N2)=69%，工況2，3，4，5助燃?xì)怏w中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)逐步增加，逐步取代N2，工況6為φ(O2)=31%，φ(H2O)=69%H2O，從而實(shí)現(xiàn)Oxy-steam方式下燃燒。

1.3 實(shí)體建模

本模擬原本采用三維圓筒形燃燒器，考慮到為軸對(duì)稱圖形，且Fluent自帶Axisymmetric的二維替代三維的計(jì)算模式，二維網(wǎng)格質(zhì)量更高，所需要的網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)三維較少，減少了計(jì)算量，將模型繞軸線旋轉(zhuǎn)一圈便得到了圓柱型燃燒區(qū)域，如圖1所示，燃燒區(qū)域網(wǎng)格的質(zhì)量直接關(guān)系到模擬計(jì)算精確程度，利用Gambit軟件對(duì)計(jì)算域劃分四邊形單元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，11 450共計(jì)個(gè)網(wǎng)格，11 680個(gè)節(jié)點(diǎn)。噴嘴附近的氣體流速較快、與助燃?xì)怏w接觸混合后反應(yīng)較激烈，需加密網(wǎng)格，整體計(jì)算域從入口到出口，從中心軸線到兩側(cè)邊界網(wǎng)格是漸變的。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分圖

2 模擬結(jié)果討論分析

2.1 溫度分布特性

確定富氧濃度為31%的情況下，改變助燃?xì)怏w氣氛，其水蒸氣體積分?jǐn)?shù)由0%梯級(jí)增加到69%直至完全取代N2。圖2為H2O體積濃度變化情況下溫度等值線圖，為了顯示更加直觀，軸線上側(cè)為富氧空氣氣氛下燃燒溫度分布云圖，軸線下側(cè)為不同H2O體積濃度下的溫度分布圖，可以明顯看出，溫度分布宏觀特征分布一致，隨著H2O的加入，火焰高溫區(qū)形成區(qū)域縮短，將溫度比例尺調(diào)成一致，可見(jiàn)峰值溫度在下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：

(1)H2O的物理性質(zhì)與N2不同，H2O(g)的定壓比熱容(1 000 K，0.1 MPa)是N2的1.262倍[12]，反應(yīng)期間吸收了大量的熱量，導(dǎo)致溫度下降，同樣H2O的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱擴(kuò)散系數(shù)均大于N2，物理性質(zhì)的差異直接影響著燃燒流場(chǎng)。

圖2 不同水蒸氣濃度下溫度對(duì)比云圖

(2)H2O活躍的化學(xué)性質(zhì)也影響著該氣氛下的燃燒特性不同于富氧空氣氣氛。其表現(xiàn)在水蒸氣會(huì)參與反應(yīng)發(fā)生裂解，使反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生改變，影響了反應(yīng)路徑；H2O的存在會(huì)影響三體反應(yīng)的反應(yīng)速率[13]，進(jìn)而影響反應(yīng)路徑，最終使得燃燒特性有所改變。

同時(shí)可見(jiàn)，在燃料噴嘴附近，流場(chǎng)中心內(nèi)溫度較低，原因在于燃燒器出口處的甲烷處于初始裂解狀態(tài)，還未來(lái)得及與助燃?xì)怏w中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)裂解后擴(kuò)散到燃燒器中程后，與氧氣劇烈反應(yīng)，造成溫度上升梯度較大。

圖3給出了不同H2O體積濃度下燃燒器出口平均溫度，可以看出，燃燒器出口平均溫度隨著H2O體積濃度的增大而逐漸降低，富氧空氣氣氛時(shí)為1 137 K，φ(O2)=31%，φ(H2O)=69%時(shí)為1 058 K，約降79 K，原因在于參與反應(yīng)的燃料一定，放出的熱量一定，而添加的水蒸氣逐步取代了N2，水蒸氣的高比熱吸收熱量的能力增強(qiáng)，致使整體燃燒溫度降低，因而出口平均溫度也隨之降低。

圖3 不同水蒸氣濃度下燃燒器出口平均溫度

2.2 組分濃度分布特性

燃燒器中心軸線上甲烷的體積分?jǐn)?shù)的變化代表著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，其體積分?jǐn)?shù)變化率可表征燃燒反應(yīng)速率，如圖4所示，幾種燃燒氣氛下，甲烷消耗速率趨于一致，當(dāng)噴嘴初射出甲烷，與助燃?xì)怏w迅速混合，裂解并開始反應(yīng)，此時(shí)甲烷體積分?jǐn)?shù)下降幅度最大，然后下降速率趨于變緩直至消耗殆盡。當(dāng)助燃?xì)怏w中H2O體積濃度增加時(shí)，甲烷消耗速率更快，燃燒所需行程縮短。分析原因在于，H2O參與化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致OH+H2?H+H2O (R(15))正向反應(yīng)受到抑制[14]，導(dǎo)致了OH基團(tuán)的累積，從而加快了燃燒的速率[15]。

圖4 不同水蒸氣濃度下甲烷軸向體積分?jǐn)?shù)

2.3 火焰長(zhǎng)度

本文采用CO摩爾分?jǐn)?shù)的軸向分布來(lái)表征火焰長(zhǎng)度[16]，由圖5可知，隨著助燃?xì)怏w中H2O體積濃度的增加，燃燒火焰長(zhǎng)度逐漸縮短，分析原因在于水蒸氣的物理特性，高熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)促進(jìn)了燃?xì)馀c反應(yīng)物間的傳熱，同時(shí)活躍的化學(xué)性質(zhì)使原本的反應(yīng)基團(tuán)濃度發(fā)生改變[17]，二者均促進(jìn)了燃燒，從而縮短了火焰長(zhǎng)度。

圖5 不同水蒸氣濃度下火焰長(zhǎng)度

2.4 污染物NOx的排放

湍流富氧燃燒排放的污染物氮氧化物中主要成分為NO[18](所占比例達(dá)95%)，因而氮氧化物排放濃度可通過(guò)燃燒器出口處NO的濃度來(lái)表征。從圖6可以看出，隨著助燃?xì)怏w中H2O的體積濃度增大，平均出口處NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較為均勻，H2O體積濃度在0～15%下降幅度最大，隨H2O體積濃度進(jìn)一步加大，NO下降趨勢(shì)愈加趨于平緩，分析原因在于，當(dāng)初步有水蒸氣加入時(shí)，溫度下降趨勢(shì)明顯，極大地影響了熱力型NO生成[19]，造成平均出口處NO下降幅度較大。

3 結(jié) 論

本文在調(diào)研了大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent為模擬平臺(tái)，同時(shí)耦合簡(jiǎn)化后的甲烷24步氣相反應(yīng)機(jī)理，對(duì)Oxy-steam氣氛天然氣富

圖6 不同水蒸氣濃度下燃燒器平均出口NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

氧燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，保證富氧濃度為一定，助燃?xì)怏w中水蒸氣體積濃度逐步增加，從0至69%，直至完全取代N2形成O2/H2O氛圍，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)比分析燃燒特性差異，主要分析了燃燒溫度分布，火焰長(zhǎng)度，甲烷消耗速率以及出口污染物濃度。得到的結(jié)論如下：

(1)當(dāng)助燃?xì)怏w氛圍發(fā)生改變，即H2O體積分?jǐn)?shù)增大，天然氣整體燃燒溫度下降，平均出口溫度也隨著下降；

(2)燃燒火焰長(zhǎng)度隨助燃?xì)怏w中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而縮短；

(3)甲烷消耗速率隨著助燃?xì)怏w中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增加；

(4)Oxy-steam氣氛下有利于降低污染物氮氧化物的生成。