氧濃度、壓力對(duì)甲烷/空氣層流擴(kuò)散燃燒特性影響的數(shù)值模擬研究

胡家龍，任 航，聶曉康，楚化強(qiáng)

(安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化程度的提升，燃料消耗量持續(xù)增長(zhǎng)，帶來的負(fù)面影響是空氣、水受到污染，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，人類的生存面臨重大威脅，提高能源的利用率勢(shì)在必行.2019年，BP世界能源展望顯示[1]，化石能源占能源總量的85%，其中92%的能量是通過燃料燃燒釋放出來的.化石燃料的燃燒不可避免的產(chǎn)生NOX等污染物，不僅污染環(huán)境，也極大的危害人類的健康[2-6].黨的十九大之后，我國(guó)出臺(tái)了一系列改革措施，發(fā)展清潔能源是改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù).隨即旨在提高現(xiàn)有燃料的燃燒效率以及降低燃燒污染物的排放的清潔燃燒成為一個(gè)重要的課題，富氧燃燒、高壓環(huán)境燃燒特性成為了研究的熱點(diǎn).

氧氣在燃燒的過程中起到十分重要的作用，是燃燒反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)的必要因素.富氧燃燒技術(shù)因其工業(yè)化技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低，可有效提高設(shè)備燃燒效率，而被廣泛用鍋爐等燃燒設(shè)備[7-8].隨著氧濃度的增加，楚化強(qiáng)等[9]研究了CO2和富氧空氣對(duì)CH4與C2H4燃燒的影響，得出了火焰高度和溫度隨不同氧化劑氣氛的變化規(guī)律.曹文健等[10]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)O2/N2氣氛下甲烷擴(kuò)散燃燒的火焰高度會(huì)隨之降低、溫度升高.秦亮[11]利用Fluent軟件模擬研究了氧濃度分別為21%、24%、26%、28%、30%五種情況下甲烷燃燒及NOX排放特性，結(jié)果表明，隨著氧氣濃度的增大，燃燒器內(nèi)部整體溫度變高，NOX濃度也隨之增加.Gilard等[12]研究了富氧空氣伴流對(duì)甲烷層流擴(kuò)散火焰閃爍的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧含量的增加降低了火焰長(zhǎng)度和火焰上升高度，外部剪切層的不穩(wěn)定性被推到下游，從而改變了火焰振蕩的行為.當(dāng)氧含量超過一定量時(shí)，火焰振蕩現(xiàn)象消失.楊浩林[13]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法研究了甲烷富氧層流燃燒特性和NOX排放，發(fā)現(xiàn)二氧化碳稀釋燃料對(duì)燃燒特性的影響是非線性的.任昕[14]利用Fluent軟件研究了O2/CO2氛圍下天然氣富氧燃燒的燃燒特性和污染物排放水平，試圖找出不同燃燒條件對(duì)燃燒特性的影響規(guī)律和最佳的氧氣/二氧化碳配比.劉暢[15]對(duì)富氧條件下天然氣的燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究氧氣濃度與NOX生成量之間的關(guān)系.

在層流擴(kuò)散火焰的研究中，壓力是影響層流擴(kuò)散火焰特性的重要因素.許多燃燒裝置在高壓下運(yùn)行，以達(dá)到最佳效率和緊湊的尺寸等[16].壓力升高會(huì)通過增加密度、縮小火焰、加速燃料的熱解[17-19]，從而對(duì)燃料的燃燒特性和污染物的生成產(chǎn)生影響[20].Gülder 課題組[21-22]分別對(duì)甲烷/空氣在2 atm～8 atm壓力下擴(kuò)散燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增高，火焰會(huì)變窄，火焰高度相對(duì)變化較小，只是略微的增高.覃建果等[23]通過模擬更為全面的壓力分級(jí)下的甲烷擴(kuò)散燃燒，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的提高，火焰半徑逐漸變小，火焰長(zhǎng)度先增加后逐漸減小.并且對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋分析，他們認(rèn)為提高環(huán)境壓力促使了火焰的卷吸能力增加，從而使得甲烷的燃燒速率增大.在考慮到火焰溫度變化的基礎(chǔ)上，Tu等[24]對(duì)高壓(1 atm～8 atm)條件下甲烷燃燒特性進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬，他們發(fā)現(xiàn)提高工作壓力可以提高燃燒最高溫度和火焰的溫度梯度，并對(duì)NOX的排放起到一定的限制作用.Yang等[25]通過對(duì)甲烷/空氣在高壓下(2 atm～10 atm)的同軸層流擴(kuò)散燃燒狀態(tài)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在同一壓力下，隨著火焰軸向高度增加火焰溫度先降低后升高；不同壓力，隨著壓力的升高，火焰軸向高度較低位置溫度有所降低，火焰軸向高度較高位置溫度有所升高.Ge等[26]對(duì)甲烷/氧氣在高壓下的同軸層流擴(kuò)散燃燒狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，揭示了穩(wěn)態(tài)燃燒與周期性脈動(dòng)燃燒之間的燃燒狀態(tài).Cao等[27]研究了壓力和燃料稀釋對(duì)同向?qū)恿?空氣擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)和幾何形狀的影響.在考慮熱物性和傳輸物性變化的基礎(chǔ)上，俞吉[28]建立了一套關(guān)于高壓層流對(duì)沖火焰和非預(yù)混湍流燃燒過程的計(jì)算軟件模塊，并在此基礎(chǔ)上探討了甲烷/空氣的高壓層流對(duì)沖火焰的燃燒特性.

雖然正庚烷、異辛烷等大分子液態(tài)燃料是目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，但在燃燒過程中，大分子碳?xì)浞肿咏?jīng)過熱、裂解形成簡(jiǎn)單的碳?xì)浞肿踊蜴I位，因此選用作為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單碳?xì)淙剂霞淄闉檠芯繉?duì)象，對(duì)以后研究大分子碳?xì)淙剂嫌兄匾囊饬x[29-34].此外，氧濃度、壓力影響了燃料燃燒的特性及污染物的生成，然而其基本機(jī)制仍尚不明晰，因此，有必要進(jìn)一步研究氧濃度、壓力的影響趨勢(shì)，從而為節(jié)能減排提供一定的依據(jù).

1 數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

燃燒器主要由兩個(gè)同心空心圓管組成，內(nèi)管直徑為10.8 mm，外管內(nèi)徑為44.4 mm，內(nèi)管壁厚為1 mm，內(nèi)管管口比外管高3.8 mm.由于研究對(duì)象具有良好的空間對(duì)稱性，因此可將計(jì)算區(qū)域設(shè)為中心平面的一半，這樣可以在不影響模擬結(jié)果的情況下減小計(jì)算成本.燃燒器結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化后的計(jì)算區(qū)域如圖1所示.

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)及計(jì)算區(qū)域

1.2 模型選擇

利用Fluent 軟件模擬計(jì)算時(shí)，相關(guān)物理模型的選擇至關(guān)重要，模型的選擇準(zhǔn)確與否會(huì)直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性.

(1)粘性模型：雷諾數(shù)小于2300，采用standard k-epsilon模型.

(2)輻射模型：涉及局部熱源，本文選擇Discrete Ordinates(DO)模型[35].

(3)燃燒模型：本文采用非預(yù)混燃燒，假定研究對(duì)象為二維穩(wěn)態(tài)燃燒，且流體為不可壓縮流體.

(4)NOX生成模型：本文中燃料為純CH4，作為純物質(zhì)處理，不考慮燃料型NOX[36]的生成；在甲烷燃燒過程中，NOX生成速率可能會(huì)超過氮分子直接氧化的速度伴隨著快速型NOX[37]的生成；在本次研究中，甲烷燃燒溫度均高于1 300 ℃，這為熱力型NOX[38]的生成創(chuàng)造了有利的條件，導(dǎo)致熱力型NOX生成量占NOX產(chǎn)量的主導(dǎo)位置[39].因此，在NOX模型的選取過程中，本文兼顧快速型NOX[37]和熱力型NOX[38]，力求更為完整的研究NOX的生成，達(dá)到更為真實(shí)有效的分析效果.

(5)組分運(yùn)輸和算法：層流擴(kuò)散火焰，燃燒結(jié)構(gòu)為燃料和氧化劑(空氣)分開進(jìn)入燃燒區(qū)，為典型的非預(yù)混火焰，本文采用Non-Premixed模型和SIMPLE算法.

(6)邊界條件：在擴(kuò)散火焰的研究過程中，采用燃料和氧化劑分開輸送的方式，邊界溫度設(shè)定為300 K，燃料入口和氧化劑入口均采用速度入口邊界條件，分別為0.047 2 m/s和0.129 6 m/s.上邊界采用壓力出口邊界條件，有利于解決出口回流的問題.

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性

在低密度網(wǎng)格條件下，計(jì)算精度隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而增加.網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算所需的時(shí)間就越多.因此，在有限的計(jì)算資源條件下，計(jì)算結(jié)果依賴于網(wǎng)格.在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過程中，為了排除網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，通常要計(jì)算多套疏密程度不同的網(wǎng)格系統(tǒng)，并比較不同網(wǎng)格系統(tǒng)下的計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果偏差，此過程即稱為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證[40].

根據(jù)建立好的模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，本文分別建立了三種不同數(shù)量的網(wǎng)格系統(tǒng)，數(shù)量分別為47 498、122 196、194 250，如圖2所示.由圖2可知，溫度分布和火焰結(jié)構(gòu)吻合良好，誤差在可接受范圍內(nèi).為保證模擬結(jié)果精度良好，本文選取122 196個(gè)網(wǎng)格用于后期模擬.

圖2 網(wǎng)格數(shù)對(duì)火焰溫度分布對(duì)影響

1.4 數(shù)值模擬工況

不同氧濃度時(shí)模擬工況.對(duì)于壓力影響，如表1所示.本文設(shè)定燃燒氣氛為空氣氣氛，即21%O2+79%N2，壓力變化為1 atm、10 atm、20 atm、30 atm、40 atm.

表1 不同氧濃度時(shí)氧化劑各組分所占體積分?jǐn)?shù)

2 模型驗(yàn)證

為了保證所選模型的合理性，首先選擇模擬純CH4在空氣氣氛下(21vol%O2/79vol%N2)燃燒特性.為與文獻(xiàn)[23]中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文選擇了相同幾何模型，即內(nèi)管直徑為3 mm、外管直徑為25.4 mm、壁厚為0.5 mm.本文所采用反應(yīng)機(jī)理與覃建果等[23]略有不同，因此兩者模擬結(jié)果可能會(huì)存在一定的差異，但對(duì)整體趨勢(shì)的影響有限.火焰中模擬溫度、NOx與文獻(xiàn)結(jié)果的對(duì)比情況，如圖3所示.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火焰的結(jié)構(gòu)、溫度以及NO的生成的趨勢(shì)大體上與覃建果等[23]的模擬結(jié)果一致，特別是溫度分布.考慮到機(jī)理不同，計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)，因此可認(rèn)為本模型是合理的.

圖3 火焰中模擬溫度、NOx與文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果與討論

3.1 不同氧濃度的影響

3.1.1 火焰溫度分布

不同氧濃度時(shí)火焰溫度變化如圖4所示.由圖4可見，火焰長(zhǎng)度隨著氧氣濃度的增加而減小，且氧氣體積分?jǐn)?shù)小于50%火焰高度縮減幅度較快，溫度升高的幅度較大.大于50%后縮減幅度大幅下降，溫度升高的幅度減小.曹文健等[10]通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了層流擴(kuò)散燃燒火焰的燃燒特性，同樣發(fā)現(xiàn)了火焰長(zhǎng)度開始會(huì)隨著氧濃度的增加而大幅下降，然后縮短趨勢(shì)逐漸變緩，這也與覃建果等[23]的研究結(jié)果較為吻合.進(jìn)一步，可以從圖4的變化趨勢(shì)看出，火焰內(nèi)部的未燃區(qū)域逐漸縮小，從開始的25 mm左右逐漸下降到5 mm左右.計(jì)算區(qū)域中的高溫區(qū)域也逐漸變小.這是由于氧氣對(duì)燃燒反應(yīng)的促進(jìn)作用，反應(yīng)區(qū)氧氣的含量增加，使得燃料與氧氣混合更均勻，增加了燃料分子與氧氣分子碰撞的頻率，加劇了反應(yīng)的進(jìn)行，提高了反應(yīng)區(qū)溫度，未燃區(qū)縮小.同時(shí)氧濃度的增加意味著N2的減少，也就意味著燃燒時(shí)用于加熱N2和N2參與使得甲烷不能完全釋放生成焓的反應(yīng)減少，導(dǎo)致火焰的溫度會(huì)逐漸提高.

圖4 不同氧濃度時(shí)火焰溫度變化

3.1.2 NOX濃度

不同氧濃度時(shí)火焰中NOX濃度分布如圖5所示.由圖5可知，NOX生成的位置主要位于火焰尖端的高溫區(qū)，隨著氧濃度的增加，生成的位置不斷下移，21%氧濃度生成量很少，最高值僅為96 ppm，99%氧濃度時(shí)生成量相對(duì)較少，最高值為4 313 ppm.秦亮[11]通過模擬研究了氧濃度在21%～30%之間的NOX生成情況，發(fā)現(xiàn)隨著氧濃度的提升NOX生成量快速增長(zhǎng).劉暢[15]則是對(duì)21%～100%氧濃度情況下的NOX生成情況進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)氧濃度在70%附近NOX生成量會(huì)達(dá)到峰值.可見，這些結(jié)果與本文的結(jié)果趨勢(shì)基本一致.

圖5 不同氧濃度時(shí)火焰中NOX濃度分布

由于本文中所用燃料為純甲烷，因此NOX的生成途徑主要為快速型NOX和熱力型NOX.在21%氧濃度的情況下，NOX的生成量很少，但是當(dāng)氧濃度達(dá)到31%后，NOX的生成量快速增加，這是因?yàn)橐婚_始隨著氧濃度的提升燃燒溫度提升很快，NOX的生成逐漸變成由熱力型NOX生成為主[11]，而且當(dāng)溫度低于1 300 ℃時(shí)，NOX生成量不大，而當(dāng)溫度高于1 300 ℃時(shí)，溫度每增加100 K，反應(yīng)速率增大6倍～7倍，因此這會(huì)導(dǎo)致NOX生成量快速增加.而氧濃度為99%時(shí)，氣氛中N2含量只有1%，過少的N2阻礙了NOX的生成，因此生成的NOX相對(duì)較少.

3.1.3 對(duì)溫度、NO濃度最大值的影響

不同氧濃度時(shí)火焰的最高火焰溫度、最大NOX濃度變化情況如圖6所示.由圖6可知，氧濃度在40%以下時(shí)溫度提升最快.氧濃度在30%以上后，NOX生成量飛速上升.這與秦亮[11]、劉暢[15]兩人的發(fā)現(xiàn)一致.

圖6 不同氧濃度時(shí)火焰的最高火焰溫度、最大NOX濃度變化情況

3.2 不同壓力的影響

3.2.1 火焰溫度分布

不同壓力下火焰溫度變化如圖7所示.從圖7可以看出，隨著壓力升高，火焰的寬度變窄，火焰高度先上升，后下降，火焰溫度則是先上升后下降.覃建果等[23]在研究中也得到了同樣的火焰長(zhǎng)度變化規(guī)律，并且認(rèn)為環(huán)境壓力的增大會(huì)使火焰卷吸能力變強(qiáng)，使得燃燒能力變強(qiáng).在1 atm～10 atm之間，最高燃燒溫度略有提升，但當(dāng)壓力提升至30 atm～40 atm之間后，燃燒溫度不升反降，這說明環(huán)境壓力的增加只能在一定范圍能增強(qiáng)燃燒能力.這可能是因?yàn)樵趬毫Σ皇翘邥r(shí)，環(huán)境壓力升高使得氧化劑和燃料的濃度相對(duì)于常壓略高，能更好的混合，因此燃燒溫度略有提高.但是擴(kuò)散進(jìn)入燃料內(nèi)部的氧化劑中大量的N2只有很少一部分參與了反應(yīng)，由于壓力的升高氣體的擴(kuò)散受到一定程度的限制，使得未參與反應(yīng)的N2聚集在火焰附近處，阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行.壓力較高時(shí)，N2離開會(huì)變得困難，因此燃燒溫度會(huì)降低.除此之外，由于N2的阻礙，使得同一高度未燃的燃料增多，燃盡位置上升，導(dǎo)致火焰高度上升.當(dāng)壓力升高到一定程度后，氧化劑擴(kuò)散進(jìn)入燃料的未燃區(qū)域，這會(huì)導(dǎo)致火焰高度出現(xiàn)一次大幅下降.

圖7 不同壓力下火焰溫度變化

3.2.2 NOX濃度

不同壓力下火焰中的NOX濃度分布如圖8所示.由圖8可以看出，NOX主要生成位置先降后升再降，并且隨著壓力的提升逐漸變得細(xì)長(zhǎng).NOX的生成量則是先增后減，并且量較少，30 atm后生成量急速下降.由此可以看出，一定壓力范圍內(nèi)壓力的增大會(huì)對(duì)溫度和NOX生成量起促進(jìn)作用，這是因?yàn)閴毫Φ脑龃笫沟萌剂虾脱趸锏臐舛认鄬?duì)提高，使之混合的更加充分，增加了反應(yīng)區(qū)燃料和氧化劑的有效碰撞，促使燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，火焰溫度升高；火焰溫度的升高促進(jìn)熱力型NOX的生成，而本研究中甲烷燃燒溫度均高于1 300 ℃，這為熱力型NOX的生成創(chuàng)造了有利的條件，導(dǎo)致熱力型NOX生成量占NOX產(chǎn)量的主導(dǎo)位置，熱力型NOX生成的增加，從而使得整體NOX的生產(chǎn)量增加.但是隨著壓力的進(jìn)一步繼續(xù)增加，壓力對(duì)氣體的擴(kuò)散限制作用加強(qiáng)，N2在反應(yīng)區(qū)積累，阻礙了燃料和氧化劑的混合，導(dǎo)致有效碰撞減少，反應(yīng)速率降低，火焰溫度降低，由于熱力型NOX對(duì)溫度的依存關(guān)系，溫度的下降使得NOX的生成量減小.

3.2.3 對(duì)溫度、NOX濃度最大值的影響

不同壓力下火焰最高火焰溫度、最大NOX濃度變化如圖9所示.由圖9可知，雖然壓力在10 atm左右之下時(shí)，增加壓力會(huì)使燃燒溫度上升，但同時(shí)也會(huì)使NOX排放量增加；當(dāng)壓力超過20 atm時(shí)，火焰最高溫度和NOX均下降.當(dāng)壓力處于20 atm附近時(shí)，火焰溫度降低，而NOX產(chǎn)量的降低有所滯后.這是由于壓力對(duì)燃料和氧化劑擴(kuò)散的限制，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的空氣與甲烷反應(yīng)后，剩余的N2離開反應(yīng)區(qū)變得困難，使得未參與反應(yīng)的N2聚集在反應(yīng)區(qū)附近，減緩了反應(yīng)進(jìn)行，此時(shí)火焰溫度雖有下降但仍能促使熱力型NOX的生成，導(dǎo)致NOX生成量繼續(xù)升高.隨著壓力進(jìn)一步提高，反應(yīng)溫度繼續(xù)降低，溫度對(duì)熱力型NOX的生成促進(jìn)作用減弱，NOX生成量開始降低(約在20 atm處).

圖9 不同壓力下火焰最高火焰溫度、最大NOX濃度變化

4 結(jié) 論

本文基于Fluent模擬，研究了氧濃度、壓力對(duì)甲烷/空氣層流擴(kuò)散燃燒特性的影響，分析了火焰溫度、火焰結(jié)構(gòu)及NOX濃度隨氧濃度、壓力的變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1) 隨著氧濃度的增加，火焰的高度逐漸變小，火焰中的最高溫度升高，氧濃度在21%～41%，溫度上升幅度較大，之后幅度逐漸減緩.

(2) 隨著氧濃度的增加，火焰中的NOX濃度增加，尤其當(dāng)氧濃度31%～71%，NOX濃度快速增加，這主要是由于溫度升高導(dǎo)致熱力型NOX大量生成而造成的.

(3) 隨著壓力升高，火焰的寬度變窄，火焰高度先上升后下降，火焰溫度先上升后下降，在10 atm時(shí)達(dá)溫度到最大值.

(4)隨著壓力升高，火焰中的NOX濃度先增加后減小，在30 atm后NOX濃度急速下降.