沼氣成分對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室影響的數(shù)值分析

劉閎釗，王玉璋，高慧峰，翁史烈

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海航天能源股份有限公司，上海 201201)

我國(guó)作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，在廣大的農(nóng)村地區(qū)蘊(yùn)藏著大量的生物質(zhì)資源，其中，以沼氣為代表的生物質(zhì)氣具有良好的利用前景[1-2]。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)具有體積小，結(jié)構(gòu)輕便、緊湊，NOx排放低等特點(diǎn)，基于微型燃?xì)廨啓C(jī)的分布式供能系統(tǒng)為沼氣的利用提供了一條有效的途徑[3-5]。

由于原料、溫度環(huán)境等因素的影響，沼氣成分中甲烷與二氧化碳的比例會(huì)發(fā)生改變。在使用沼氣作為燃料時(shí)，為保證微型燃?xì)廨啓C(jī)的性能，組織好燃燒過(guò)程并有效控制污染物生成，需要對(duì)不同成分沼氣下的微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)及燃燒特性進(jìn)行深入分析[6- 7]。而基于其靈活性與便利性，CFD方法被認(rèn)為是分析微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)及燃燒特性的有效方法[8-9]。

本文利用數(shù)值計(jì)算的方法，研究了三種不同成分沼氣下微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的流動(dòng)及燃燒過(guò)程，并與純甲烷下的情況進(jìn)行了對(duì)比，分析了燃燒室內(nèi)的溫度、污染物分布，以及燃燒室出口參數(shù)的變化，以探究沼氣成分變化對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室流動(dòng)及燃燒特性的影響。

1 研究對(duì)象

本文所針對(duì)的分析對(duì)象為微型燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形的燃燒室，其整體示意圖如圖1所示。燃燒室由外殼及內(nèi)襯圍成雙層環(huán)狀結(jié)構(gòu)，外層介于外殼與內(nèi)襯之間，為空氣通道。內(nèi)層由內(nèi)襯包裹，為燃燒反應(yīng)區(qū)域。在內(nèi)襯上設(shè)置有內(nèi)外兩圈摻混孔，大部分壓縮空氣經(jīng)由摻混孔進(jìn)入燃燒室內(nèi)層與燃燒氣體進(jìn)行摻混。

噴嘴安裝在燃燒室外殼上，并穿過(guò)內(nèi)襯連通空氣通道和燃燒室內(nèi)層。燃燒室共配置有六組噴嘴，分為前后兩排切向布置，前排四組，后排兩組。每組噴嘴沿軸線方向布置有12個(gè)環(huán)形分布的燃?xì)饪祝厍芯€方向布置有兩列共8個(gè)空氣孔，并正對(duì)空氣通道。通過(guò)燃?xì)饪缀涂諝饪祝細(xì)馀c壓縮空氣在噴嘴內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)混。

2 計(jì)算方法

燃燒室采用三維計(jì)算模型，并利用ANSYS ICEM軟件對(duì)流體域及固體域進(jìn)行離散，繪制網(wǎng)格。計(jì)算域選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終生成約1 170萬(wàn)網(wǎng)格單元，其示意圖如圖2所示。

燃燒室流場(chǎng)的計(jì)算在Fluent軟件內(nèi)進(jìn)行，選用Large Eddy Simulation (LES)湍流模型，并利用k-ε湍流模型計(jì)算所得的定常結(jié)果作為初始條件。微型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)應(yīng)的燃料為沼氣，而沼氣的主要燃燒成分為甲烷，因此燃燒反應(yīng)采用甲烷兩步反應(yīng)過(guò)程以及Eddy Dissipation Concept燃燒反應(yīng)模型，同時(shí)考慮NOx的生成。燃燒室入口分為空氣入口和燃?xì)馊肟冢O(shè)定為流量入口，溫度分別為780 K和300 K。燃燒室出口設(shè)為壓力出口，數(shù)值設(shè)定為0.405 3 MPa。

3 結(jié)果分析

3.1 燃料參數(shù)

為保證微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱負(fù)荷，燃燒室需維持足夠的甲烷流量。隨著燃?xì)獬煞职l(fā)生改變，燃燒室噴嘴燃?xì)鈧?cè)來(lái)流的參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

圖3所示為噴嘴燃?xì)鈦?lái)流質(zhì)量流量與相對(duì)壓力隨甲烷摩爾分?jǐn)?shù)變化的曲線，其中qm與p分別表示燃燒室噴嘴燃?xì)鈦?lái)流的質(zhì)量流量與相對(duì)壓力，而qma與pa對(duì)應(yīng)的是純甲烷時(shí)的參數(shù)值。在燃?xì)庵屑淄榈哪柗謹(jǐn)?shù)下降的過(guò)程中，燃?xì)獾馁|(zhì)量流量與相對(duì)壓力不斷上升。當(dāng)甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)降至0.5時(shí)，qm與qma的比值增至3.75，而p與pa的比值也增加到2.78。甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的降低，使得燃燒室噴嘴燃?xì)鈧?cè)需要提供更高的流量以及壓力。

3.2 溫度分布

通過(guò)對(duì)燃燒室內(nèi)溫度分布的分析，能夠了解燃?xì)獬煞肿兓瘜?duì)燃燒特性的影響。燃燒室噴嘴所在平面是燃燒反應(yīng)集中進(jìn)行的區(qū)域，圖4所示即為燃燒室內(nèi)兩個(gè)噴嘴平面上的溫度分布，據(jù)此可反映出燃燒室內(nèi)火焰的形態(tài)。在火焰的內(nèi)焰，預(yù)混氣體尚未發(fā)生反應(yīng)，溫度與噴嘴出口來(lái)流相當(dāng)。外焰處燃燒反應(yīng)開始進(jìn)行，區(qū)域內(nèi)溫度沿氣流方向不斷升高。

對(duì)比四種成分的燃?xì)鉁囟确植伎梢钥闯觯細(xì)獬煞值淖兓绊懥巳紵覂?nèi)的溫度分布。當(dāng)燃?xì)鉃榧兗淄闀r(shí)，噴嘴平面上溫度大于1 650 K的區(qū)域僅占很小的面積；當(dāng)二氧化碳含量為25%時(shí)，高溫區(qū)域的面積開始增大；當(dāng)二氧化碳含量超過(guò)40%時(shí)，高溫區(qū)已覆蓋大部分噴嘴平面。隨著燃?xì)鈨?nèi)二氧化碳含量的升高，燃燒室內(nèi)局部的高溫區(qū)域逐漸增多，溫度梯度不斷增大，而這些變化將影響到燃燒室內(nèi)污染物的生成。

3.3 污染物分布

圖5所示為不同燃?xì)獬煞窒氯紵覂?nèi)NOx生成量的分布。結(jié)合圖4的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，局部高溫區(qū)與NOx的生成密切相關(guān)。在高溫區(qū)內(nèi)，NOx的含量明顯高于其它區(qū)域。燃?xì)獬煞值淖兓淖兞巳紵覂?nèi)的溫度分布，因此也改變了NOx的生成量。對(duì)比四種成分燃?xì)庀翹Ox的生成量能夠看出，隨著二氧化碳含量的增加，燃燒室內(nèi)NOx的生成量逐漸增多。

圖6所示為燃燒室內(nèi)CO生成量的分布。一般地，燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)域增多會(huì)減少CO的生成，但對(duì)燃燒室內(nèi)CO生成量的分析結(jié)果卻呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。隨著燃?xì)庵卸趸己康脑黾樱紵磻?yīng)生成的CO也不斷增加。二氧化碳作為燃?xì)獾慕M成部分，同時(shí)也是燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物，其含量的增加影響了燃燒反應(yīng)的充分進(jìn)行，使得不完全燃燒產(chǎn)物CO的生成增多。

結(jié)合NOx與CO生成量的分析可以看出，燃?xì)獬煞值淖兓瘜?duì)污染物的生成造成了影響。而燃?xì)庵卸趸己康纳撸瑫r(shí)增大了NOx與CO的生成量。

3.4 燃燒室出口參數(shù)

圖7所示為不同成分燃?xì)庀拢紵页隹趨?shù)的變化曲線。Δp為空氣從壓氣機(jī)出口到燃燒室出口的壓降，T為燃燒室出口氣體溫度，Δpa與Ta則對(duì)應(yīng)燃?xì)鉃榧兗淄闀r(shí)的參數(shù)值。對(duì)比壓降與溫度的變化曲線，燃?xì)庵屑淄楹康慕档停黾恿藲饬髟谌紵覂?nèi)的壓降，以及燃燒室出口氣流的溫度，但增加的幅度并不十分顯著。在甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為0.5時(shí)，壓降以及溫度的比值變化幅度最大，但其數(shù)值均不超過(guò)1.08。

4 結(jié)論

微型燃?xì)廨啓C(jī)在以沼氣為燃料的情況下，其燃燒室內(nèi)的流動(dòng)與燃燒特性會(huì)受到沼氣成分變化的影響，具體表現(xiàn)為：

1) 燃?xì)庵屑淄楹康慕档停瑢⑹沟萌紵覈娮烊細(xì)鈧?cè)需要提供更高的流量以及壓力，以維持燃燒室內(nèi)足夠的甲烷流量來(lái)保證微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱負(fù)荷。

2) 燃?xì)庵卸趸己康纳撸龃罅巳紵覂?nèi)的高溫區(qū)域面積以及溫度梯度，而這些變化將增加燃燒室內(nèi)NOx的生成量。

3) 二氧化碳作為燃?xì)獾慕M成部分，同時(shí)又是燃燒產(chǎn)物。其含量的增加將影響燃燒反應(yīng)的充分進(jìn)行，進(jìn)而增大CO的生成量。

4) 氣流在燃燒室內(nèi)的壓降以及出口溫度上受到燃?xì)獬煞肿兓挠绊懀绊懙姆炔⒉皇诛@著。