天然氣富氧燃燒特性及污染物生成研究

任昕

摘? ? ? 要： 面對CO2減排的迫切需要和新能源發展受限的挑戰，集于節能減排于一體的富氧燃燒技術應運而生。該前沿技術可通過對溫室氣體進行系統控制，從而創造低碳環保及增產創收的雙贏的局面。利用FLUENT軟件對O2/CO2氛圍下天然氣富氧燃燒進行數值模擬，在最優氧氣濃度30%，助燃氣體溫度為300 K的條件下，選取不同的O2/CO2配比，即設置CO2的濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，對比分析這八組實驗的燃燒溫度分布特性、組分濃度分布特性、出口平均速度分布特性、污染物NOx的排放水平，從而確定不同的燃燒條件對燃燒特性的影響規律，找出最佳O2/CO2配比濃度范圍，并對結果進行擬合總結分析，最終得到天然氣最佳的燃燒條件，使天然氣燃燒效率最高，達到減少污染物的排放、節約能源目的。

關? 鍵? 詞：天然氣;富氧燃燒;燃燒特性

中圖分類號：TF 055? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-2083-04

Abstract： In response to the urgent need for carbon dioxide emission reduction and the challenge of limited development of new energy， oxy-fuel combustion technology emerges as the times require， which integrates energy-saving and emission-reduction. This cutting-edge technology can be used to systematically control greenhouse gases， thereby creating a win-win situation for low-carbon environmental protection and increasing production and income. In this paper， FLUENT software was used to simulate the oxy-fuel combustion of natural gas in O2/CO2 atmosphere. Under the conditions of optimum oxygen concentration of 30% and combustion-supporting gas temperature of 300 K， different O2/CO2 ratios were selected， i.e. the concentration of CO2 was respectively 5%， 10%， 15%， 20%， 25%， 30%， 35%， 40%. The combustion temperature distribution characteristics， component concentration distribution characteristics， outlet average velocity distribution and pollutant NOx emission level of these eight groups of experiments were compared and analyzed. The effect of different combustion conditions on the combustion characteristics was investigated， and the optimum range of O2/CO2 concentration ratio was determined， and a fitting summary and analysis of the results was carried out to obtain the optimum combustion conditions of natural gas， which can make the combustion efficiency of natural gas be the highest， and the emission of pollutants be lowest.

Key words： Oxygen; Enriched combustion; Combustion characteristics

富氧燃燒又稱為空氣分離/煙氣再循環技術，該技術采用比常規空氣含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒，用燃燒生成的CO2代替空氣中的N2反復循環使用，通過調整助燃空氣與循環煙氣的比例控制O2/CO2配比以適應不同的燃燒要求[1，2]。富氧燃燒排煙中富含高濃度CO2，便于后續碳捕集的順利進行。相較于傳統燃燒，其優越性體現在：

（1）降低NOx的排放量[3]：Sun[4]等分析富氧燃燒中溫度對NOx排放水平的影響，隨著溫度升高及CO2濃度增加，NOx生成量顯著降低;

（2）提高火焰溫度、加快燃燒速度、促進燃燒反應完全[5]：鐘孝蛟[6]等利用Chemkin軟件模擬O2/CO2，O2/N2，O2/CO2/Ar三種氣氛下直鏈烷烴燃燒的火焰傳播速度，結果表明在相同條件下，甲烷在O2/CO2氣氛中燃燒火焰傳播速度約為O2/N2氣氛中燃燒火焰傳播速度的1/18，乙烷約為1/7;

（3）增強煙氣的傳熱能力及降低煙黑污染物排放水平：梁軍輝[7]分析富氧程度的提高對擴散火焰中煙黑生成規律的影響，得出氧濃度升高會促進燃燒溫度的升高從而抑制煙黑生成量的結論。

本文利用FLUENT軟件進行O2/CO2氛圍下天然氣燃燒的數值模擬，在最優氧氣濃度30%，助燃氣體溫度為300K的條件下，設置CO2的濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，選取這八組實驗的燃燒溫度分布特性、組分濃度分布特性、出口平均速度分布特性、污染物NOx的排放水平等進行對比分析，確定不同的燃燒條件對燃燒特性的影響規律，找出最佳O2/CO2配比濃度范圍，對結果進行擬合總結分析，最終得到天然氣最佳的燃燒條件，使天然氣燃燒效率最高，達到減少污染物的排放、節約能源目的。

1? 數值模擬方法

1.1? 幾何模型及網格劃分

本模擬采用平面圖如圖1所示的軸對稱圓筒形燃燒器：燃燒器壁面溫度保持在300 K，中心處有一長為10 mm的噴嘴，其外徑為12 mm。天然氣以60 m/s的速度經噴嘴進入燃燒器，助燃氣體則以0.6 m/s的速度從噴嘴周圍進入燃燒器，二者邊混合邊燃燒，產生均勻的湍流擴散火焰。燃燒器每間隔0.5 m設置一個厚度為5 mm、高為0.1 m的擋環，可有效加速燃燒進程。從噴嘴進入的天然氣在燃燒器中高速流動，并與低速流動的空氣進行混合。

燃燒器網格的精確度和質量直接關系到模擬計算精確與否，利用GAMBIT軟件對燃燒器劃分四邊形單元結構網格，共生成13 882個節點，27 436個網格。燃燒器噴嘴及擋板附近的氣體流速較快、反應進行較激烈，故采用細密網格。在燃燒器的其他區域，氣體流速較低、反應進行相對平緩，故采用稀疏網格（圖2）。

1.2? 控制方程及邊界條件

本文選用的天然氣氣質條件：CH4 94.48%、C2H6 3.87%、C3H8 0.58%、CO2 0.52%及N2 0.55%。采用流體動力學基本控制方程[9]，其普遍形式如下：

定義燃燒模型為軸對稱模型，采用標準k-epsilon模型[10]模擬湍流擴散運動，選擇Volumetric反應、甲烷-空氣組合Mixture Material和Eddy-dissipation（渦流—耗散模型）進行化學反應動力學數值模擬，并對邊界條件進行如表1所示的設置。

2? 數值模擬結果對比分析

2.1? 燃燒溫度分布特性

在O2濃度為30%，助燃氣體溫度為300 K的富氧燃燒條件下，以每5%為一個區間，將CO2的濃度范圍從5%調整至40%，燃燒器的噴嘴處的平均溫度基本上都低于600 K。由于本模型為非預混燃燒，在噴嘴處助燃氣體與天然氣剛開始混合，燃燒還未快速放熱。在距離噴嘴約為10 mm的位置溫度開始急劇上升，其原因在于助燃氣體與天然氣開始快速混合并發生燃燒反應，反應持續放熱（圖3）。

圖3（a）至圖3（e）為變CO2濃度條件下的主要溫度等值線，可以看出，隨著CO2的濃度升高，溫度等值線圖中的高溫區的形成部位略微縮小，溫度梯度總體變化不大。

圖4為CO2濃度變化對燃燒器平均出口溫度的影響規律分布圖，在O2濃度一定的情況下，隨著CO2的濃度升高，天然氣的平均出口溫度呈下降趨勢。

產生這一現象的原因在于：

（1）助燃氣體中的CO2濃度增加，O2濃度不足，使天然氣燃燒不完全，導致燃燒器出口處溫度下降;

（2）CO2的比熱大，吸收的熱量多，因此隨著CO2濃度的升高，散熱逐漸變緩，出口處的溫度下降。

2.2? 組分濃度分布特性

燃燒器出口處的CO2質量分數隨著助燃氣體中的CO2濃度的升高而升高，并且升高趨勢十分明顯。在助燃氣體中CO2濃度為40%時，燃燒器的出口處CO2質量分數接近于50%。

說明助燃空氣中CO2的配比越高，在燃燒反應中生成的CO2濃度也越高便于富集和封存，故富氧燃燒采用液化回收大部分的煙氣及少部分煙氣與富氧空氣成比例混合后循環利用的方法，以實現CO2的資源化利用（圖5）。

2.3? 速度分布特性

選取O2濃度為30%時候的天然氣燃燒的速度矢量圖來研究天然氣的速度分布特性（圖6）。

由于擋板的存在，形成了明顯的回流區，整個圓筒燃燒器內的流動可看成是二維不可壓縮流動，其流動規律可由伯努利方程和二維連續性方程進行描述。當氣體流經擋板時，根據連續性方程可以推出，空氣的流速增加，同時由伯努利方程得到此時靜壓力將會減少，壓力差由此產生，從而導致空氣加速流動，故產生了回流區，加速了氣體流動，增加氧氣分子與燃料分子的碰撞概率，從而加快燃料氣體與助燃氣體的混合速度，更好的促進燃燒反應的進行。

圖7為不同CO2濃度下燃燒器出口平均速度分布圖。

可此看出，隨著CO2的濃度升高，燃燒器面積平均出口速度呈下降趨勢。CO2的摩爾質量比O2大，因此CO2的濃度上升使氣體流動速度變緩，導致平均出口速度減小。

2.4? 污染物NOx的排放水平

燃燒排放的污染物NOx中主要成分為NO（至少占比95%），因此NOx排放量可通過燃燒器出口處NO的濃度來替代表示。隨著助燃氣體中CO2濃度增加，燃燒器出口NO質量分數逐漸降低，且下降梯度較為均勻。為降低NOx的生成量，應該盡量使CO2與助燃氣體混合，且在富氧程度一定時，助燃氣體所占百分比越大，NOx的生成量越少，對環境越有益[11]，同時驗證了富氧燃燒技術是一種能綜合控制污染物排放的新型潔凈節能燃燒技術（圖8）。

3? 結 論

本文在閱讀了大量現階段國內外文獻的前提下，以fluent模擬燃燒為基礎，對O2/CO2氛圍下天然氣燃燒進行數值模擬分析，在最優氧氣濃度30%，助燃氣體溫度為300 K的富氧燃燒條件下，改變CO2的濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，對天然氣進行燃燒模擬，進而分析其燃燒特性。主要分析了對天然氣燃燒產生的CO2及NOx的生成量、燃燒平均溫度和出口速度的影響，得出以下結論：

（1）在O2濃度一定的情況下，隨著CO2的濃度升高，天然氣的平均出口溫度及出口處的速度都呈下降趨勢。

（2）出口處的CO2質量分數隨著助燃氣體中的CO2濃度的升高而升高，并且升高趨勢十分明顯。

（3）NOx的生成量隨著助燃氣體中CO2與氧氣配比的增加而降低，且下降梯度較為均勻。

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