過量空氣系數(shù)對甲烷燃燒特性的影響

(長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 434023)

隨著環(huán)境問題日益受到重視，實現(xiàn)燃料節(jié)能高效的利用越來越重要。過量空氣系數(shù)對工業(yè)鍋爐的穩(wěn)定安全運行、節(jié)能減排方面具有重要影響，正得到廣泛的研究。Long[1]等以重型渦輪增壓六缸天然氣發(fā)動機(jī)為對象，研究了過量空燃比對燃燒特性，性能和排放的影響。得出過量空燃比增加時，碳?xì)浠衔锏目偱欧帕吭黾樱琋Ox排放減少。王謙[2]團(tuán)隊基于CONVERGE軟件，探究了過量空氣系數(shù)對稀燃條件下天然氣發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響，得出過量空氣系數(shù)從1.5增加到3.5，燃燒的缸內(nèi)壓力增加，平均溫度下降，碳煙排放下降了74%；NOx排放先增加后減小。李小紅等[3]著眼于高海拔地區(qū)鍋爐運行效率，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到海拔，氣壓、氧分壓的關(guān)系式，改良了修正過量空氣系數(shù)計算公式。

目前對過量空氣系數(shù)對燃燒多以內(nèi)燃機(jī)為主，就其對燃燒特性、主要污染物排放規(guī)律已有了初步結(jié)論。但對小型燃燒器的數(shù)值模擬，尤其是涉及CHEMKIN化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理的研究還不太多。本文以小火焰伴流燃燒器為對象，基于FLUENT軟件，對甲烷在常規(guī)空氣氛圍、不同過量空氣系數(shù)條件下的燃燒溫度、燃燒速率、主要污染物生成情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。得出了過量空氣系數(shù)對各參數(shù)的影響規(guī)律，總結(jié)了適合工業(yè)應(yīng)用的最佳過量空氣系數(shù)。

1 建模與選擇數(shù)值模擬方法

1.1 建立模型與劃分網(wǎng)格

模型采用小火焰伴流燃燒器，其實物圖與簡化后幾何模型如圖1所示。燃燒器氧化劑噴管外徑為0.1 m，內(nèi)徑為0.09 m；燃料管內(nèi)徑為0.01 m，外徑0.012 m。燃料與氧化劑在兩管噴口上方發(fā)生反應(yīng)，生成同向流動火焰。

圖1 圓筒燃燒器模型

在燃燒器噴口上方設(shè)置了0.25 m×0.1 m的計算區(qū)域來模擬燃燒情況，并采用Gambit軟件對區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。為兼顧網(wǎng)格的質(zhì)量與計算精度，選擇四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)域，如靠近燃料進(jìn)口處，采用加密網(wǎng)格；在遠(yuǎn)離噴口處采用較稀疏的網(wǎng)格。共劃分了9 318個節(jié)點網(wǎng)格數(shù)量，18 417個網(wǎng)格單元。

圖2 計算網(wǎng)格

1.2 選擇數(shù)值模擬方法

進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流流動模型。選用組分輸運模型，導(dǎo)入24步簡化甲烷氣相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[4]，打開渦耗散概念模型模擬湍流反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的相互作用。輻射換熱模型選擇的是P-1模型，選擇概率密度函數(shù)(PDF)模型模擬氮氧化物反應(yīng)機(jī)理和傳遞過程，分別預(yù)測熱力型NOx與快速型NOx的生成。碳黑生成模型選擇的是單步Khan and Greeves模型。設(shè)置求解器時，采用分離式求解器、隱式格式、有限體積法、SIMPLE算法。定義過量空氣系數(shù)α如式(1)所示：

(1)

式中：V為每立方米干燃?xì)鈱嶋H助燃空氣量，m3/m3；V0為每立方米干燃?xì)饫碚摽諝庑枨罅浚琺3/m3。

2 設(shè)計工況與邊界條件

2.1 工況設(shè)計

工況設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 工況設(shè)置

2.2 邊界條件設(shè)置

設(shè)置邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

3 模擬結(jié)果分析

3.1 火焰形狀與燃燒溫度

火焰燃燒溫度是燃燒現(xiàn)象的直觀反映。本文對不同工況下的火焰燃燒溫度云圖進(jìn)行了對比分析，如圖3所示。可以看出，但過量空氣系數(shù)小于1時，燃燒溫度較低，燃燒溫度的峰值在軸線兩側(cè)；隨著過量空氣系數(shù)增大，各燃燒區(qū)域的溫度均升高，且燃燒溫度峰值向軸線靠攏，在大約α=1.2時溫度峰值出現(xiàn)在軸線上。其原因是由于當(dāng)氧含量少時，燃料燃燒不充分，化學(xué)能未完全釋放，導(dǎo)致溫度較低。隨著氧含量的增加，燃燒化學(xué)反應(yīng)得以促進(jìn)，燃燒變得劇烈、溫度上升。

圖3 溫度分布云圖對比

3.2 燃燒速率

通過對軸向燃料濃度的變化來判斷參與化學(xué)反應(yīng)的燃料變化量，從而表征過量空氣系數(shù)對燃燒速率的影響，如圖4所示。

圖4 軸線CH4摩爾分?jǐn)?shù)分布

可以看出隨著過量空氣系數(shù)的增加，軸向甲烷摩爾分?jǐn)?shù)斜率明顯增大，證明了其對燃燒反應(yīng)的促進(jìn)作用。當(dāng)α為0.61時，甲烷有一定的出口濃度，但下降迅速，且當(dāng)α>1時，出口濃度為0。這說明隨著過量空氣系數(shù)的增大，氧化劑含量增大，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

3.3 碳煙生成與排放

本文就不同工況下碳煙的生成進(jìn)行了對比分析，其濃度云圖分布如圖5所示。可以看出：①碳煙生成區(qū)域在α=0.6～0.8時擴(kuò)大，在α=0.8～1.4時縮小；②碳煙濃度峰值出現(xiàn)在軸線兩側(cè)，隨過量空氣系數(shù)增大，峰值增大且逐漸向軸線靠攏，其規(guī)律與燃燒溫度分布相吻合。這說明溫度的升高會促進(jìn)碳煙的生成，與文獻(xiàn)[5-6]結(jié)論一致。過量空氣系數(shù)對碳煙排放濃度及其成核速率的影響如圖6所示。可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的增大，碳煙成核速率加快，碳煙排放濃度先增大后減小。當(dāng)α=0.8時達(dá)到極大值，在α>1時排放濃度保持在較低水平。

碳煙排放濃度受碳煙成核和碳煙氧化情況的綜合影響，其中根據(jù)氫提取-C2H2-加成(HACA)機(jī)理[7]，H自由基濃度在碳煙成核方面起到促進(jìn)作用；OH自由基是碳煙氧化作用的主要基團(tuán)[8]本文計算了各工況下H、OH自由基團(tuán)軸向截面平均濃度，計算式如式(2)所示。濃度分布對比情況如圖7、圖8所示。可以看出隨著過量空氣系數(shù)的增大，H、OH自由基團(tuán)濃度均上升，碳煙的成核速率與氧化作用均加強(qiáng)，兩方面因素作用耦合，影響了碳煙排放的規(guī)律。

(2)

式中：φ為通用變量；A是出口截面，Ai是面積微元。

圖5 碳煙濃度云圖對比

圖6 碳煙成核速率與平均排放濃度

圖7 H自由基摩爾分?jǐn)?shù)軸向分布

圖8 OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)軸向分布

3.4 NOx生成與排放

NOx是工業(yè)燃燒反應(yīng)的一種有害污染物，其中NO占比最高，約為95%[9]，因此本文對比分析了不同工況下NO的最大摩爾分?jǐn)?shù)與出口平均摩爾分?jǐn)?shù)，如圖9所示。可看出，隨著過量空氣系數(shù)增大，兩者濃度均在α=0.6～0.9與α>1.2時增大，在α=0.9～1.2時減小，在α=0.9取得極大值，在α=1.2時取得極小值。分析原因是因為隨著過量空氣系數(shù)的增大，氧氣含量升高，燃料反應(yīng)完全，燃燒溫度升高，促進(jìn)了熱力型NOx的產(chǎn)生。而α=0.9～1.2時減小，可能是由于H自由基濃度的上升抑制了N+OH<=>NO+H鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，同時氧化劑流量增大也稀釋了NO的濃度。通過對比分析，可得出α=1.2時是控制NOx排放的最佳系數(shù)值。

圖9 NOx的最大生成濃度與平均排放濃度

3.5 CO生成與排放

本文對比分析了不同工況下CO的最大摩爾分?jǐn)?shù)與出口平均摩爾分?jǐn)?shù)，如圖10所示。可以看出隨著過量空氣系數(shù)的增大，①CO最大摩爾分?jǐn)?shù)增大，這是由于CH4燃燒反應(yīng)包含CH4→CH3→CH2O→HCO→CO→CO2的過程[10]，O2濃度增大時鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以加速，促進(jìn)了CO的生成；②CO出口平均摩爾分?jǐn)?shù)減小，這是由于O2濃度增大，使得CO氧化加速。在α=0～1時急劇下降，在α>1是減小緩慢，故在CO防治上只需α>1即保證燃料充分燃燒即可。

圖10 CO最大生成濃度與平均排放濃度

4 最佳過量空氣系數(shù)分析

由各工況模擬結(jié)果分析可知，隨著過量空氣系數(shù)的增加，燃料燃燒溫度上升、燃燒速率加快；碳煙成核速率加快、碳煙排放濃度先增大后減小，在α>1時開始穩(wěn)定在較小值；NO排放濃度在α=1.1～1.2存在極小值；CO排放濃度在α>1時保持在較低水平并緩慢下降。由此綜合考慮得出最佳過量空氣系數(shù)宜取α=1.1～1.2。

5 結(jié) 論

本文針對過量空氣系數(shù)對甲烷燃燒特性的影響，基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理，設(shè)計了不同過量空氣系數(shù)工況，對比分析了各工況的燃燒溫度、燃燒速率以及主要污染物排放情況，得出以下結(jié)論。

(1)隨著過量空氣系數(shù)的增加，燃燒溫度上升、燃燒速率加快、高溫區(qū)由火焰兩翼向軸線靠攏。

(2)在污染物生成情況中，碳煙生成情況主要受燃燒溫度和氧化基團(tuán)OH濃度、H自由基濃度的影響。過量空氣系數(shù)增加時OH、H自由基濃度均上升，碳煙成核速率加快但氧化也加強(qiáng)，導(dǎo)致排放濃度先增大后減小。NOx的生成主要受燃燒溫度、H自由基濃度的耦合作用影響。CO的生成受燃燒速率影響，隨過量空氣系數(shù)的加大，CO峰值濃度升高、燃料反應(yīng)進(jìn)行愈發(fā)徹底，排放濃度下降。

(3)在控制污染物排放方面，在α>1時碳煙與CO排放濃度受到抑制；NO排放濃度在α=1.1～1.2存在極小值；綜合考慮得出最佳過量空氣系數(shù)宜取α=1.1～1.2。