氧濃度、壓力對甲烷/空氣層流擴散燃燒特性影響的數值模擬研究

胡家龍，任 航，聶曉康，楚化強

(安徽工業大學能源與環境學院，安徽 馬鞍山 243002)

隨著現代社會的飛速發展，工業和經濟的發展、城市化程度的提升，燃料消耗量持續增長，帶來的負面影響是空氣、水受到污染，生態環境遭到破壞，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生NOX等污染物，不僅污染環境，也極大的危害人類的健康[2-6].黨的十九大之后，我國出臺了一系列改革措施，發展清潔能源是改善能源結構、保障能源安全、推進生態文明建設的重要任務.隨即旨在提高現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重要的課題，富氧燃燒、高壓環境燃燒特性成為了研究的熱點.

氧氣在燃燒的過程中起到十分重要的作用，是燃燒反應得以實現的必要因素.富氧燃燒技術因其工業化技術風險較低，可有效提高設備燃燒效率，而被廣泛用鍋爐等燃燒設備[7-8].隨著氧濃度的增加，楚化強等[9]研究了CO2和富氧空氣對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律.曹文健等[10]實驗發現O2/N2氣氛下甲烷擴散燃燒的火焰高度會隨之降低、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，結果表明，隨著氧氣濃度的增大，燃燒器內部整體溫度變高，NOX濃度也隨之增加.Gilard等[12]研究了富氧空氣伴流對甲烷層流擴散火焰閃爍的影響，結果發現氧含量的增加降低了火焰長度和火焰上升高度，外部剪切層的不穩定性被推到下游，從而改變了火焰振蕩的行為.當氧含量超過一定量時，火焰振蕩現象消失.楊浩林[13]通過實驗與數值模擬的方法研究了甲烷富氧層流燃燒特性和NOX排放，發現二氧化碳稀釋燃料對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燃燒特性的影響規律和最佳的氧氣/二氧化碳配比.劉暢[15]對富氧條件下天然氣的燃燒進行了數值模擬，研究氧氣濃度與NOX生成量之間的關系.

在層流擴散火焰的研究中，壓力是影響層流擴散火焰特性的重要因素.許多燃燒裝置在高壓下運行，以達到最佳效率和緊湊的尺寸等[16].壓力升高會通過增加密度、縮小火焰、加速燃料的熱解[17-19]，從而對燃料的燃燒特性和污染物的生成產生影響[20].Gülder 課題組[21-22]分別對甲烷/空氣在2 atm～8 atm壓力下擴散燃燒特性進行了實驗和模擬研究，發現隨著壓力的增高，火焰會變窄，火焰高度相對變化較小，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下的甲烷擴散燃燒，發現隨著壓力的提高，火焰半徑逐漸變小，火焰長度先增加后逐漸減小.并且對這種現象進行了解釋分析，他們認為提高環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上，Tu等[24]對高壓(1 atm～8 atm)條件下甲烷燃燒特性進行了計算流體動力學模擬，他們發現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NOX的排放起到一定的限制作用.Yang等[25]通過對甲烷/空氣在高壓下(2 atm～10 atm)的同軸層流擴散燃燒狀態進行研究發現，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]對甲烷/氧氣在高壓下的同軸層流擴散燃燒狀態進行了系統的研究，揭示了穩態燃燒與周期性脈動燃燒之間的燃燒狀態.Cao等[27]研究了壓力和燃料稀釋對同向層流-空氣擴散火焰結構和幾何形狀的影響.在考慮熱物性和傳輸物性變化的基礎上，俞吉[28]建立了一套關于高壓層流對沖火焰和非預混湍流燃燒過程的計算軟件模塊，并在此基礎上探討了甲烷/空氣的高壓層流對沖火焰的燃燒特性.

雖然正庚烷、異辛烷等大分子液態燃料是目前研究的重點和熱點，但在燃燒過程中，大分子碳氫分子經過熱、裂解形成簡單的碳氫分子或鍵位，因此選用作為基礎的簡單碳氫燃料甲烷為研究對象，對以后研究大分子碳氫燃料有重要的意義[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，然而其基本機制仍尚不明晰，因此，有必要進一步研究氧濃度、壓力的影響趨勢，從而為節能減排提供一定的依據.

1 數值模擬方法

1.1 計算區域及邊界條件

燃燒器主要由兩個同心空心圓管組成，內管直徑為10.8 mm，外管內徑為44.4 mm，內管壁厚為1 mm，內管管口比外管高3.8 mm.由于研究對象具有良好的空間對稱性，因此可將計算區域設為中心平面的一半，這樣可以在不影響模擬結果的情況下減小計算成本.燃燒器結構及簡化后的計算區域如圖1所示.

圖1 燃燒器結構及計算區域

1.2 模型選擇

利用Fluent 軟件模擬計算時，相關物理模型的選擇至關重要，模型的選擇準確與否會直接影響到模擬結果的準確性、真實性.

(1)粘性模型：雷諾數小于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：本文采用非預混燃燒，假定研究對象為二維穩態燃燒，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]的生成創造了有利的條件，導致熱力型NOX生成量占NOX產量的主導位置[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，達到更為真實有效的分析效果.

(5)組分運輸和算法：層流擴散火焰，燃燒結構為燃料和氧化劑(空氣)分開進入燃燒區，為典型的非預混火焰，本文采用Non-Premixed模型和SIMPLE算法.

(6)邊界條件：在擴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 網格獨立性

在低密度網格條件下，計算精度隨著網格數的增加而增加.網格數越多，計算所需的時間就越多.因此，在有限的計算資源條件下，計算結果依賴于網格.在進行數值計算過程中，為了排除網格密度對計算結果的影響，通常要計算多套疏密程度不同的網格系統，并比較不同網格系統下的計算結果，評價計算結果偏差，此過程即稱為網格獨立性驗證[40].

根據建立好的模型進行了網格劃分，本文分別建立了三種不同數量的網格系統，數量分別為47 498、122 196、194 250，如圖2所示.由圖2可知，溫度分布和火焰結構吻合良好，誤差在可接受范圍內.為保證模擬結果精度良好，本文選取122 196個網格用于后期模擬.

圖2 網格數對火焰溫度分布對影響

1.4 數值模擬工況

不同氧濃度時模擬工況.對于壓力影響，如表1所示.本文設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 不同氧濃度時氧化劑各組分所占體積分數

2 模型驗證

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[23]中的結果進行對比，本文選擇了相同幾何模型，即內管直徑為3 mm、外管直徑為25.4 mm、壁厚為0.5 mm.本文所采用反應機理與覃建果等[23]略有不同，因此兩者模擬結果可能會存在一定的差異，但對整體趨勢的影響有限.火焰中模擬溫度、NOx與文獻結果的對比情況，如圖3所示.結果發現，火焰的結構、溫度以及NO的生成的趨勢大體上與覃建果等[23]的模擬結果一致，特別是溫度分布.考慮到機理不同，計算誤差在允許范圍內，因此可認為本模型是合理的.

圖3 火焰中模擬溫度、NOx與文獻結果對比

3 結果與討論

3.1 不同氧濃度的影響

3.1.1 火焰溫度分布

不同氧濃度時火焰溫度變化如圖4所示.由圖4可見，火焰長度隨著氧氣濃度的增加而減小，且氧氣體積分數小于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]通過實驗的方法研究了層流擴散燃燒火焰的燃燒特性，同樣發現了火焰長度開始會隨著氧濃度的增加而大幅下降，然后縮短趨勢逐漸變緩，這也與覃建果等[23]的研究結果較為吻合.進一步，可以從圖4的變化趨勢看出，火焰內部的未燃區域逐漸縮小，從開始的25 mm左右逐漸下降到5 mm左右.計算區域中的高溫區域也逐漸變小.這是由于氧氣對燃燒反應的促進作用，反應區氧氣的含量增加，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，加劇了反應的進行，提高了反應區溫度，未燃區縮小.同時氧濃度的增加意味著N2的減少，也就意味著燃燒時用于加熱N2和N2參與使得甲烷不能完全釋放生成焓的反應減少，導致火焰的溫度會逐漸提高.

圖4 不同氧濃度時火焰溫度變化

3.1.2 NOX濃度

不同氧濃度時火焰中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，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%氧濃度時生成量相對較少，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，發現隨著氧濃度的提升NOX生成量快速增長.劉暢[15]則是對21%～100%氧濃度情況下的NOX生成情況進行了研究，他們發現氧濃度在70%附近NOX生成量會達到峰值.可見，這些結果與本文的結果趨勢基本一致.

圖5 不同氧濃度時火焰中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，但是當氧濃度達到31%后，NOX的生成量快速增加，這是因為一開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]，而且當溫度低于1 300 ℃時，NOX生成量不大，而當溫度高于1 300 ℃時，溫度每增加100 K，反應速率增大6倍～7倍，因此這會導致NOX生成量快速增加.而氧濃度為99%時，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相對較少.

3.1.3 對溫度、NO濃度最大值的影響

不同氧濃度時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]兩人的發現一致.

圖6 不同氧濃度時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度變化規律，并且認為環境壓力的增大會使火焰卷吸能力變強，使得燃燒能力變強.在1 atm～10 atm之間，最高燃燒溫度略有提升，但當壓力提升至30 atm～40 atm之間后，燃燒溫度不升反降，這說明環境壓力的增加只能在一定范圍能增強燃燒能力.這可能是因為在壓力不是太高時，環境壓力升高使得氧化劑和燃料的濃度相對于常壓略高，能更好的混合，因此燃燒溫度略有提高.但是擴散進入燃料內部的氧化劑中大量的N2只有很少一部分參與了反應，由于壓力的升高氣體的擴散受到一定程度的限制，使得未參與反應的N2聚集在火焰附近處，阻礙了反應的進行.壓力較高時，N2離開會變得困難，因此燃燒溫度會降低.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，導致火焰高度上升.當壓力升高到一定程度后，氧化劑擴散進入燃料的未燃區域，這會導致火焰高度出現一次大幅下降.

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長.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，一定壓力范圍內壓力的增大會對溫度和NOX生成量起促進作用，這是因為壓力的增大使得燃料和氧化物的濃度相對提高，使之混合的更加充分，增加了反應區燃料和氧化劑的有效碰撞，促使燃燒反應的進行，火焰溫度升高；火焰溫度的升高促進熱力型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的生成創造了有利的條件，導致熱力型NOX生成量占NOX產量的主導位置，熱力型NOX生成的增加，從而使得整體NOX的生產量增加.但是隨著壓力的進一步繼續增加，壓力對氣體的擴散限制作用加強，N2在反應區積累，阻礙了燃料和氧化劑的混合，導致有效碰撞減少，反應速率降低，火焰溫度降低，由于熱力型NOX對溫度的依存關系，溫度的下降使得NOX的生成量減小.

3.2.3 對溫度、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，增加壓力會使燃燒溫度上升，但同時也會使NOX排放量增加；當壓力超過20 atm時，火焰最高溫度和NOX均下降.當壓力處于20 atm附近時，火焰溫度降低，而NOX產量的降低有所滯后.這是由于壓力對燃料和氧化劑擴散的限制，進入反應區的空氣與甲烷反應后，剩余的N2離開反應區變得困難，使得未參與反應的N2聚集在反應區附近，減緩了反應進行，此時火焰溫度雖有下降但仍能促使熱力型NOX的生成，導致NOX生成量繼續升高.隨著壓力進一步提高，反應溫度繼續降低，溫度對熱力型NOX的生成促進作用減弱，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 論

本文基于Fluent模擬，研究了氧濃度、壓力對甲烷/空氣層流擴散燃燒特性的影響，分析了火焰溫度、火焰結構及NOX濃度隨氧濃度、壓力的變化規律，主要得到以下結論：

(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，尤其當氧濃度31%～71%，NOX濃度快速增加，這主要是由于溫度升高導致熱力型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時達溫度到最大值.

(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.