摻混H2對(duì)CH4-空氣對(duì)沖擴(kuò)散火焰溫度和NOx生成影響的數(shù)值研究

呂志超，洪 洋，趙國江

（1.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318020；2.浙江邦得利環(huán)保科技股份有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引言

氫氣具有無污染、能量密度高、可存儲(chǔ)時(shí)間長、應(yīng)用方式廣泛等優(yōu)點(diǎn)，被看作是最具應(yīng)用前景的能源之一[1]。但氫氣的全周期能量轉(zhuǎn)換效率較低，運(yùn)輸成本高[2]。將氫氣通入現(xiàn)有天然氣管道，組成H2與CH4的混合氣是一種低成本、高效率 的 氫 能 利 用 方 式[3]，[4]。

雖然天然氣的燃燒產(chǎn)物大部分為H2O和CO2，H2的燃燒產(chǎn)物為H2O，對(duì)環(huán)境幾乎不造成污染。但是其混合氣在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有較大污染的NOx，通過改變某些燃燒條件可以控制NOx的生成，如改變氣體混合比例、燃燒溫度和壓力、火焰拉伸率等。張高強(qiáng)[5]通過數(shù)值模擬研究了CH4-空氣在不同CO2摻混率下的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)提高CO2摻混率可有效抑制NOx的生成[5]。袁也[6]研究了H2/CO合成氣中H2體積分?jǐn)?shù)對(duì)NOx生成的影響，研究結(jié)果表明，隨著H2體積分?jǐn)?shù)的增加，NO的生成量隨之增加，NO2的生成量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。沈文鋒[7]模擬研究了摻混NH3（燃料氮）的CH4對(duì)沖擴(kuò)散燃燒過程中壓力對(duì)NO生成的影響，發(fā)現(xiàn)壓力的升高抑制了HNO和H2NO的離解，使得燃燒型NO的生成受到了抑制。游濱川[8]對(duì)重整燃料在燃燒室中的燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明，相對(duì)于純甲烷燃料，水蒸氣的存在會(huì)降低重整燃料高溫區(qū)的溫度，從而降低NOx的生成量。張亞肖[9]采用FR-ED燃燒模型對(duì)天然氣貧預(yù)混燃燒室中NO的生成特性進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，蒸汽加濕可以顯著降低熱力型NO的生成速率，同時(shí)降低CO的峰值濃度。Chen Y[10]模擬研究了CO2代替空氣中的N2對(duì)CH4預(yù)混火焰的影響，研究結(jié)果表明，CO2的置換會(huì)降低火焰穩(wěn)定性，同時(shí)顯著降低火焰熄滅速度。

限制NOx的排放是高比例H2混合CH4發(fā)電技術(shù)中必須解決的問題，但是，有關(guān)摻混H2對(duì)CH4-空氣對(duì)沖擴(kuò)散火焰溫度特性以及NOx生成特性影響的研究還不多。因此，本文采用了CHEMKIN軟件中的OPPDIF Code模型來模擬層流對(duì)沖火焰，對(duì)火焰燃燒特性進(jìn)行研究，并運(yùn)用GRI3.0機(jī)理分析不同H2混合比例下的燃料燃燒過程。

1 物理模型

本文研究的CH4-空氣對(duì)沖擴(kuò)散火焰燃燒裝置的物理模型如圖1所示。燃料和空氣的流動(dòng)方向相向，H2與CH4摻混后由噴嘴噴出。燃料與空氣的軸向距離L為1cm，x=0cm處為燃料的起始射流位置，x=1cm處為空氣的起始射流位置。

圖1 物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical model

2 數(shù)學(xué)模型

在穩(wěn)態(tài)下，對(duì)沖擴(kuò)散火焰的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。本文研究的對(duì)象為混合氣體，還需要增加組分守恒方程作為控制方程。OPPDIF Code可以對(duì)燃燒器系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程及組分守恒方程聯(lián)立求解。對(duì)流項(xiàng)采用迎風(fēng)差分格式。網(wǎng)格采用自適應(yīng)網(wǎng)格，采用阻尼牛頓法計(jì)算方程。設(shè)定迭代誤差不超過10-6。GRI3.0機(jī)理可以較好地解釋CH4/H2合成氣的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

2.1 連續(xù)性方程

采用圓柱坐標(biāo)系，連續(xù)性方程表示如下：

式中：x，r分別為軸向和徑向坐標(biāo)；u，ν分別為軸向 和 徑 向 速 度 分 量，cm/s；ρ為 密 度，g/cm3。

2.2 動(dòng)量守恒方程

式 中：μ為 動(dòng) 力 黏 性 系 數(shù)，g/（cm·s）；H為 常 數(shù)。

2.3 能量守恒方程

式中：T為溫度，K；cp為混合物的定壓比熱容，J/（g·K）；λ為 混 合 物 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù)，W/（cm·K）；cp，k為 第k種 氣 體 的 定 壓 比 熱 容，J/（g·K）；Yk為k組分的摩爾分?jǐn)?shù)，%；ωk為k組分的摩爾生成速率，mol/（cm3·s）；hk為k組 分 的 比 焓，J/g；Vk為k組 分的 擴(kuò) 散 速 度，cm/s。

2.4 組分守恒方程

擴(kuò)散燃燒過程的組分守恒方程表示如下：

式中：Wk為第k種組分的分子量。

2.5 邊界條件

燃料側(cè)和空氣側(cè)的邊界條件分別設(shè)置如下：

式中：ρF和 ρO分別為燃料側(cè)和空氣側(cè)密度，g/cm3；uF和uO分別為燃料側(cè)和空氣側(cè)軸向速度分量，cm/s；TF和TO分別為燃料側(cè)和空氣側(cè)的溫度，K。

3 計(jì)算條件

火焰拉伸率K反映了對(duì)沖擴(kuò)散火焰氣體之間的混合強(qiáng)度以及氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)的停滯時(shí)間，其計(jì)算式為

式中：ν0和 νF分別為空氣和燃料的擴(kuò)散速度，cm/s。

噴嘴出口設(shè)定為常溫常壓，即氣體溫度為298K，設(shè)定氣體壓力為101325Pa，火焰拉伸率K分 別 為30，100s-1和300s-1，H2摩 爾 分 數(shù) 分 別為0，20%，50%和70%。

4 結(jié)果與分析

4.1 H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)擴(kuò)散火焰溫度的影響

不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)CH4-空氣擴(kuò)散火焰溫度分布的影響如圖2所示。由圖2可知：在3種火焰拉伸率下，溫度分布呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即在某一段中間距離內(nèi)，隨著火焰與燃料軸向距離的增大，溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。這是對(duì)沖擴(kuò)散火焰比較典型的特征[11]。在燃?xì)馀c空氣對(duì)流擴(kuò)散過程中，其在中間的某個(gè)位置上以一種最佳當(dāng)量比的混合狀態(tài)發(fā)生燃燒時(shí)，燃燒效果最佳，溫度也最高[12]。

當(dāng)燃料中的H2摩爾分?jǐn)?shù)增加時(shí)，峰值溫度出現(xiàn)的位置向著遠(yuǎn)離燃料的方向移動(dòng)。從傳質(zhì)的角度分析，H2與空氣擴(kuò)散傳質(zhì)的施密特?cái)?shù)（反映了動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞的難易程度，施密特?cái)?shù)越小，代表著氣體溶質(zhì)在溶劑里的擴(kuò)散能力越強(qiáng)）為0.20，而CH4與空氣擴(kuò)散傳質(zhì)的施密特?cái)?shù)為0.99。另外，氫氣的熱值約為CH4熱值的3倍，氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量所帶來的溫升明顯高于CH4。綜上可知，在燃料和空氣對(duì)沖擴(kuò)散過程中，隨著H2摩爾分?jǐn)?shù)的增加，火焰峰值溫度點(diǎn)會(huì)更靠近空氣區(qū)。在低火焰拉伸率（K=30s-1）下，這種變化更加明顯，當(dāng)H2摩爾分?jǐn)?shù)由0增加到70%時(shí)，火焰峰值溫度出現(xiàn)的位置依次為0.665，0.675，0.707，0.736cm。隨 著 火 焰 拉 伸 率 的 增大，這種變化越來越不明顯，在高火焰拉伸率（K=300s-1）下，當(dāng)H2摩爾分?jǐn)?shù)由0增加到70%時(shí)，火焰峰值溫度出現(xiàn)的位置依次為0.552，0.553，0.554，0.561cm。通 過 對(duì) 比 可 以 看 出，在 高火焰拉伸率下，隨著H2摩爾分?jǐn)?shù)的增加，CH4-空氣燃燒火焰峰值溫度出現(xiàn)的位置沒有發(fā)生明顯變化。

從圖2還可以看出：在靠近燃料起始射流位置以及空氣起始射流位置的一段距離內(nèi)，火焰溫度維持在氣體初始溫度不變；隨著火焰拉伸率的增加，這種趨勢更為明顯。這說明隨著火焰拉伸率的增加，主燃燒區(qū)的范圍變窄。

圖2 不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)CH4-空氣擴(kuò)散火焰溫度分布的影響Fig.2 Effect of H2mole fraction on the temperature distributions of CH4-air diffusion flame at different stretching rates

4.2 H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO生成量的影響

不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO生成量分布的影響如圖3所示。由圖3可知：在主燃燒區(qū)，隨著H2摩爾分?jǐn)?shù)的增大，NO生成量隨之增大，NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)的燃燒位置越發(fā)靠近空氣區(qū)；NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)的燃燒位置因火焰拉伸率的不同而略有差異，火焰拉伸率越高，NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)的燃燒位置的區(qū)別越小。

圖3 不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO生成量分布的影響Fig.3 Effect of H2mole fraction on the distributions of NO production at different stretching rates

不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)的影響如圖4所示。由圖4可知，在同一火焰拉伸率下，隨著H2摩爾分?jǐn)?shù)的增加，NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)隨之增加。這是因?yàn)镠2的熱值高于CH4，當(dāng)NO摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值時(shí)，火焰溫度最高，此時(shí)生成NO的化學(xué)反應(yīng)受熱力型NO機(jī)理的影響最大，而受快速型NO機(jī)理和N2O-中間體機(jī)理的影響并不明顯。火焰溫度越高，意味著熱力型NO機(jī)理的作用越強(qiáng)，NO生成量就越大。由圖4還可以看出，在同一H2摩爾分?jǐn)?shù)下，拉伸率越大，NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)越小。這表明火焰拉伸率的提高，使得反應(yīng)物在燃燒區(qū)的滯留時(shí)間縮短，抑制了NO的生成。

圖4 不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effect of H2mole fraction on the NO peak mole fraction at different stretching rates

4.3 H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO2生成量的影響

不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO2峰值摩爾分?jǐn)?shù)的影響如圖5所示。由圖5可知：在同一火焰拉伸率下，NO2峰值摩爾分?jǐn)?shù)隨著混合氣中H2摩爾分?jǐn)?shù)的增大而增大；在同一H2摩爾分?jǐn)?shù)下，NO2峰值摩爾分?jǐn)?shù)隨著火焰拉伸率的增大而降低。對(duì)比圖4，5可以發(fā)現(xiàn)，NO2峰值摩爾分?jǐn)?shù)與NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢類似。NO2的形成與分解分別依賴于反應(yīng)HO2+NO=NO2+OH和NO2+H=NO+OH。隨著H2摩爾分?jǐn)?shù)的增大，燃燒區(qū)的火焰溫度增高，NO的生成量隨之增大，促進(jìn)了生成NO2的化學(xué)反應(yīng)。

圖5 不同火焰拉伸率下H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)NO2峰值摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effect of H2mole fraction on the NO2peak mole fraction at different stretching rates

此外，在相同H2摩爾分?jǐn)?shù)下，火焰拉伸率越大，NO2峰值摩爾分?jǐn)?shù)越小。這是因?yàn)榛鹧胬炻实脑黾右种屏薔O的生成，在反應(yīng)HO2+NO=NO2+OH中，NO的摩爾分?jǐn)?shù)降低后，會(huì)導(dǎo)致NO2的摩爾分?jǐn)?shù)降低。NO和NO2的摩爾分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，這一點(diǎn)也可以從圖4，5中NO和NO2峰值摩爾分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系中看出。

5 結(jié)論

本文使用CHEMKIN軟件中的OPPDIF Code模型模擬了CH4中摻入不同比例的H2對(duì)CH4-空氣對(duì)沖擴(kuò)散火焰溫度變化特性以及NOx生成特性的影響，分析了不同H2摩爾分?jǐn)?shù)火焰拉伸率下火焰溫度的變化規(guī)律以及NO和NO2生成量的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

①在主燃燒區(qū)內(nèi)，隨著與燃料軸向距離的增加，火焰溫度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，存在一個(gè)溫度峰值點(diǎn)，此點(diǎn)為燃燒最佳當(dāng)量比的位置。在主燃燒區(qū)外，火焰溫度與初始?xì)怏w溫度基本保持一致。

②隨著混合燃料中H2摩爾分?jǐn)?shù)的增大，火焰溫度峰值點(diǎn)出現(xiàn)的位置向空氣區(qū)靠攏。隨著火焰拉伸率的降低，H2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)火焰溫度峰值點(diǎn)位置變化的影響有所增大。③隨著混合燃料中H2摩爾分?jǐn)?shù)的增大，NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)隨之增大。在主燃燒區(qū)，NO的摩爾分?jǐn)?shù)隨著軸向距離的增大而呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。當(dāng)H2摩爾分?jǐn)?shù)增加時(shí)，NO峰值摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)的位置更靠近空氣區(qū)，隨著火焰拉伸率的增大，這種變化變得不明顯。

④NO和NO2的峰值摩爾分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出相似的變化特性，隨著H2摩爾分?jǐn)?shù)的增加，NOx峰值摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)遞增的變化趨勢，但是火焰拉伸率的加大會(huì)降低NOx的生成。