不同初始条件下页岩气层流燃烧火焰结构分析

刘 帅，王 忠，李铭迪，赵 洋，李瑞娜

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)

页岩气是一种存在于致密细碎屑岩中的非常规天然气.目前，全球页岩气探明储量达456.2万亿m3，占天然气总储量的 11.7%［1］.与常规天然气比较，我国页岩气储量丰富，分布广范，可采深度大，能够长期稳定产气，具有巨大的开发利用潜力［2］.页岩气主要是由甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷和异丁烷等烷烃类气体组成，其中主要成分甲烷约占46.5% ～99.8%.

围绕天然气等其他气体燃料的层流燃烧与不同初始条件对层流火焰的影响等方面，国内、外学者开展了相关研究.王彬彬等［3］研究了不同掺氢比和稀释因子对LPG/空气的自由蔓延火焰结构影响，模拟分析了对撞双火焰的加氢LPG火焰，掺氢可以提高稀薄燃烧极限，增加火焰的稳定性;张志远等［4］采用一个扩展的乙醇化学反应动力学机理，计算了不同初始条件下乙醇/空气混合气层流火焰中自由基等的分布规律，得到了OH，H和O基浓度随初始压力增加而减小，随初始温度增加而增加，随氮气稀释度的增加而减小的结果;刘玉英等［5］对甲烷/空气对冲扩散火焰的稳定性进行了研究，增大反应物预热温度可以拓宽火焰稳定燃烧区域，增加氧化剂稀释率会降低稀释火焰的稳定性;胡二江等［6］采用试验与模拟相结合的方法，研究了C1-C4烷烃燃料的预混层流燃烧速度和着火延迟期的差异，甲烷燃烧速度最小，着火延迟期最长，乙烷燃烧速度最快，着火延迟期最短.研究现状表明:气体燃料组分的变化对火焰结构存在影响，页岩气的组分与天然气存在差异，针对页岩气预混层流火焰结构的研究所见文献不多，初始条件的变化影响层流火焰结构，有必要围绕不同初始条件下页岩气的预混层流火焰结构开展研究.

笔者应用Chemkin4.5中预混层流火焰速度模型［7］，围绕不同初始条件对页岩气预混层流燃烧速度的影响开展研究，分别改变初始温度、初始压力和氮气稀释度，探讨页岩气预混层流燃烧反应中反应物、生成物和自由基摩尔分数的变化趋势，分析H+OH基的摩尔分数峰值和绝热火焰温度随初始条件的变化规律.

1 机理的构建与验证

我国云南昭通地区页岩气中C1-C4烷烃类气体体积分数分别为 78.90%，12.60%，4.90%，0.76%［1］，不考虑气体中的其他成分，计算采用的页岩气中烷烃类气体体积分数分别为79.00%，14.00%，6.00%，1.00%.采用的化学反应机理为USC Mech2.0 机理［8］，通常用于分析 C1-C4 碳氢燃料和合成气的层流预混火焰、流反应器和激波管内的燃烧等过程［6］，机理包括111个物种和784个基元反应.

为了验证USC Mech2.0化学反应机理对页岩气预混层流燃烧火焰结构研究的准确性，采用Chemkin层流火焰燃烧速度模型和该化学反应机理，模拟了初始温度为300 K，初始压力为0.1 MPa，当量比在0.6～1.3范围内，占页岩气成分达90%(体积分数)以上的甲烷和乙烷预混层流燃烧火焰速度，与文献［6］中的试验测量结果进行了比较.甲烷和乙烷预混层流燃烧速率模拟结果与试验结果的比较如图1所示，在当量比为0.6～1.3范围内，试验得到的结果与模拟结果基本一致，其中，当量比在0.9～1.2范围内，甲烷的试验值与模拟值误差只有1%左右.

图1 USC Mech2.0机理验证

围绕页岩气的预混层流燃烧火焰结构，采用了USC Mech2.0的机理，考虑了初始温度在350～450 K范围内变化，初始压力和氮气稀释度的变化区间分别为0.1～0.5 MPa和0% ～79%(文中稀释度值为体积分数)，对反应物、生成物和自由基的摩尔分数与绝热火焰温度进行了仿真.

2 火焰结构分析

通过研究火焰传播过程中各种物质浓度的变化，可以对页岩气预混层流燃烧火焰结构进行分析.自由基引发的链传播和链引发反应是火焰传播的动力，自由基浓度在预混层流燃烧中起重要作用，是衡量火焰稳定性的重要指标.绝热火焰温度是表征可燃混合物热力学特性的一个重要参数，体现出反应物的放热能力，是影响层流燃烧速度的主导因素，对火焰传播速度、火焰熄灭和着火极限等参数有重要的影响［9］.

2.1 不同初始温度

初始压力为0.1 MPa，氮气稀释度为79%，初始温度分别为350，400 K时［10］，页岩气预混层流燃烧反应物和生成物摩尔分数变化曲线如图2所示，当初始温度变化时，火焰高度在0.050～0.100 cm范围内，燃烧反应集中发生，反应物和生成物的摩尔分数变化幅值大;反应中，CO的摩尔分数随火焰高度的变化，呈现先增大后降低的趋势，说明页岩气的消耗速率快于CO的生成速率，而CO的生成速率又快于 CO2的生成速率［11］.

图2 初始温度对反应物和生成物摩尔分数的影响

初始压力为0.1 MPa，氮气稀释度为79%，初始温度分别为350，400 K时，页岩气预混燃烧中，自由基的摩尔分数变化曲线如图3所示，随着火焰高度的增加，OH，H和O基的摩尔分数呈现先迅速增大再缓慢降低的趋势，火焰高度到达0.24 cm时，达到稳定，其中OH基的摩尔分数最高;HO2和H2O2基的摩尔分数随火焰高度的增加呈现先增大后迅速降低的趋势，相比于其他3种自由基，HO2和H2O2基摩尔分数低，峰值出现早.比较图3a，b可以看出:页岩气在燃烧反应中，随着初始温度的增加，OH基和H基的摩尔分数峰值增大，其他自由基的摩尔分数峰值变化不大.

层流燃烧中H基和OH基的摩尔分数变化最为明显，层流燃烧速度与火焰中H基和OH基的摩尔分数密切相关，特别是与H+OH基摩尔分数峰值密切相关［12］.页岩气预混层流燃烧反应中，初始压力和氮气稀释度不变，H+OH自由基摩尔分数峰值和绝热火焰温度随初始温度的变化曲线如图4所示，随着初始温度的提高，H+OH自由基摩尔分数峰值逐渐增大，这是造成页岩气预混层流燃烧速率变快的主要原因之一;初始温度为350 K时，绝热火焰温度为2 100 K，当初始温度升高到450 K时，绝热火焰温度增加到2 120 K，初始温度每上升20 K，绝热火焰温度升高1～5 K，初始温度提高，反应中自由基的流动速度加快，增加了反应释放的能量，导致绝热火焰温度的增加，提高了预混层流燃烧速率.

图3 初始温度对自由基摩尔分数的影响

图4 初始温度对H+OH基摩尔分数峰值和绝热火焰温度的影响

2.2 不同初始压力

初始温度为400 K，氮气稀释度为79%，初始压力分别为0.1，0.5 MPa时，页岩气预混层流燃烧反应物和生成物摩尔分数的变化曲线如图5所示，初始压力为 0.1 MPa时，反应集中在火焰高度为0.050 ～0.100 cm 内发生，初始压力增加到 0.5 MPa，反应集中区域的火焰高度降低，反应物和生成物的摩尔分数变化明显加快;随着初始压力的增加，CO2摩尔分数峰值增加了0.016，CO摩尔分数减小了0.009，反应更加完全.

图5 初始压力对反应物和生成物摩尔分数的影响

初始温度为400 K，氮气稀释度为79%，初始压力分别为0.1，0.5 MPa时，自由基的摩尔分数变化曲线如图6所示，初始压力为0.1 MPa时，火焰高度在0.113～0.135 cm 范围内，OH，H 和 O 基的摩尔分数分别达到最大值，OH基摩尔分数峰值最大，HO2和H2O2基的摩尔分数峰值在火焰高度为0.075 cm左右处出现，H2O2基摩尔分数峰值最低;初始压力升高到0.5 MPa，OH，H和O基摩尔分数最大值和平衡状态的摩尔分数下降，最大值出现时的火焰高度降低，反应集中发生区域的范围缩小.比较图6a，b可以看出:页岩气在预混层流燃烧反应中，随着初始压力的增大，燃烧反应加剧，自由基摩尔分数下降，由于反应速率的增加小于密度的增加，火焰传播速度下降.

图6 初始压力对自由基摩尔分数的影响

页岩气预混层流燃烧反应时，初始温度和氮气稀释度不变，H+OH自由基摩尔分数峰值和绝热火焰温度随初始压力的变化曲线如图7所示，初始压力为0.1 MPa，H+OH自由基摩尔分数峰值达到0.014 950，当初始压力升高到0.5 MPa，摩尔分数峰值下降到0.008 641，初始压力增加，燃烧反应加剧，但H+OH基摩尔分数峰值下降，火焰传播速度降低;初始压力为0.1 MPa时，绝热火焰温度达到2 110 K，当初始压力升高到0.5 MPa时，绝热火焰温度升高到2 285 K，随着初始压力的增加，反应物裂解作用减弱，吸收热量减少，绝热火焰温度升高［13］.

图7 初始压力对H+OH基摩尔分数峰值和绝热火焰温度的影响

2.3 不同气体稀释度

氮气稀释度表征氮气占氮气与氧气混合气中的比例.氮气稀释度分别采用代表纯氧的0%，20%，40%，60%以及代表空气中氮气比例的79%.初始温度为400 K，初始压力为0.1 MPa，氮气稀释度分别为0%和79%时，页岩气预混层流燃烧反应物和生成物摩尔分数变化曲线如图8所示.

图8 稀释度对反应物和生成物摩尔分数的影响

氮气稀释度为0%时，燃烧反应集中发生在火焰高度为0.050～0.075 cm处，当氮气稀释度达到79%时，反应集中区域变宽，反应物和生成物的摩尔分数变化率下降;氮气稀释度为0%，燃烧稳定后，生成物中CO的摩尔分数大于CO2，主要由于初始状态时，页岩气浓度相比于空气浓度较高，当量比较大，燃烧环境缺氧，燃烧不完全.

初始温度为400 K，初始压力为0.1 MPa，氮气稀释度分别为0%和79%时，自由基的摩尔分数变化曲线如图9所示，氮气稀释度为79%时，OH，H和O基摩尔分数峰值的数量级为10-3，峰值出现在火焰高度为0.113～0.135 cm处，OH基摩尔分数最大，其次是H基摩尔分数，HO2和H2O2基的摩尔分数峰值数量级为10-5，反应速率由OH，H和O基决定，到达最大值以后，摩尔分数下降，火焰高度在0.250 cm左右，达到稳定;氮气稀释度降到0%，自由基摩尔分数迅速增大，OH，H和O基的峰值出现在火焰高度为0.070 cm左右，反应区域集中，摩尔分数到达峰值后稳定.比较图9a，b，可以看出:页岩气在预混层流燃烧反应中，随着氮气稀释度的增大，自由基摩尔分数下降，反应速率下降，火焰传播速度降低.

图9 稀释度对自由基摩尔分数的影响

页岩气预混层流燃烧反应时，初始温度和初始压力不变，H+OH自由基摩尔分数峰值和绝热火焰温度随氮气稀释度的变化曲线如图10所示，氮气稀释度为0%时，H+OH基摩尔分数峰值达到0.154 000，当稀释度升高到79%时，自由基的摩尔分数峰值下降到了0.015 000，H+OH基摩尔分数峰值的下降是造成页岩气火焰传播速度下降的主要原因之一;稀释度为0%时，绝热火焰温度达到3 072 K，稀释度升高到79%，绝热火焰温度下降到2 110 K，下降幅值达到962 K，氮气稀释度增加，分享了一部分化学反应释放的能量，导致绝热火焰温度的降低［14］，绝热火焰温度的降低使页岩气燃烧反应速率下降，预混层流燃烧速度降低.

图10 氮气稀释度对H+OH基摩尔分数峰值和绝热火焰温度的影响

3 结论

1)页岩气预混层流燃烧反应中，初始温度影响燃烧速率，当初始温度增加时，反应物和生成物浓度、自由基摩尔分数和绝热火焰温度都增加，燃烧反应速率提高，火焰传播速度加快.

2)随着初始压力的增加，燃烧反应区域集中，反应物、生成物和自由基浓度明显降低，火焰传播速度减慢;由于反应物裂解作用减弱，吸收热量减少，绝热火焰温度增加.

3)氮气稀释度对页岩气预混层流燃烧火焰结构有影响.氮气稀释度增加，反应物、生成物和自由基摩尔分数的降低和绝热火焰温度下降，燃烧反应速率降低，火焰传播速度下降.

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