H2O对合成气火焰燃烧特性的影响

厉剑梁

(中国华电集团公司，北京 100031)

H2O对合成气火焰燃烧特性的影响

厉剑梁

(中国华电集团公司，北京 100031)

使用Chemkin软件对CO/H2合成气在O2/N2/H2O气氛下预混火焰的火焰传播速度和着火延迟时间进行数值模拟。模拟选用GRI-Mech 3.0反应机理。模拟结果表明，H2O的性质尤其是化学性质对燃烧特性有重要影响。在低H2含量时，H2O的化学性质提高火焰传播速度，降低着火延迟时间。在高H2含量合成气燃烧中，H2O的化学性质会降低火焰传播速度以及着火延迟时间。

富氧燃烧，燃烧特性，化学影响

0 前言

Oxy-fuel燃烧技术是如今备受瞩目的一种新型燃烧技术[1]，该燃烧技术通过O2代替空气作为氧化剂与燃料混合燃烧，燃烧产物主要为H2O和CO2，此时出口烟气中的CO2含量可以达到80%，而高含量的CO2更利于烟气的分离和净化。由于燃烧产生的高温以及能够减少碳捕集过程中需要分离的成分，Oxy-fuel燃烧技术能够很好地提高燃烧系统的效率。在Oxy-fuel燃烧技术的基础上，Anderson[2]等人提出用水蒸气替代循环烟气作为稀释剂参与燃烧，即实现燃料在O2/H2O气氛下的燃烧。与O2/CO2燃烧技术相比，O2/H2O燃烧技术避免了烟气循环系统，同时仅通过冷凝出口烟气就能得到高纯度的CO2。此外，O2/H2O燃烧技术还能进一步降低氮氧化物的排放[3]。因此，O2/H2O燃烧技术被认为是新一代的富氧燃烧技术。

但是在O2/H2O气氛下，H2O替代N2会对燃烧过程产生影响，这些影响不仅是H2O的物理性质(比热容、扩散系数等)造成的，还来自于H2O的化学特性产生的影响。在燃烧过程中，除了与NOx相关的反应，N2基本不参与其他化学反应，可以被认为是惰性气体，而H2O由于自身的特点，既可以是生成物，也可以作为反应物。因此，当氧化剂中含有H2O时，燃烧特性需要重新认识。

为了能够对O2/H2O燃烧的燃烧特性有更进一步的理解，科研人员开展了一系列的实验和模拟。Park[4]研究了H2O的添加对甲烷在空气气氛下燃烧中的火焰结构和NOx排放特性的影响。研究发现添加少量水蒸气时H2O的化学效应会提升最大火焰温度，而且会降低CO的排放指数，升高CO2的排放指数。Richards[5]等使用Chemkin软件比较了O2/CO2和O2/H2O气氛下的燃烧火焰的停留时间和CO平衡浓度。结果发现CO2气氛下火焰的停留时间比H2O气氛下的停留时间长5～7倍，并且CO2气氛下的CO的平衡浓度更高。Tu[6]等通过FLUENT数值模拟方法探讨H2O对煤粉富氧无焰燃烧的影响。研究发现H2O的添加相对于CO2气氛可以提高火焰温度，H2O的添加可以导致煤粉发生气化反应产生大量的H2从而促进煤粉着火，而且H2O可以抑制HCN的转化，H2的存在会促进NO-Reduction机理的转化，降低污染物NO的排放。

合成气是一种清洁能源，其来源广泛，由煤炭、生物质等热解或者气化产生，主要由CO和H2组成。在过去几十年，许多学者对H2/CO合成气火焰的燃烧特性的研究产生了极大的兴趣。但是目前的研究主要集中在N2气氛或者CO2气氛下，对在O2/H2O燃烧气氛下的CO/H2的燃烧特性的研究较少。在这里，本文研究了O2/H2O燃烧气氛下CO/H2燃烧的火焰传播速度，讨论H2O对火焰传播速度的影响。

1 数值模拟方法

本文采用化学动力学分析软件Chemkin的PREMIX模型。层流预混反应模型是个理想化的模型，火焰为一维稳定火焰，整个燃烧过程是等压绝热过程。

在这里，为了研究H2O的化学性质对整个燃烧过程带来的影响，本文在模拟时虚构了一种组分X，X具有与H2O相同的热力特性和扩散特性，但是这种虚构的组分不参与任何化学反应，可以认为是一种惰性气体。

·60·

在本文，计算的合成气燃料采用H2体积分数分别为10%和50%的合成气，氧化剂为O2/N2/H2O(X)的混合气体，各组分的体积比见表1。此外，反应物初始温度为398 K，压力为0.101325 MPa(1 atm)。

表1 氧化剂各组分体积比

本文采用GRI-Mech3.0机理[7]，包含53种组分和325步基元反应。该机理适用的反应条件为温度在1 000～2 500 K，压力在0.001 333 MPa(10 torr)与1.013 25 MPa(10 atm)之间，当量比在0.1～5的范围内。该机理是经过优化的详细化学反应机理，目前被广泛应用于CH4、H2、CO气体燃烧模拟中并且在大量的实验数据中得到很好的验证。

2 H2O对火焰传播速度的影响

在H2含量为10%时预混火焰中添加不同比例H2O的层流火焰速度数据如图1所示。从图中可以看出，H2O参与化学反应时的火焰传播速度大于H2O不参加化学反应时的速度，这说明H2O的化学性质促进火焰速度的传播。另一方面，随着H2O的添加比例的增加，火焰传播速度首先增大，当H2O添加比例达到30%时，火焰传播速度达到最大值，该结果与文献中获得的结论相似。H2O比例继续增大，此时火焰传播速度开始下降。而当添加的H2O不参加反应，即当稀释剂为X火焰传播速度随着稀释剂比例升高不断降低。这说明当H2O的比例为30%时的化学性质的影响最大。

图1 H2/CO(10∶90)燃料在不同H2O/X比例下火焰传播速度

在H2含量为50%时预混火焰中添加不同比例H2O的层流火焰速度如图2所示。可以发现，此时H2O参与化学反应时的火焰传播速度小于H2O不参加化学反应时的速度，这说明当高H2含量时，H2O的化学性质抑制火焰速度的传播。这一点与低H2含量时的结果完全相反。而且随着H2O含量的增加，火焰传播速度也没有出现先增大后降低的现象，而是一个单调下降的过程。

图2 H2/CO(50∶50)燃料在不同H2O(X)比例下火焰传播速度

3 H2O对着火延迟时间的影响

在实验中，有很多种方法可以确定着火延迟时间，这些方法由实验测量过程决定。本文选择以温度梯度(dT/dt)的最大值作为判定着火延迟时间的依据。H2含量为10%时预混火焰中添加不同比例H2O的着火延迟时间如图3所示。

图3 H2/CO(10∶90)燃料在不同H2O/X比例下的着火延迟时间

从图3中可以看出，H2O参与化学反应时着火延迟时间更长，这说明H2O的化学性质的影响会使着火延迟时间增加。此外，随着H2O添加比例的增加，着火延迟时间会增加，这是由于H2O的比热容大于N2的比热容，导致火焰温度随着H2O的添加而降低，从而延长了着火延迟时间。相比于H2O的添加，虚拟物质X的添加对着火延迟时间的影响相对较小。这是由于此处的变化仅仅来自于H2O的物理性质的影响，这也说明H2O的化学性质对着火延迟时间的影响更大。在H2含量为50%条件下的预混火焰中添加不同比例H2O的着火延迟时间如图4所示。对比图3，50%H2时的着火延迟时间缩短，H2的添加有利于燃料的着火。而且图4中化学性质的影响相比于图3也更大，这表明H2O的化学性质对着火延迟时间的影响在高H2含量合成气中更加明显。

图4 H2/CO(50∶50)燃料在不同H2O/X比例下的着火延迟时间

4 结束语

本文通过使用水蒸气替代空气中N2的方法，研究了H2O的化学性质对两种不同H2含量的合成气预混火焰的火焰传播速度和着火延迟时间的影响，可以得出以下结论。

(1)在低H2含量时，H2O的化学性质促进火焰的传播。在高H2含量时，H2O的化学性质抑制火焰的传播。并且随着H2O的添加，高H2含量合成气火焰的传播速度下降速率更快。

(2)在两种燃烧过程中，H2O的化学性质都会导致燃烧的着火延迟时间变长。H2O的化学性质对着火延迟时间的影响在高H2含量合成气中更加明显。

[1]LAI X,Ye Z,XU Z,et al.Carbon capture and sequestration(CCS)technological innovation system in China:Structure,function evaluation and policy implication[J].Energy Policy,2012,50(11):635-646.

[2]ANDERSON R,HUSTAD C,SKUTIEY P,et al.Oxy-fuel Turbo Machinery Development for Energy Intensive Industrial Applications[J].Energy Procedia,2014(63):511-523.

[3]TU Y,LIU H,SU K,et al.Numerical study of H2O addition effects on pulverized coal oxy-MILD combustion[J].Fuel Processing Technology,2015(138):252-262.

[4]PARK J,SANG I K,JJU H Y.Addition Effects of H2and H2O on Flame Structure and Pollutant Emissions in Methane-Air Diffusion Flame[J].Energy & Fuels,2007,21(6):3216-3224.

[5]RICHARDS G A，CASLETON K H，ChORPENING B T.CO2and H2O diluted Oxy-fuel combustion for zero-emission power[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A： Journal of Power and Energy，2005，219(2)： 121-126.

[6]TU Y,LIU H,SU K,et al.Numerical study of H2O addition effects on pulverized coal oxy-MILD combustion[J].Fuel Processing Technology,2015(138):252-262.

[7]SMITH B G P,GOLDEN D M,FRENKLACH M,et al.Gri-Mech 3.0[Z],http:// www.me.berkeley.edu/gri_mech, 2015.

TK 16

B

1674-1951(2017)12-0059-03

2017-11-13；

2017-12-18

(本文责编：齐琳)

厉剑梁(1981—)，男，浙江东阳人，高级工程师，从事大型火力发电厂电厂节能技术，节能项目管理等方面工作(E-mail:jianliang-li@chd.com.cn)。