掺氢对乙烯/空气扩散火焰碳烟生成影响的数值研究

2020-01-15顾明言朱本成伍佳佳

安徽工业大学学报（自然科学版） 2019年3期

卢坤，顾明言，朱本成，伍佳佳

(安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002)

环境污染已成为影响社会稳定与发展的重要因素[1]。其中碳氢燃料不完全燃烧产生的碳质颗粒物(碳烟)是大气污染物PM2.5的主要来源之一，且是继二氧化碳之后导致全球变暖的第二大原因[2]。氢气作为高效清洁燃料，可减少碳烟排放，具备替代碳氢燃料的潜力。然而氢气单独作为燃料使用尚存在一些困难，如储存和运输基础设施的障碍及易爆炸等安全问题[3-5]。但氢气作为活性添加剂由于能够提高碳氢燃料的燃烧效率和减少污染物的排放而广受关注。Choi等[6]研究了氢气对乙烯/空气反扩散火焰中碳烟颗粒微观形貌和纳米结构的影响，发现燃料中添加氢气可减小碳烟微观结构的尺寸并促进形成高度弯曲的碳片层富勒烯纳米结构；Park等[7]采用数值模拟的方法研究了氢气对乙炔/空气层流预混火焰碳烟形成和氧化过程的影响，结果表明，加氢可减缓乙炔的氧化速率，降低燃烧器表面附近苯的形成；Sun等[8]实验研究了氢气和氮气对乙烯/空气层流扩散火焰中碳烟含量的影响，发现氢气或氮气混合后稀释到燃料中可降低碳烟含量峰值；魏明锐等[9]数值模拟研究了乙炔/空气层流预混火焰中掺氢对碳烟生成的影响，结果表明，氢气是通过减缓火焰中多环芳烃的生成来实现降低碳烟颗粒的生长。但以往研究中就氢气是如何抑制碳氢燃料中碳烟的形成目前尚不完全清楚，且不同碳氢燃料氢气的化学作用还存在不一致，如甲烷火焰中氢气的化学作用促进碳烟形成[10]，乙烯火焰中氢气的化学作用抑制碳烟形成[11]，因此氢气抑制碳氢燃料中碳烟生成的机理需进一步研究。Leung等[12]采用简化的GRI-3.0(一种优化的气相机理，用于模拟天然气燃烧，包括NO的生成等)气相反应机理模拟计算乙烯火焰中碳烟的体积分数，但其结果比实验测量结果偏高[12]。Chernov等[13]使用描述关于C1和C2碳氢燃料燃烧的气相反应机理(简称C1-C2机理)模拟计算甲烷和乙烯碳氢燃料中碳烟的体积分数，所得结果较采用其他气相反应机理计算的结果更为精确。鉴于此，笔者利用C1-C2机理及其复杂的热特性与输运特性耦合碳烟生长模型，数值模拟分析氢气的稀释效应、化学效应及热效应对碳烟生成的影响，以期进一步明晰碳烟生成机理，为降低颗粒污染物排放提供理论依据。

1 数值模型

1.1 燃烧器尺寸及网格划分

以乙烯碳氢燃料为研究对象，采用CoFlame程序模拟乙烯在不同掺氢条件下碳烟的生成。扩散火焰由图1所示的燃烧器产生。燃烧器由两根竖直的同心圆管，即燃料管和空气管组成，燃料管内径ri=0.545cm，壁厚0.095cm；空气管内径ro=0.5cm。图2为非均匀网格的划分。径向(r)和火焰高度(z)分别采用218×88个网格，细网格设置在燃烧器出口位置和主反应区域，目的是解决大梯度问题。计算域大小z×r =10.6 cm×4.71 cm，灵敏度分析表明，计算域足够大，边界位置不影响模拟结果，网格进一步加密对模拟结果无影响。采用的燃烧器为轴对称结构，为节约模拟时间，本文只对火焰的1/2结构进行模拟计算。

图1 燃烧器Fig.1 Burner

图2 非均匀网格Fig.2 Non-uniform mesh

1.2 气相反应机理及碳烟模型

CoFlame程序中气相反应机理和碳烟模型的选择对准确模拟碳烟体积分数有重要影响，碳烟形成过程包括气相反应动力学(连续相)与固体颗粒动力学(非连续相)两部分。采用气相机理是为建立稳定火焰的气相浓度场，且将其作为碳烟前驱物生长的条件，C1-C2机理能够满足要求。该机理包含94个化学反应组分，涉及733步反应，包含高温条件下燃料的裂解、气相小分子及自由基的形成，组分C1与C2的氧化、较高阶烷烃及烯烃的形成，以及第一个苯环的生成与较大多环芳烃的长大等。

碳烟模型包括前驱物多环芳烃成核、碳烟表面生长和碳烟表面氧化等子模型。本文碳烟成核模型选择两个芘分子碰撞形成二聚体作为初始碳核；生长模型遵循HACA(Hydrogen abstraction aetylene addition)表面生长和多环芳烃芘在碳烟表面的凝结，其中HACA序列中所有反应的参数均取自Appel等[14]的研究；氧化模型主要考虑O2、O和OH对碳烟表面的攻击。研究表明[11]，只有较轻化学组分的热扩散速度对碳烟形成有显著影响，因此文中仅考虑较轻组分H、H2和He的热扩散速度。

求解轴对称圆柱坐标系下(r，z)火焰的质量、动量、能量和组分控制方程，火焰控制方程见文献[11]描述。有限体积法离散控制方程，采用SIMPLE算法处理压力和速度的耦合。守恒方程中的扩散项与对流项分别采用中心差分法及迎风差分法离散，而动量、能量和压力的修正则用三对角矩阵算法。使用离散坐标法计算能量方程中的辐射源项[15]，采用Liu等[16]提出的统计窄带相关(SNBCK)模型求解混合物的吸收系数。

2 模拟工况及模型验证

2.1 模拟工况及边界条件

将含有碳烟前驱物的气相反应机理与碳烟模型耦合，对乙烯/空气扩散火焰中添加不同含量的氢气燃烧进行数值模拟，计算条件设置为：乙烯和空气的流速保持恒定，分别为3.465，77.0 cm/s，乙烯和空气的温度均保持300 K，压力为1.013×105Pa，混合燃料流速随着掺氢比的增加而增加，具体模拟条件见表1。

表1 模拟条件Tab.1 Simulation conditions

2.2 模型验证

为检验本文碳烟模型计算数值结果的准确性，对该模型进行实验验证。图3为采用本文模型模拟的乙烯/空气扩散火焰温度、轴向流速、OH摩尔分数及碳烟体积分数与相应实验值[17-18]的对比结果。其中：曲线表示模拟值；符号表示实验值。由图3可看出：模拟结果与文献实验结果整体趋势吻合较好，表明建立的碳烟模型是可靠的。

图3 模拟与实验数据的对比Fig.3 Comparison of simulated and experimental values

3 模拟结果及分析

3.1 氢气分布

图4为不同掺氢比、3个火焰高度上氢气摩尔分数沿径向分布的模拟结果。由图4可知：低火焰高度z=0.5 cm 处氢气摩尔分数沿径向缓慢上升，r=0.35 cm处达最大值后下降至零；而在火焰高度z=1.0，1.5cm处氢气摩尔分数沿径向一直单调递减。不同火焰高度位置氢气摩尔分数随掺氢比增加而依次上升，是由于燃烧器入口是氢气摩尔分数最高的位置；氢气摩尔分数沿火焰高度依次下降，归因于热扩散作用至高火焰区域氢气摩尔分数始终低于低火焰区域。

图4 不同火焰高度处氢气摩尔分数沿径向的分布Fig.4 Radial distribution of mole fraction of hydrogen at different flame heights

3.2 温度分布

图5 是不同掺氢比下乙烯火焰温度场的分布。由图5 可看出：不同掺氢比下火焰的最高温度均出现在火焰高度约2.5 cm 处；掺氢体积分数为10%，20%，30%，40%，50%时，其最高温度分别较纯乙烯火焰升高6.7，7.8，11.7，14.8，16.8K，这是因为氢气在燃烧体系中参与燃烧化学反应，使得燃料混合体系温度升高；掺氢虽可提高火焰的最高温度，但相比于纯乙烯火焰，其最高温度变化不显著，如掺氢体积分数50%的条件下，仅比纯乙烯火焰最高温度上升0.79%，如此小范围的温度改变可忽略。另外，在辐射传热方面氢气是透明的，在同温同压下氢气的比热容比乙烯小得多，如1 700 K 时，氢气和乙烯的定压比热容分别为33，114 J/(mol·K)，所以添加氢气对乙烯火焰温度影响较小，说明氢气的热效应(与温度改变有关)不是影响碳烟生成的主要因素。

图5 温度场的分布Fig.5 Distribution of temperature field

3.3 碳烟体积分数分布

图6是不同掺氢比下乙烯火焰碳烟体积分数的分布。由图6可知：碳烟主要集中在火焰高度1.0～6.2cm之间狭窄的“焰翼”之中；随着掺氢含量增加，碳烟含量最大值单调下降，掺氢体积分数为10%，20%，30%，40%，50%的最大碳烟体积分数分别较纯乙烯降低0.31×10-6，0.70×10-6，1.00×10-6，1.30×10-6和1.59×10-6，对应下降比依次为4.2%，9.3%，13.4%，17.4%和21.3%。表明氢气能有效抑制乙烯火焰中碳烟的形成。一方面，氢气的稀释效应能够降低燃料混合物中与碳烟形成有关的含碳组分浓度；另一方面，更重要的是氢气参与乙烯火焰中燃烧化学反应，其化学效应改变了碳烟前驱物的生成路径，故对碳烟达到一定的抑制效果。

图6 碳烟体积分数的分布Fig.6 Distribution of volume fraction of soot

为定量、直观评估乙烯火焰中氢气抑制碳烟的生成，定义碳烟体积分数截面积分FV与总碳烟ST，分别如式(1)，(2)：

图7 为碳烟体积分数截面积分FV沿火焰高度分布的模拟结果。由图7 可知：焰高度增加在约3.5 cm 处，FV达到最大值后下降，因为乙烯在燃烧的初始阶段碳烟前驱物通过成核形成大量的初始碳核，经过复杂的物理、化学过程，包括HACA表面生长即乙炔在碳烟表面的化学吸附及多环芳烃芘在碳烟表面的凝结均导致碳烟颗粒长大；FV沿火焰高度随掺氢比增加而下降，是因为O2、O及OH对碳烟颗粒的攻击导致碳烟颗粒氧化变小、质量下降所致；随掺氢体积分数增加，FV依次下降，说明氢气能够有效抑制乙烯火焰中碳烟颗粒的生成。图8为FV沿火焰高度积分得到的总碳烟归一化结果。从图8可看出，在掺氢体积分数0～50%范围内，归一化的总碳烟随掺氢比增加而呈线性降低。

图7 FV沿火焰高度的分布Fig.7 Distribution of FV along the flame height

图8 归一化的总碳烟Fig.8 Normalized of total soot loadings

3.4 碳烟体积分数与HACA表面生长速率的分布

为明晰氢气在乙烯/空气扩散火焰中抑制碳烟形成的原因，需讨论掺氢对碳烟成核和表面生长相关组分的影响。碳烟前驱物芘、苯和乙炔是碳烟成核和表面生长重要的组分，因此需分析不同掺氢比下氢气对乙炔、苯及芘生成的影响。碳烟质量由碳烟表面生长过程提供。图9为不同火焰高度碳烟体积分数与HACA表面生长速率的模拟结果。由图9(a)可知：不同掺氢比下碳烟体积分数沿径向先增加至最大值下降至零；且碳烟体积分数的最大值随火焰高度上升而增加；另外，在不同火焰高度处碳烟体积分数随掺氢比增加均显著下降。图9(b)中，HACA表面生长速率与碳烟体积分数分布规律类似。在对应各火焰高度上碳烟HACA表面生长速率随掺氢比增大而明显减缓，这是由于氢气含量增加致使碳烟表面的活性位点丢失，减少了活性碳核的数量，据HACA反应序列，乙炔在碳烟表面的化学吸附作用减弱，说明氢气抑制碳烟形成是其减缓碳烟HACA表面生长速率的原因。

图9 不同火焰高度处碳烟体积分数、HACA表面生长速率的分布Fig.9 Distribution of soot volume fraction and HACA surface growth rate at different flame heights

3.5 成核速率与芘的分布

本文碳烟模型中采用两个多环芳烃芘分子碰撞形成二聚体来描述碳烟颗粒的成核。影响碳烟成核的因素包括温度与多环芳烃芘的浓度。尽管碳烟的成核过程只贡献少许的碳烟质量，但其对整个碳烟起始起到决定性作用。由前面分析知，掺氢对火焰温度影响很小，即氢气的热效应对碳烟生成几乎无影响，仅受多环芳烃芘浓度的影响。因此，芘浓度直接影响碳烟的成核速率。图10为不同火焰高度处碳烟成核速率和芘摩尔分数沿径向分布的模拟结果。由图10(a)可知，不同掺氢比下最大碳烟成核速率均随火焰高度上升而显著减小，但火焰中心线上(r=0处)碳烟成核速率沿火焰高度增加而增大；火焰高度z=0.5，1.0cm处碳烟成核速率沿径向呈单峰分布规律，而高火焰区域z=1.5cm处沿径向呈双峰分布规律；在不同火焰高度处碳烟成核速率均随掺氢比增加而下降，说明氢气能够阻碍初始碳核的生成。由图10(b)可发现，芘摩尔分数与碳烟成核速率分布规律类似，这是因为氢气抑制多环芳烃芘的生成进而降低了碳烟成核速率，这可由图10(b)中相同火焰高度上芘摩尔分数沿径向的分布来验证。

图10 不同火焰高度碳烟成核速率与芘摩尔分数的分布Fig.10 Distribution of soot nucleation rate and pyrene mole fractions at different flame heights

3.6 乙炔与苯的分布

乙炔是燃料高温裂解重要的中间产物，对第一个苯环的形成、多环芳烃长大及碳烟HACA表面生长有重要的影响，也是碳烟表面生长最重要的“碳源”。图11为不同火焰高度处乙炔与苯摩尔分数沿径向分布的模拟结果。由图11(a)可知：不同火焰高度处乙炔摩尔分数均随掺氢比增加而下降；乙炔摩尔分数沿径向均先增加，达到最大值后下降；在不同掺氢比下火焰中心线处乙炔摩尔分数沿火焰高度增加，而最大乙炔摩尔分数随火焰高度上升变化不大。进一步观察还可发现，在火焰高度z=1.0、1.5cm上，随掺氢比增加乙炔摩尔分数沿径向逐渐变宽，这种现象归因于氢气的化学效应。由图11(b)可见，乙炔与苯摩尔分数的分布规律类似，这是因为苯的生成依赖于乙炔，加氢能够抑制乙炔的生成，进而苯的生成受限导致其摩尔分数下降。除此之外，苯是火焰中结构最简单的环状芳烃，而较大的多环芳烃的生长均受控于第一个苯环的生长速率。所以，苯浓度是影响碳烟前驱物多环芳烃生长的关键因素，图10(b)中四环芳烃芘的模拟结果验证。

图11 不同火焰高度乙炔与苯摩尔分数的分布Fig.11 Distribution of mole fraction of acetylene and benzene at different flame heights

3.7 碳烟数密度与凝结速率的分布

图12为不同火焰高度处碳烟数密度和芘在碳烟表面凝结速率沿径向分布的模拟结果。由图12(a)可知：碳烟颗粒数密度随火焰高度上升而显著增加，且碳烟数密度最大值随火焰高度上升而向火焰中心靠拢；不同高度碳烟数密度均随掺氢比增加而单调递减，这是由于掺氢降低了芘的浓度从而导致成核速率下降所致。由图12(b)可知：多环芳烃芘在碳烟表面的凝结速率与碳烟数密度沿径向分布规律类似。对于文中使用的碳烟表面生长模型，除考虑碳烟的HACA表面生长外，还考虑了芘在碳烟表面的凝结来贡献碳烟的质量。由图10(b)可知，掺氢降低了芘的摩尔分数，故而图12(b)中芘在碳烟表面凝结速率降低，对碳烟的生成达到抑制作用。