不同压力下层流对冲C2H4扩散火焰中碳烟生成的数值模拟研究

2021-01-12王生福席剑飞顾中铸

南京师范大学学报（工程技术版） 2020年4期

王生福,席剑飞,顾中铸,蔡杰

(南京师范大学能源与机械工程学院,江苏南京 210023)

碳氢燃料在燃烧过程中产生的微小颗粒物称为碳烟,这些微小颗粒物在空间中构成不同尺度的团聚体. 我国70%左右的能源来自煤等化石燃料的燃烧,燃烧过程中产生的碳烟使得燃料的热量无法完全释放,降低燃料的利用效率,同时也是形成PM2.5的重要原因,不仅对大气产生污染同时也严重影响着人类的健康. 国内外学者对碳烟的生成机理及其控制方式进行了大量的研究,但由于碳烟生成的复杂性,其在不同的火焰温度、燃料种类、燃烧压力等条件下有着不同的生成特性,加之碳烟生成过程中有着复杂的表面反应,使得目前碳氢燃料燃烧火焰中碳烟的生成机理仍然未被完全掌握. 大多数动力燃烧设备(如燃气轮机、内燃机等)中的燃料是在高压下进行燃烧的,所以研究不同压力下碳烟的生成特性对于实际燃烧过程中碳烟的形成预报和排放控制具有重要意义.

国内外学者对碳烟在不同条件下的生成特性进行了大量研究. Seong等[1]的研究显示不同燃料种类、燃烧气氛会导致不同的碳烟形态、生长和凝聚过程. Bento等[2]通过实验研究了0.1～0.73 MPa的压力范围内火焰结构和温度对碳烟生成的影响,发现碳烟体积分数随着温度的增加而增大,且压力越高时,火焰的横截面积越小. Sato等[3]的实验研究结果表明,当温度处于1 500～1 700 K时,碳烟的生成速率达到峰值. Tree等[4]对不同燃料燃烧时碳烟的生成特性进行了研究,发现燃料中碳元素的含量对碳烟生成的影响很大,碳烟体积分数随着燃料中碳元素质量分数的增加而增大. Kim等[5]研究了1.0～8.0 atm下乙烯层流扩散火焰中碳烟的生成特性,并应用HACA机理预测了碳烟的表面生长速率,发现实验结果与HACA机理的预测结果吻合得很好.

国内学者在碳烟研究领域也取得了大量成果. 王思文等[6]研究了甲烷/空气扩散火焰中碳烟颗粒的三维形貌演变,发现碳烟颗粒的碳化程度及粒子大小和火焰高度相关. 顾晨等[7]研究了温度对预混乙烯火焰中碳烟生成的影响,发现碳烟生成对火焰温度非常敏感,火焰温度约在1 650～1 750 K范围内对碳烟生成更有利. 梅俊宇等[8]研究了乙烯与乙烷层流预混火焰中碳烟的生成特性,发现两种燃料生成的碳烟粒径分布随高度的变化规律一致. 罗旻烨等[9]研究了滞止平板对乙烯射流扩散火焰中碳烟生成的影响,结果表明壁面作用使碳烟颗粒在滞止平板表面呈同心圆分布.

实际燃烧设备大多是在高压下运行的,压力对火焰温度、碳烟体积分数和碳烟颗粒数密度等参数有着很大的影响. 目前已有一些高压下碳烟生成特性的实验研究,本文进一步从数值模拟角度探讨了碳烟及其前驱物在不同压力条件下的生成特性和机理. 采用了对冲扩散火焰模型研究了乙烯火焰中的碳烟生成特性,通过改变燃烧过程中的压力,探究火焰温度和火焰中气相小分子与碳烟前驱物的浓度变化情况,同时关注碳烟数密度和体积分数的变化,分析不同压力对碳烟生成的影响机理.

1 数值模型

1.1 碳烟模型

本文采用ABF碳烟生成反应机理[10]. Wang等[11]对乙烯/乙炔在空气中的燃烧特性开展了一系列研究,提出了燃烧过程中多环芳香烃(PAHs)的详细生成机理. Appel等[10]在多环芳香烃详细生成机理的基础上,加入碳烟的成核、生长等动力学演化过程,形成ABF碳烟生成机理,该机理由546步基元反应构成,包含101种化学组分. ABF机理详细描述了碳烟生成过程的主要步骤:多环芳香烃的生长、碳烟的成核、表面增长、颗粒凝并团聚、颗粒的氧化. 这几个过程不是独立存在而是同时发生、相互影响的. 对于多环芳香烃的生长和成核的描述是文献[11-12]提出的HACA机理,即脱去氢原子与添加乙炔分子机理. 具体表现为下面两个可逆反应不断重复进行:

CnH2m+X↔CnH2m-1+HX,

(1)

CnH2m-1+C2H2↔Cn+2H2m+H.

(2)

其中,反应(1)表示碳氢化合物分子中失去一个氢原子形成自由基,拥有一个活性位. 反应(2)表示乙炔分子与碳氢化合物分子的活性位碰撞反应,生成更大分子的化合物.

ABF碳烟生成机理认为多环芳香烃分子为碳烟成核过程的重要前驱物,如苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)、芘(A4)等. 在碳烟生成过程中,多环芳香烃分子不断长大,由简单的二维平面结构逐渐生长为复杂的三维空间结构. PAHs分子的生长过程也可以用HACA机理来描述,C2H2和A4在碳烟的成核与表面增长中起着重要作用,对碳烟的生成有着重要影响. ABF碳烟机理认为两个芘分子(A4)碰撞反应生成聚合物这一过程即为碳烟成核[13].

1.2 火焰模型

数值计算中的火焰结构采用的是轴对称对冲扩散火焰模型,如图1所示. 两个同轴圆形喷嘴对向布置,燃料(乙烯)和氧化剂(79% N2和21% O2)分别从两个喷嘴喷出,在喷嘴之间会形成一个滞止面. 燃料燃烧产生的扩散火焰亦位于两个喷嘴之间,根据滞止面与火焰的相对位置可以将对冲扩散火焰划分为两种类型,即:仅碳烟生成火焰和碳烟生成与氧化火焰. 在仅碳烟生成火焰中,滞止面位于火焰与燃料喷口之间. 本文中采用的是仅碳烟生成火焰,重点关注碳烟的成核和生长,碳烟会随着气流流入滞止面,不会接触到火焰面,不会被氧化. 设两个喷嘴之间的距离为1 cm,燃料进口和氧化剂进口的流速和温度分别为20 cm/s和300 K,压力变化范围为1～5 atm.

轴对称对冲火焰本身是二维的,但当两个喷嘴直径较大且喷嘴间距较小时,可看作一维火焰. 此时忽略边界效应,除了径向速度之外,火焰的各项参数如温度、轴向速度、组分浓度等仅为轴向坐标的函数,与径向坐标无关[14]. 描述对冲火焰的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和能量守恒方程,各方程的具体形式见文献[15].

2 实验结果与讨论

2.1 压力变化对碳烟体积分数和数密度的影响

图2为碳烟数密度和体积分数随着压力变化的情况,图中纵坐标为对数刻度. 当压力从1 atm增加到5 atm时,碳烟的生成区域逐渐变窄,同时碳烟数密度和体积分数均明显增加. 碳烟生成过程与燃烧时的火焰温度、气相小分子以及多环芳香烃浓度密切相关,可影响碳烟的数密度和体积分数分布. 下面从火焰温度、气相小分子、碳烟前驱物等角度分析压力对碳烟生成的影响机理.

2.2 压力对火焰温度的影响

图3显示了不同压力下C2H4对冲扩散火焰的温度与距燃料出口的距离之间的关系曲线. 由图可知,当压力不断变大时,高温区域不断变小,表明随着压力的增大对冲扩散火焰发生剧烈燃烧反应的区域变窄,即火焰变薄,与2.1节中的结论一致. 由图3还可以得知,随着压力的增加火焰的最高温度不断升高,火焰温度的最大值向燃料侧移动. 压力越高,燃烧反应速率加快,在更短时间内释放出更多的热量,使得温度升高,加快了燃料的裂解,使碳烟的成核加快而促进了碳烟的生成. 图4显示了不同压力下最高火焰温度随压力的变化情况. 在5 atm和1 atm压力下火焰的最高温度分别是2 240.98 K和2 067.11 K,两者相差约174 K. 根据Bento等[2]的研究,温度的升高有利于碳烟的生成,所以从火焰温度角度来看,升高压力可以促进碳烟的生成.

2.3 压力对气相小分子与多环芳香烃浓度分布的影响

燃料在高温环境下会反应生成小分子中间组分(如CH3、C2H2、C4H5等). 由这些小分子可通过两条途径生成初始苯环或者苯基[10]:

(1)碳原子数为偶数时的路径,即C4和C2分子进行反应.

n-C4H3+C2H2↔C6H5,

(3)

n-C4H5+C2H2↔C6H6+H.

(4)

(2)碳原子数为奇数时的路径,即C3和C3及C5和C1分子之间的反应.

C3H3+C3H3↔C6H6,

(5)

C3H3+C3H5↔C6H6+2H,

(6)

C5H5+CH3↔C6H6+2H.

(7)

ABF碳烟生成机理中,初始苯环的生成情况对接下来的PAHs分子生长过程非常重要. 并且包含初始苯环的两种物质(苯和苯基)可以相互转换,其转换过程反应如下:

(9)

(10)

(11)

由以上反应可知,气相小分子物质(H2、CH4、C4H4、C4H2)对反应的影响是非常重要的. 由图5可见,火焰中气相小分子H2、CH4、C4H4、C4H2的摩尔分数在不同压力下随距离的变化情况. 经分析可知,随着压力的升高气相小分子摩尔分数发生变化的区域减小,这与图2、图3所得出反应区域变窄的结论是一致的. 随着压力的升高气相小分子的摩尔分数略微变小但相差并不大,在同一数量级中发生变化. 压力变大使得反应温度和反应速率加快,同时使得这些气相小分子的含量增加. 但作为基元反应里的小分子同样消耗速率也加快,所以这些气相小分子的摩尔分数并没有出现很大的变化.

图6为多环芳香烃A1、A2、A3的摩尔分数在不同压力下的变化情况. 与图2、图3、图5中的结果相似,摩尔分数变化区域随着压力的增大而变小. 但与图5中气相小分子的浓度随压力变化的程度不同. 多环芳香烃随着压力的增大发生了不在同一数量级的变化,当压力增大时多环芳香烃摩尔分数急剧增大. 这些作为形成碳烟重要前驱体的多环芳香烃含量随压力的急剧增大促进了碳烟的成核. 所以从多环芳香烃的角度看,压力变大使得多环芳香烃含量增多,促进了碳烟的生成.

2.4 压力变化对C2H2和A4的影响

A4和C2H2的含量直接影响到碳烟的成核和生长. 图7为C2H2和A4的摩尔分数随压力的变化情况,可以看到随着压力的增大,A4的含量出现了不同量级的变大,而C2H2含量发生了些许的减小. C2H2作为碳烟生成的重要中间产物,一方面通过燃料裂解生成,另一方面通过HACA机理消耗,在这两方面的共同作用下使得C2H2的摩尔分数只发生了很小的降低. ABF碳烟机理中芘分子(A4)碰撞反应形成聚合物是碳烟颗粒成核的直接途径,由图7中芘分子(A4)和C2H2的变化情况可知,压力越大,生成碳烟的前驱物含量急剧增大,HACA机理的作用更加明显,使得碳烟颗粒数密度和碳烟体积分数均增大.