氧浓度、压力对甲烷/空气层流扩散燃烧特性影响的数值模拟研究

2021-10-30胡家龙聂晓康楚化强

东北电力大学学报 2021年3期

胡家龙，任航，聂晓康，楚化强

(安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山 243002)

随着现代社会的飞速发展，工业和经济的发展、城市化程度的提升，燃料消耗量持续增长，带来的负面影响是空气、水受到污染，生态环境遭到破坏，人类的生存面临重大威胁，提高能源的利用率势在必行.2019年，BP世界能源展望显示[1]，化石能源占能源总量的85%，其中92%的能量是通过燃料燃烧释放出来的.化石燃料的燃烧不可避免的产生NOX等污染物，不仅污染环境，也极大的危害人类的健康[2-6].党的十九大之后，我国出台了一系列改革措施，发展清洁能源是改善能源结构、保障能源安全、推进生态文明建设的重要任务.随即旨在提高现有燃料的燃烧效率以及降低燃烧污染物的排放的清洁燃烧成为一个重要的课题，富氧燃烧、高压环境燃烧特性成为了研究的热点.

氧气在燃烧的过程中起到十分重要的作用，是燃烧反应得以实现的必要因素.富氧燃烧技术因其工业化技术风险较低，可有效提高设备燃烧效率，而被广泛用锅炉等燃烧设备[7-8].随着氧浓度的增加，楚化强等[9]研究了CO2和富氧空气对CH4与C2H4燃烧的影响，得出了火焰高度和温度随不同氧化剂气氛的变化规律.曹文健等[10]实验发现O2/N2气氛下甲烷扩散燃烧的火焰高度会随之降低、温度升高.秦亮[11]利用Fluent软件模拟研究了氧浓度分别为21%、24%、26%、28%、30%五种情况下甲烷燃烧及NOX排放特性，结果表明，随着氧气浓度的增大，燃烧器内部整体温度变高，NOX浓度也随之增加.Gilard等[12]研究了富氧空气伴流对甲烷层流扩散火焰闪烁的影响，结果发现氧含量的增加降低了火焰长度和火焰上升高度，外部剪切层的不稳定性被推到下游，从而改变了火焰振荡的行为.当氧含量超过一定量时，火焰振荡现象消失.杨浩林[13]通过实验与数值模拟的方法研究了甲烷富氧层流燃烧特性和NOX排放，发现二氧化碳稀释燃料对燃烧特性的影响是非线性的.任昕[14]利用Fluent软件研究了O2/CO2氛围下天然气富氧燃烧的燃烧特性和污染物排放水平，试图找出不同燃烧条件对燃烧特性的影响规律和最佳的氧气/二氧化碳配比.刘畅[15]对富氧条件下天然气的燃烧进行了数值模拟，研究氧气浓度与NOX生成量之间的关系.

在层流扩散火焰的研究中，压力是影响层流扩散火焰特性的重要因素.许多燃烧装置在高压下运行，以达到最佳效率和紧凑的尺寸等[16].压力升高会通过增加密度、缩小火焰、加速燃料的热解[17-19]，从而对燃料的燃烧特性和污染物的生成产生影响[20].Gülder 课题组[21-22]分别对甲烷/空气在2 atm～8 atm压力下扩散燃烧特性进行了实验和模拟研究，发现随着压力的增高，火焰会变窄，火焰高度相对变化较小，只是略微的增高.覃建果等[23]通过模拟更为全面的压力分级下的甲烷扩散燃烧，发现随着压力的提高，火焰半径逐渐变小，火焰长度先增加后逐渐减小.并且对这种现象进行了解释分析，他们认为提高环境压力促使了火焰的卷吸能力增加，从而使得甲烷的燃烧速率增大.在考虑到火焰温度变化的基础上，Tu等[24]对高压(1 atm～8 atm)条件下甲烷燃烧特性进行了计算流体动力学模拟，他们发现提高工作压力可以提高燃烧最高温度和火焰的温度梯度，并对NOX的排放起到一定的限制作用.Yang等[25]通过对甲烷/空气在高压下(2 atm～10 atm)的同轴层流扩散燃烧状态进行研究发现，在同一压力下，随着火焰轴向高度增加火焰温度先降低后升高；不同压力，随着压力的升高，火焰轴向高度较低位置温度有所降低，火焰轴向高度较高位置温度有所升高.Ge等[26]对甲烷/氧气在高压下的同轴层流扩散燃烧状态进行了系统的研究，揭示了稳态燃烧与周期性脉动燃烧之间的燃烧状态.Cao等[27]研究了压力和燃料稀释对同向层流-空气扩散火焰结构和几何形状的影响.在考虑热物性和传输物性变化的基础上，俞吉[28]建立了一套关于高压层流对冲火焰和非预混湍流燃烧过程的计算软件模块，并在此基础上探讨了甲烷/空气的高压层流对冲火焰的燃烧特性.

虽然正庚烷、异辛烷等大分子液态燃料是目前研究的重点和热点，但在燃烧过程中，大分子碳氢分子经过热、裂解形成简单的碳氢分子或键位，因此选用作为基础的简单碳氢燃料甲烷为研究对象，对以后研究大分子碳氢燃料有重要的意义[29-34].此外，氧浓度、压力影响了燃料燃烧的特性及污染物的生成，然而其基本机制仍尚不明晰，因此，有必要进一步研究氧浓度、压力的影响趋势，从而为节能减排提供一定的依据.

1 数值模拟方法

1.1 计算区域及边界条件

燃烧器主要由两个同心空心圆管组成，内管直径为10.8 mm，外管内径为44.4 mm，内管壁厚为1 mm，内管管口比外管高3.8 mm.由于研究对象具有良好的空间对称性，因此可将计算区域设为中心平面的一半，这样可以在不影响模拟结果的情况下减小计算成本.燃烧器结构及简化后的计算区域如图1所示.

图1 燃烧器结构及计算区域

1.2 模型选择

利用Fluent 软件模拟计算时，相关物理模型的选择至关重要，模型的选择准确与否会直接影响到模拟结果的准确性、真实性.

(1)粘性模型：雷诺数小于2300，采用standard k-epsilon模型.

(2)辐射模型：涉及局部热源，本文选择Discrete Ordinates(DO)模型[35].

(3)燃烧模型：本文采用非预混燃烧，假定研究对象为二维稳态燃烧，且流体为不可压缩流体.

(4)NOX生成模型：本文中燃料为纯CH4，作为纯物质处理，不考虑燃料型NOX[36]的生成；在甲烷燃烧过程中，NOX生成速率可能会超过氮分子直接氧化的速度伴随着快速型NOX[37]的生成；在本次研究中，甲烷燃烧温度均高于1 300 ℃，这为热力型NOX[38]的生成创造了有利的条件，导致热力型NOX生成量占NOX产量的主导位置[39].因此，在NOX模型的选取过程中，本文兼顾快速型NOX[37]和热力型NOX[38]，力求更为完整的研究NOX的生成，达到更为真实有效的分析效果.

(5)组分运输和算法：层流扩散火焰，燃烧结构为燃料和氧化剂(空气)分开进入燃烧区，为典型的非预混火焰，本文采用Non-Premixed模型和SIMPLE算法.

(6)边界条件：在扩散火焰的研究过程中，采用燃料和氧化剂分开输送的方式，边界温度设定为300 K，燃料入口和氧化剂入口均采用速度入口边界条件，分别为0.047 2 m/s和0.129 6 m/s.上边界采用压力出口边界条件，有利于解决出口回流的问题.

1.3 网格独立性

在低密度网格条件下，计算精度随着网格数的增加而增加.网格数越多，计算所需的时间就越多.因此，在有限的计算资源条件下，计算结果依赖于网格.在进行数值计算过程中，为了排除网格密度对计算结果的影响，通常要计算多套疏密程度不同的网格系统，并比较不同网格系统下的计算结果，评价计算结果偏差，此过程即称为网格独立性验证[40].

根据建立好的模型进行了网格划分，本文分别建立了三种不同数量的网格系统，数量分别为47 498、122 196、194 250，如图2所示.由图2可知，温度分布和火焰结构吻合良好，误差在可接受范围内.为保证模拟结果精度良好，本文选取122 196个网格用于后期模拟.

图2 网格数对火焰温度分布对影响

1.4 数值模拟工况

不同氧浓度时模拟工况.对于压力影响，如表1所示.本文设定燃烧气氛为空气气氛，即21%O2+79%N2，压力变化为1 atm、10 atm、20 atm、30 atm、40 atm.

表1 不同氧浓度时氧化剂各组分所占体积分数

2 模型验证

为了保证所选模型的合理性，首先选择模拟纯CH4在空气气氛下(21vol%O2/79vol%N2)燃烧特性.为与文献[23]中的结果进行对比，本文选择了相同几何模型，即内管直径为3 mm、外管直径为25.4 mm、壁厚为0.5 mm.本文所采用反应机理与覃建果等[23]略有不同，因此两者模拟结果可能会存在一定的差异，但对整体趋势的影响有限.火焰中模拟温度、NOx与文献结果的对比情况，如图3所示.结果发现，火焰的结构、温度以及NO的生成的趋势大体上与覃建果等[23]的模拟结果一致，特别是温度分布.考虑到机理不同，计算误差在允许范围内，因此可认为本模型是合理的.

图3 火焰中模拟温度、NOx与文献结果对比

3 结果与讨论

3.1 不同氧浓度的影响

3.1.1 火焰温度分布

不同氧浓度时火焰温度变化如图4所示.由图4可见，火焰长度随着氧气浓度的增加而减小，且氧气体积分数小于50%火焰高度缩减幅度较快，温度升高的幅度较大.大于50%后缩减幅度大幅下降，温度升高的幅度减小.曹文健等[10]通过实验的方法研究了层流扩散燃烧火焰的燃烧特性，同样发现了火焰长度开始会随着氧浓度的增加而大幅下降，然后缩短趋势逐渐变缓，这也与覃建果等[23]的研究结果较为吻合.进一步，可以从图4的变化趋势看出，火焰内部的未燃区域逐渐缩小，从开始的25 mm左右逐渐下降到5 mm左右.计算区域中的高温区域也逐渐变小.这是由于氧气对燃烧反应的促进作用，反应区氧气的含量增加，使得燃料与氧气混合更均匀，增加了燃料分子与氧气分子碰撞的频率，加剧了反应的进行，提高了反应区温度，未燃区缩小.同时氧浓度的增加意味着N2的减少，也就意味着燃烧时用于加热N2和N2参与使得甲烷不能完全释放生成焓的反应减少，导致火焰的温度会逐渐提高.

图4 不同氧浓度时火焰温度变化

3.1.2 NOX浓度

不同氧浓度时火焰中NOX浓度分布如图5所示.由图5可知，NOX生成的位置主要位于火焰尖端的高温区，随着氧浓度的增加，生成的位置不断下移，21%氧浓度生成量很少，最高值仅为96 ppm，99%氧浓度时生成量相对较少，最高值为4 313 ppm.秦亮[11]通过模拟研究了氧浓度在21%～30%之间的NOX生成情况，发现随着氧浓度的提升NOX生成量快速增长.刘畅[15]则是对21%～100%氧浓度情况下的NOX生成情况进行了研究，他们发现氧浓度在70%附近NOX生成量会达到峰值.可见，这些结果与本文的结果趋势基本一致.

图5 不同氧浓度时火焰中NOX浓度分布

由于本文中所用燃料为纯甲烷，因此NOX的生成途径主要为快速型NOX和热力型NOX.在21%氧浓度的情况下，NOX的生成量很少，但是当氧浓度达到31%后，NOX的生成量快速增加，这是因为一开始随着氧浓度的提升燃烧温度提升很快，NOX的生成逐渐变成由热力型NOX生成为主[11]，而且当温度低于1 300 ℃时，NOX生成量不大，而当温度高于1 300 ℃时，温度每增加100 K，反应速率增大6倍～7倍，因此这会导致NOX生成量快速增加.而氧浓度为99%时，气氛中N2含量只有1%，过少的N2阻碍了NOX的生成，因此生成的NOX相对较少.

3.1.3 对温度、NO浓度最大值的影响

不同氧浓度时火焰的最高火焰温度、最大NOX浓度变化情况如图6所示.由图6可知，氧浓度在40%以下时温度提升最快.氧浓度在30%以上后，NOX生成量飞速上升.这与秦亮[11]、刘畅[15]两人的发现一致.

图6 不同氧浓度时火焰的最高火焰温度、最大NOX浓度变化情况

3.2 不同压力的影响

3.2.1 火焰温度分布

不同压力下火焰温度变化如图7所示.从图7可以看出，随着压力升高，火焰的宽度变窄，火焰高度先上升，后下降，火焰温度则是先上升后下降.覃建果等[23]在研究中也得到了同样的火焰长度变化规律，并且认为环境压力的增大会使火焰卷吸能力变强，使得燃烧能力变强.在1 atm～10 atm之间，最高燃烧温度略有提升，但当压力提升至30 atm～40 atm之间后，燃烧温度不升反降，这说明环境压力的增加只能在一定范围能增强燃烧能力.这可能是因为在压力不是太高时，环境压力升高使得氧化剂和燃料的浓度相对于常压略高，能更好的混合，因此燃烧温度略有提高.但是扩散进入燃料内部的氧化剂中大量的N2只有很少一部分参与了反应，由于压力的升高气体的扩散受到一定程度的限制，使得未参与反应的N2聚集在火焰附近处，阻碍了反应的进行.压力较高时，N2离开会变得困难，因此燃烧温度会降低.除此之外，由于N2的阻碍，使得同一高度未燃的燃料增多，燃尽位置上升，导致火焰高度上升.当压力升高到一定程度后，氧化剂扩散进入燃料的未燃区域，这会导致火焰高度出现一次大幅下降.

图7 不同压力下火焰温度变化

3.2.2 NOX浓度

不同压力下火焰中的NOX浓度分布如图8所示.由图8可以看出，NOX主要生成位置先降后升再降，并且随着压力的提升逐渐变得细长.NOX的生成量则是先增后减，并且量较少，30 atm后生成量急速下降.由此可以看出，一定压力范围内压力的增大会对温度和NOX生成量起促进作用，这是因为压力的增大使得燃料和氧化物的浓度相对提高，使之混合的更加充分，增加了反应区燃料和氧化剂的有效碰撞，促使燃烧反应的进行，火焰温度升高；火焰温度的升高促进热力型NOX的生成，而本研究中甲烷燃烧温度均高于1 300 ℃，这为热力型NOX的生成创造了有利的条件，导致热力型NOX生成量占NOX产量的主导位置，热力型NOX生成的增加，从而使得整体NOX的生产量增加.但是随着压力的进一步继续增加，压力对气体的扩散限制作用加强，N2在反应区积累，阻碍了燃料和氧化剂的混合，导致有效碰撞减少，反应速率降低，火焰温度降低，由于热力型NOX对温度的依存关系，温度的下降使得NOX的生成量减小.

3.2.3 对温度、NOX浓度最大值的影响

不同压力下火焰最高火焰温度、最大NOX浓度变化如图9所示.由图9可知，虽然压力在10 atm左右之下时，增加压力会使燃烧温度上升，但同时也会使NOX排放量增加；当压力超过20 atm时，火焰最高温度和NOX均下降.当压力处于20 atm附近时，火焰温度降低，而NOX产量的降低有所滞后.这是由于压力对燃料和氧化剂扩散的限制，进入反应区的空气与甲烷反应后，剩余的N2离开反应区变得困难，使得未参与反应的N2聚集在反应区附近，减缓了反应进行，此时火焰温度虽有下降但仍能促使热力型NOX的生成，导致NOX生成量继续升高.随着压力进一步提高，反应温度继续降低，温度对热力型NOX的生成促进作用减弱，NOX生成量开始降低(约在20 atm处).