页岩气燃烧器燃烧特性的数值模拟

杨仲卿 郭名女 耿豪杰 钟志刚 张 力

1．低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室·重庆大学 2．重庆科技学院机械与动力工程学院

近些年，非常规天然气的开发和利用受到了广泛的关注［1－4］。页岩气，主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中，页岩气的成分比较复杂，主要化学成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数［5－7］。我国具有丰富的页岩气资源，探明的可采页岩气资源量超过26×1012m3，远期预测储量更是超过100×1012m3［6－7］。在我国页岩气还处于勘探开发阶段，对页岩气开发后的清洁高效利用还未有相应的文献报道及技术支撑。因此，有必要在页岩气大规模开发之前，弄清页岩气清洁燃烧特性并研发适合其燃烧的燃烧器，为页岩气的进一步应用提供理论依据及技术支撑。

1 物理及数学模型

1．1 页岩气燃烧器的设计

由钻井得到的页岩气中甲烷的体积分数比较高，一般可以达到70%～90%，四川盆地南部钻井得到页岩气中的甲烷体积分数为86．5%，其余则主要是N2。为了便于模拟和研究页岩气的燃烧状况，选用甲烷体积分数为85%、氮气体积分数为15%的混合气体作为燃气，页岩气的低位热值为30 520kJ／m3。笔者设计的页岩气主要针对小型工业锅炉，额定热负荷为200kW。

所设计的燃烧器结构如图1所示，主体结构包括燃气中心管、空气入口管，腔体和扩散孔。燃气中心管和腔体的结构尺寸可以通过气体燃烧器设计手册和有关文献计算得出［8－11］，空气入口管尺寸根据相关经验得出，燃烧器燃气入口管径为20mm，腔体直径为64 mm，扩散孔直径为8mm，燃气中心管长为220mm。

图1 页岩气燃烧器结构简图

1．2 数学模型

考虑燃烧器内部有很多扩散孔和弯曲结构，有漩涡形成，而且燃烧器出口也可能有较大的回流区形成，选用标准的k—ε模型作为湍流模型［12－15］；气体的燃烧采用甲烷两步反应模型；辐射选用P1辐射模型；页岩气中含有一定量的氮气，对于氮氧化合物的生成考虑了热力氮和快速氮的生成以及氮氧化合物的再燃效应，采用后处理的方法，在已知炉内流场和温度场的情况下，对氮氧化合物求解组分输运方程。

1．3 求解方法及边界条件

采用非结构化的四面体网格来划分燃烧器网格，采用结构化的六面体网格来划分炉膛区域，经网格无关化验证，网格总数选取23×104。空气入口和燃气入口定义为速度型入口边界，出口定义为压力型出口边界，燃烧器壁面以及燃烧区域外壁面为无滑移静态边界，采用SIMPLE算法求解。

2 结果及分析

通过数值分析的方法研究了过量空气系数（α，为1．05～1．35）对页岩气燃烧的炉膛内温度分布、转化率及污染物排放的影响规律［16］，并在燃烧器出口位置加装钝体对燃烧器进行优化，提高燃烧效果。

2．1 页岩气燃烧器燃烧特性

在过量空气系数（α）分别为1．05、1．15、1．25和1．35这4种工况下，炉膛燃烧区域温度沿中心轴向距离（X）为0～2．0m（取燃烧器扩散喷口出口为X＝0的位置）的分布如图2所示。

图2 温度沿中心轴向距离的分布图

从图2可以得出，α为1．05时的温度峰值最大，达到2 465K；其次是α为1．25时，温度峰值为2 313 K；再次是α为1．15时，温度峰值为2 240K；α为1．35时，温度峰值最小，为2 174K。α为1．35时的温度峰值离燃烧器出口最近，且温度上升很快，在X为0．60m处，温度就达到了最大值，而α为1．05时的温度峰值离燃烧器出口最远，在X为1．08m时温度才达到最大值。这主要是由于，α为1．35为所有模拟工况中的最大过量空气系数，在空气与燃气混合燃烧时，氧气含量充足，着火最快，温度很快就达到最大值，而α为1．05时燃气与氧气混合相对不够均匀，达到最高温度的区域向后推迟。

炉膛内的温度上升太缓慢，会使得着火滞后，降低着火源的温度，对燃气的稳定燃烧产生负面影响，特别是对于页岩气，不同地方开采的页岩气中甲烷体积分数都不尽相同，甚至相差较大，在燃烧过程中，如果着火相对靠后，着火源温度不高，将会使得炉膛燃烧不稳定，影响燃烧效率。如果着火过于提前，燃烧产生的高温区域会破坏燃烧器，不利于燃烧器的长期使用。

图3反映了甲烷质量分数沿中心轴向距离的分布情况。在炉膛的尾部，甲烷的质量分数都几乎为0，4种工况的甲烷转化率都超过99．8%，其中，α为1．15、1．25、1．35这3种工况下的甲烷质量分数变化最快，到X为0．60m处就几乎燃尽，容易在燃烧器根部形成高温区域；α为1．05时，甲烷质量分数下降相对缓慢，在0．60m 处达到1．2%。

图3 甲烷质量分数沿中心轴向距离的分布情况图

图4为NO质量分数沿中心轴向距离的分布情况，由图4可知，α为1．05时，NO的峰值最大，其质量分数达到0．11%，结合图2的温度分布可知，当α为1．05时，具有最高的温度峰值，较高的温度会促使热力型NO的生成量增加；α为1．15时，NO的峰值为0．018%；α为1．25时，NO 的 峰 值 为0．039%；α为1．35时，NO的峰值为0．012%，可以看出NO的生成量与燃烧工况的温度有较大的关系。NO的质量分数随着轴向距离的增加呈现出先增后减的趋势，如α为1．05时，在X为1．0～1．6m区间NO的质量分数最高，结合图2可知该区间具有较高的温度分布。4种过量空气系数下炉膛出口处NO的质量分数分别为0．042 7%，0．002 18%，0．000 996%，0．000 254%，从减少污染物排放的角度考虑，工况4（α为1．35）是最优的，产生的NO含量最低。

图4 NO质量分数沿中心轴向距离的分布情况图

2．2 钝体对燃烧特性的影响及燃烧器结构优化

增加钝体可以有效增加燃烧器出口的回流区域，使燃烧产生的高温烟气回流，增加燃烧的稳定性，提高燃烧效率，同时还能有效提高炉膛温度的均匀性。图5为在燃烧器出口加装钝体后的中心轴线区域温度分布情况，图6为燃烧炉膛温度分布云图。

图5 加装钝体后中心轴线区域温度的分布情况图

由图5、6可知，加装钝体后，峰值温度下降，平均温度较没加装钝体之前有所降低，X为0．8m后温度相对均匀，燃烧稳定，且有利于降低NO的生成量，可见加装钝体优化后燃烧器的整体性能有所提高。同时从图中还可以看出：α为1．05时，中心轴向距离0．22 m以后的温度均高于α为1．15、1．25、1．35时的温度。这主要是由于空气与燃气刚喷出时，α为1．15、1．25、1．35时的空气量相对较足，反应进行迅速，温度升高较快，致使3种工况在中心轴向距离0．22m以前具有较高的温度，但由于页岩气中甲烷的浓度一定，燃烧放热量一定，随着过量空气系数的增加，反应温度有所降低，在X为0．22m以后较为明显。

图6 加装钝体后燃烧炉膛温度分布云图

数值研究结果表明，加装钝体后甲烷的质量分数在出口处为0，加装钝体能够实现页岩气的完全燃烧。加装钝体优化后，燃气喷出后遇到钝体扰流，产生一定的回流区域，使高温烟气回流，并加热刚喷出的燃气，使其迅速燃烧，减少了着火时间。图7为加装钝体后NO质量分数沿中心轴向距离的变化情况，与图4中未加装钝体优化前进行对比，加装钝体优化后，在相同位置处NO的质量分数明显降低，主要是由于加装钝体后，炉膛温度有所降低，同时炉膛温度较均匀。因此NO的生成量较少。

图7 加装钝体后NO质量分数沿中心轴向距离的变化情况图

由图7可知，α为1．05、1．15、1．25和1．35时，NO质量分数峰值均出现在X为1．2m处，分别为0．014 1%，0．003 10%，0．003 27%，0．000 902%。峰值出现在此区域的原因是着火热源比较稳定，燃气与空气混合均匀，燃烧充分，且辐射传热较少，温度较高，热力型NO生成量较大。结合图5可知，α为1．05工况具有最高的温度峰值，所以该工况下污染物NO的生成最大。综合考虑流动特性、燃烧温度及其均匀分布情况、燃烧效率、甲烷浓度场分布和NO的生成量等，增加钝体优化后的燃烧器过量空气系数为1．25的工况性能最优。

3 结论

设计了小型工业炉使用的200kW的页岩气燃烧器，并采用数值分析的方法研究了其燃烧特性，分析了过量空气系数和钝体对页岩气燃烧特性的影响规律。

1）过量空气系数为1．05、1．15、1．25、1．35这4种工况下，燃烧器的燃烧效率均可超过99．8%；随着过量空气系数增大，炉膛的峰值温度降低；过量空气系数较大时，容易在燃烧器根部形成高温区域；未加装钝体时，NO的生成量较大，NO的生成量随过量空气系数的增加而减小。

2）在燃气管出口处增加钝体后，可实现甲烷的完全转化；与未加装钝体相比，炉膛温度峰值下降，钝体后形成回流区，回流的高温烟气能够有效预热喷出的燃气，减少了着火时间，温度分布较均匀，燃烧状况稳定，NO的生成量较低。

3）综合考虑流动特性、燃烧温度及其均匀分布情况、燃烧效率、甲烷浓度场分布和NO的生成量等，增加钝体优化后燃烧器过量空气系数为1．25的工况性能最优。

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