氢氧燃烧尾气组分测量影响因素仿真分析

肖 波, 孙 涛2, 4, , 臧顺来, 高育科, 刘景云



氢氧燃烧尾气组分测量影响因素仿真分析

肖 波1, 孙 涛2, 4, 1, 臧顺来3, 高育科1, 刘景云1

(1. 中国船舶重工集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 2. 西安科技大市场博士后创新基地, 陕西 西安, 710065; 3. 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安, 710049; 4. 西安交通大学 公共政策管理学院, 陕西 西安, 710049 )

氢氧燃烧尾气中含有残留氢气、氧气及大量水蒸气, 需经减压、冷凝、充氩、过滤和干燥等预处理后, 方可用组分分析仪对其中的氢氧组分含量进行测量, 这些预处理环节将对测量结果造成不可避免的影响。文中在分析氢氧燃烧尾气组分测量基本过程的基础上, 通过对燃烧室内富氢、富氧和当量比3种工况下氢氧反应的化学平衡过程建模, 以及各预处理过程的分析和建模, 开展了氢氧燃烧尾气组分测量影响因素的仿真分析。结果表明, 组分测量影响因素主要为当前的环境温度, 环境温度越高、测量获得的氢氧燃烧效率越低, 真实燃烧效率则要更低一些。此外, 相同环境温度下富氢工况的真实燃烧效率相较其他工况要更低一些。同时根据仿真分析结果, 提出了提高测试准确率的改进措施。

氢氧燃烧; 组分测量; 仿真分析

0 引言

在非核能的常规能源中, 氢的热值最高, 氢氧燃烧产物为水, 无污染, 便于构成高效能、无排放的闭式循环系统。利用固体储存方式携带并通过化学方法实时产氢生氧, 具有储能密度高, 长期储存安全可靠, 且反应制氢过程释放的大量热能可进一步提高能量密度, 是目前提高动力系统, 尤其是水下航行器动力系统综合性能的最佳能源。

准确评价燃烧室中氢氧燃烧完成程度, 对评价氢氧燃烧室的工作性能及提高闭式循环系统的运行能力具有重要意义。目前, 氢氧燃烧尾气的组分测量一般有3种较为可行的方法: 氢气分析采用热导氢分析仪, 氧气分析采用顺磁分析仪; 氢气及氧气分析均采用拉曼光谱分析仪; 氢气及氧气均采用气相色谱仪。前2种方法对样气的温度、相对湿度和压力均有要求, 第3种方法则只要求温度和压力。

氢氧燃烧尾气中含有残留氢气、氧气及大量水蒸气, 为了获得不同当量比工况下氢氧燃烧尾气组分含量和氢氧燃烧效率, 对燃烧室内氢氧燃烧尾气取样后, 需进行一次冷凝、充氩、二次冷凝(含排水)等预处理后, 方可利用气相色谱仪进行氢氧组分测量[1]。文中基于最小自由能法对氢氧燃烧组分测量影响因素进行了分析, 通过对具体的物理化学过程简化, 得到了相应的数学模型, 通过仿真分析得出了氢氧燃烧组分的规律。

1 氢氧燃烧尾气组分测量基本过程

1.1 取样过程

如图1所示, 氢氧燃烧尾气取样的方法: 燃烧室尾部设置抽气支路, 电磁阀1关闭, 电磁阀2和电磁阀3打开, 开关阀1和开关阀2打开, 将减压阀调整到合适位置; 当燃烧室工作稳定后, 打开电磁阀1, 使尾气经抽气支路进入到2个大小均为2 L的储气罐内, 并经电磁阀3和开关阀2后排出; 当气流稳定后, 关闭电磁阀3, 再关闭电磁阀2; 取样结束后立即结束试验, 关闭开关阀1和开关阀2, 取出尾气储罐。

仿真假设: 取样结束时尾气储罐内样气组分与燃烧室内相同, 由两部分组成: 一是认为处于化学平衡状态, 实际参与反应后, 剩余的氢气、氧气以及大量水蒸气; 二是认为在燃烧室内未实际参与反应的少量氢气和氧气。储罐内样气压力下降为某一压力1, 样气温度与实际测量温度相同, 文中取比理论燃烧温度低50 K。

图1 氢氧燃烧尾气的取样方法示意图

1.2 一次冷凝过程

一次冷凝是指为防止充氩操作时烫伤操作人员, 将样气冷凝至某一安全压强状态。

仿真假设: 一次冷凝及以后的各个过程中, 尾气储罐内氢气和氧气间的化学反应速率随着样气温度、氢气和氧气浓度变化, 且满足阿累尼乌斯定律。

1.3 充氩过程

对2个尾气储罐内充入惰性的常温氩气至某一压力3, 该值大于1 atm, 以防止外界大气进入尾气储罐内。

1.4 二次冷凝过程

二次冷凝是将样气冷凝至某一温度, 同时将析出的水分排出的过程。水分随着样气温度不断下降而析出, 此时样气总处于饱和状态, 即相对湿度为100%。

2 燃烧室内氢氧反应过程建模与仿真

燃烧室为高温(大于1 000℃)时, 氢氧反应可能涉及到H、H2、O、O2、OH、H2O、HO2、H2O2等8种组分, 但由于采样位置在燃烧室尾部, 此处燃气温度一般为700℃~900℃, 除H2、O2、H2O外, 其他组分在该温度下所占比例很小, 因此, 计算氢氧反应的化学平衡过程时, 文中只考虑H2、O2和H2O这3种组分。

Gibbs最小自由能法[2-5]是计算绝热和一定压力(或一定温度和压力)条件下化学平衡最为常用的方法, 而Aspen Plus的RGIbbs反应器模型即是Gibbs自由能最小的平衡反应器, 可同时计算化学平衡和相平衡。设燃烧室内真实燃烧效率为, 若已知燃烧室入口的物料参数, 则根据该反应器和文中假设条件, 可获得样气中各组分的摩尔比例及燃气温度, 如表1所示。

表1 各工况下样气中各组分的摩尔比例及燃气温度

可见,真实燃烧效率越高, H2、O2摩尔比例越低, H2O摩尔比例越高; O2的化学计量数小, 富氧工况相较当量比工况来说, O2量增加较少, 故两工况下各组分摩尔比例相差不大。

3 预处理过程建模与仿真

3.1 一次冷凝过程

3.1.1 物理模型

图2 一次冷凝过程的物理模型

Fig. 2 Physical model of first condensation

3.1.2 计算模型

1) 氢气、氧气、过热蒸汽、液态水的属性[1]

认为氢气、氧气为理想气体, 其焓值仅与温度有关, 与压力无关。氢气和氧气的摩尔焓值

过热蒸汽焓值受压力影响小, 其摩尔焓值

当压力不大于1 MPa时, 液态水的摩尔焓值

2) 氢氧反应速率

当前氢燃烧化学反应模型可以采用单步反应、两步和多步基元反应, 为便于计算, 借鉴国内氢氧燃烧化学反应模型研究领域的相关经验, 给出了氢氧的单步反应方程式, 即化学反应速率[6]

氢氧反应的摩尔热值

3) 尾气储罐散热

考虑储罐散热[7]为大空间内的自然对流时, 散热量主要与罐外壁温度有关。计算时认为圆柱面为竖直方向。

圆柱面散热的格拉晓夫数

罐外壁的圆柱面部分向环境的对流换热系数

2个尾气罐外壁的圆柱面部分向环境的对流换热量

上顶面散热的格拉晓夫数

相应的瑞利数

罐外壁的上顶面部分向环境的对流换热系数

2个尾气罐外壁的上顶面向环境的对流换热量

下顶面散热的格拉晓夫数

相应的瑞利数

罐外壁的下顶面向环境的对流换热系数

2个尾气罐外壁的下顶面向环境的对流换热量

罐外壁对外的辐射换热量

综上可知, 罐外壁对外的总散热量由四部分组成: 圆柱面的对流换热量、上顶面的对流换热量、下顶面的对流换热量和罐外壁对外的辐射换热量, 即总散热量

4) 样气内水蒸气为过热蒸汽时样气温度、组分及含量变化

将样气参数随氢氧反应、罐外壁散热的过程进行时间离散。样气内水蒸气为过热蒸汽, 一次冷凝过程开始时, 样气初始总焓值

样气的总焓值

为保证计算时水蒸气为过热蒸汽, 要求样气压力不大于饱和蒸汽压

5) 样气内水蒸气开始凝结时氧气温度、组分及含量变化

样气内水蒸气开始凝结时, 样气初始总焓值

样气某时刻的总焓值为

为保证外界大气不进入罐内, 计算时要求样气压力不小于1 atm。

3.1.3 初步计算结果及分析

1) 当燃烧效率为90%时, 各工况下样气中各参数的变化趋势基本相同: 氢气和氧气摩尔数的减少量很小, 水摩尔数的增加量也很小, 样气温度和罐外壁温度逐渐减小, 样气总焓值逐渐减小, 罐外壁散热量随样气温度减小而逐渐降低, 样气压力随样气温度和水蒸气冷凝而逐渐降低。

2) 富氢工况下样气中水蒸气分压降低至饱和蒸汽压的时间, 相比其他2种工况来说略长, 说明低浓度下氢氧化学反应速率大小主要取决于氢气摩尔数。

3.2 充氩过程

当尾气储罐内压强不低于1 atm时, 向尾气储罐内充氩, 防止外界大气进入尾气储罐内。根据3.1节的计算模型及初步计算结果可知, 当罐内水蒸气分压下降至饱和蒸汽压, 水蒸汽开始冷凝时, 由于样气温度低、氢气和氧气浓度也很低, 使得氢氧化学反应几乎可以忽略, 因此, 充氩过程不会使氢气和氧气的摩尔数发生变化, 即氢气和氧气摩尔比保持不变, 与一次冷凝过程结束时相同。

3.3 二次冷凝过程

与3.2节相同, 二次冷凝过程中氢氧化学反应可以忽略, 因此, 二次冷凝过程中, 氢气和氧气摩尔比保持不变, 与一次冷凝过程结束时相同。

4 氢氧燃烧尾气组分测量影响规律

4.1 环境湿度和压力

研究环境因素(温度、湿度、压力等)对氢氧组分及含量的影响, 只需要研究一次冷凝过程, 之后的充氩、二次冷凝等过程不影响氢氧摩尔数, 无需研究。一次冷凝过程结束时样气中氢气和氧气摩尔比即样气进入组分分析仪后的测试结果。

由于所有过程中样气压力均不小于环境压力, 只要能保证各阀门、接口及测试现场对接时的密封性, 外界大气便不能进入到尾气储罐内, 外界环境的湿度和压力变化对氢氧组分及含量无影响。

4.2 环境温度

图3 富氢工况燃烧效率比较

图4 当量比工况燃烧效率比较

图5 富氧工况燃烧效率比较

5 结束语

在分析氢氧燃烧尾气组分测量基本过程的基础上, 通过建立燃烧室内化学平衡模型、一次冷凝过程的物理和计算模型, 完成了对燃烧室内的化学反应过程、取样和充氩及预处理过程等的仿真分析与计算, 得到了燃烧室内的真实燃烧效率与组分分析仪获得的燃烧效率之间的关系。结果表明: 当分析仪获得的燃烧效率处于50%~ 100%时(燃烧效率低于50%时, 对于工程实际的指导意义小), 燃烧室内的真实燃烧效率要略低一些, 但相差较小; 环境温度越高, 储罐越不易散热, 分析仪获得的燃烧效率越低, 样气内的氢氧反应量越多, 故而燃烧室内的真实燃烧效率要更低一些; 富氢工况下氢气浓度高, 储罐内氢氧反应量要略多一些, 故而燃烧室内真实燃烧效率要更低一些。

为完善高温高压环境下氢氧成分的试验测试方法, 对氢氧组分测量的建议如下: 进一步研究适合低浓度氢氧化学反应模型; 取样储罐上设计压力表和温度计, 便于监测样气压力和温度, 防止外界大气进入, 同时便于在合适的时机充氩。

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(责任编辑: 许 妍)

Simulation Analysis on the Factors Influencing Measurement of Components in Oxyhydrogen Combustion Exhaust Gas

XIAO Bo1, SUN Tao2, 4, 1, ZANG Shun-lai3, Gao Yu-ke1, LIU Jing-yun1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Postdoctoral Innovation Base, Xi’an Technology Resourse Market, Xi’an 710065, China; 3.School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 4. School of Public Policy and Administration, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Oxyhydrogen combustion exhaust gas contains hydrogen, oxygen and a large amount of vapor, so preprocessing is necessary before the measurement of the oxyhydrogen component content in the exhaust gas with component analyzer. The preprocessing includes decompressing, condensing, argon filling, filtering and drying, which will inevitably affect measuring result. In this paper, the measuring process of the oxyhydrogen combustion exhaust gas is analyzed, and the factors influencing the measurement of the components in oxyhydrogen combustion exhaust gas are simulated by modeling the chemical equilibrium process of oxygen-hydrogen reaction in the conditions of hydrogen enrichment, oxygen enrichment and equivalence ratio, respectively. And then, analysis and modeling of each pretreatment process is carried out. The results show that: 1) the major influencing factor is the environment temperature; 2) the higher the environment temperature is, the lower the measured oxyhydrogen combustion efficiency becomes; 3) the real combustion efficiency is lower than the measured one; and 4) the real combustion efficiency in hydrogen enrichment condition is lower than that in other conditions at the same environment temperature. In addition, some suggestions are offered to improve the accuracy of the measurement.

oxyhydrogen combustion; component measurement; simulation analysis

TJ630.32; TK31

A

2096-3920(2018)04-0304-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.005

肖波, 孙涛, 臧顺来, 等. 氢氧燃烧尾气组分测量影响因素的仿真分析[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(4): 304-309.

2018-03-13;

2018-04-08.

陕西省工业科技攻关项目(2016GY-056).

肖 波(1986-), 男, 工程师, 主要从事鱼雷热动力技术研究.