富氧气氛下层流预混火焰燃烧特性研究

于 灏，张建邦，康桐瑞，王春华

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺113001）

生物质能是一种以生物质为载体的能量，具有分布广、可再生的优点[1-2]，而且也是唯一一种可再生的碳能源[3-4]。生物质能虽然丰富，但由于大部分生物质含水量较高、组成复杂，直接燃烧，燃烧效率较低、污染排放不达标，所以将生物质转化为气体燃料使用，不仅燃烧效率得到提高，而且减少了直接燃烧造成的污染。目前国内外对于富氧燃烧技术的研究多集中于污染物排放、改善换热和化学机理方面的研究，而且使用的燃料多为化石能源[5-6]，对生物质气的火焰特性研究更是几乎没有。

本文利用数值仿真方法，研究生物质气在富氧气氛层流预混中的燃烧特性，为以后加热炉燃烧生产提供依据。

1 研究对象

选用的生物质气中H2、CO、CO2、N2的体积分数分别为0.35，0.4，0.23 和0.02，化学当量比设定为1。模拟的过程中，O2浓度分别取0.21、0.25、0.30、0.35、0.40、0.60、0.80、1。

2 物理模型和数学模型

2.1 物理模型的建立

为方便计算，对于整个预混燃烧模型做出假设：

（1）面积相对于反应区域是无限大的，将火焰流动视为一维、等面积流动；（2）将压力设为常数，并且过程中气体不可压；（3）将反应过程定义为绝热过程，忽略热辐射；（4）混合气体在喷嘴喷入前已均匀混合。

建立的物理模型如图1 所示，其长度设为1 cm。

图1 层流预混下的物理模型示意图

2.2 数学模型的建立

平面一维自由预混火焰控制方程由四个子方程组成[7]。

（1）连续性方程

（2）组分守恒方程

稳定流动时，在反应区内气体组分i 的质量净增长速率和质量流量及反应速率的关系可由下式表示：

（3）能量方程

一维稳态预混层流气体（忽略热辐射）的能量方程为：

（4）气体状态方程

视为理想状态，气体状态方程为：

上述式（1）至式（4）中：x 为空间坐标，m；M 为质量流率，kg/s；T 为温度，K；P 为压力，Pa；u 为混合气流速，m/s；ρ 为混合气密度，kg/m3；Yi为第i 种组分的质量分数，%；Wi为第i 种组分的摩尔质量，kg/kmol；R 为理想气体常数，8.314 J/（mol·K）；λ 为混合气导热系数，W/（m·K）；Cp为混合气定压比热容，J/（kg·K）；Cp，i为第i 种组分的定压比热容，J/（kg·K）；hi为第i 种组分的焓，J/kg；Vi为第i 种组分的扩散速度，m2/s；ωi为单位体积内第i 种组分的化学反应生成摩尔速率，kmol/（m3·s）；A 为混合气流动横截面积，m2；k 为组分数；W 为混合气的摩尔质量，kg/kmol。

3 计算结果及分析

文献[8]中，对成分为0.2H2-0.37CO-0.43CO2的生物质气燃烧特性进行了实验分析。实验工况为常温、常压，设定压力和初始温度分别为1×105Pa，298 K。本文为了验证数值模拟方法的正确性，对相同工况下的生物质气进行了数值计算，将计算获得的燃烧温度与文献中的温度进行比较，如图2 所示。可以看出，本文所模拟出的数据与参考文献中的数据基本吻合，因此使用该数值模拟方法对富氧气氛下生物质气层流预混火焰传播特性进行研究是可行的。

图2 生物质气燃烧的数值模拟与参考实验的燃烧温度比较图

3.1 O2浓度对火焰传播速度的影响

不同O2浓度下的火焰传播速度如图3 所示。

图3 不同O2浓度下的火焰传播速度变化图

可以看出，在不同O2浓度下，火焰传播速度的趋势是大体相同的，都是在距入口处0.45 cm 前（预热区）保持较低的速度，当燃烧至0.45~0.55 cm（反应区）时，火焰传播速度增幅明显，当超过0.60 cm时，增幅变缓。其中，在预热区的火焰传播速度随O2浓度的增大而升高。在反应区，高浓度O2下的火焰传播速度增幅更加明显，据计算，纯O2下的火焰传播速度在反应区中提高了4.78 倍，而常规浓度下的提高了2.71 倍。相应地可以看出，O2浓度越高，产物区的火焰传播速度也越大，纯O2气氛下的火焰传播速度达到了2 172 cm/s，而在常规空气气氛下只有419 cm/s。这是由于O2浓度越高，助燃剂中N2的成分越少，而加热N2需要耗费能量，因此较少浓度的N2有助于热量的累积；另一方面，N2浓度的减少，有助于火焰中的离子与自由基的碰撞，反应进行速度加快，因此火焰传播速度得以提升[9]。

3.2 O2浓度对燃烧温度的影响

不同O2浓度下的燃烧温度如图4 所示。

图4 不同O2浓度下的燃烧温度变化图

可以看出，不同工况下，燃烧温度在预热区几乎保持不变，这是由于进入炉膛后气体化学反应速度很小，混合气温升很小。在反应区内，燃烧温度剧增，富氧程度越大，温升越显著。常规空气气氛下，燃烧温度由308 ℃增长到1 709 ℃，纯O2工况下，燃烧温度由298 ℃增长至2 228 ℃。当至产物区时，燃烧温度增长的趋势变平缓，到0.8 cm 时，增长速率几乎为0。O2浓度较低的情况下，燃烧温度随O2的浓度增加而上升，这主要是因为O2含量越高，所需要的助燃剂量越少，烟气的产生量也会下降，而燃烧温度与烟气量成反比，当烟气生成量越少时，燃烧温度会相应提高。但当氧浓度达到100%后，最终温度却低于80%浓度下的燃烧温度，这可能是由于在高温下发生了热分解所导致的温降。说明仅仅提高O2浓度不一定能提高燃烧温度。

3.3 O2浓度对燃烧产物的影响

不同O2浓度下的H2O、CO2以及N2的摩尔分数如图5~图7 所示。

图5 不同O2浓度下的H2O 的摩尔分数变化图

图6 不同O2浓度下的CO2的摩尔分数变化图

图7 不同O2浓度下的N2的摩尔分数变化图

可以看出，O2含量越高，N2的成分越少，烟气量也就越少，因此，H2O 和CO2的摩尔分数就会增加，这有利于对烟气中的碳捕捉，降低了CO2的收集成本，有利于节能减排。同样的，在产物区，N2的含量和O2浓度成反比例关系。当O2浓度由21%提高至100%时，烟气中H2O 和CO2的体积分数增幅为116%和77%，N2的含量与初始相比变化不大。而H2O 和CO2作为三原子气体，其影响锅炉内传热特性，含量越高，对锅炉内强化传热更显著，降低了能耗，节约了成本[10]。

3.4 O2浓度对NO 浓度的影响

不同O2浓度下的NO 摩尔分数如图8 所示。

图8 不同O2浓度下的NO 摩尔分数变化图

可以看出，在预热区，NO 浓度几乎不变化，到反应区时，NO 浓度上升，当富氧程度在40%以下时，烟气至0.80 cm 左右，NO 的含量趋于稳定，但O2浓度为60%和80%时，NO 的浓度会继续增加，这是因为富氧程度高，燃烧温度高，在高温下促进热力型NOx的生成。当O2浓度在21%~40%之间时，NO 的浓度为0.001 9%~0.005 3%，但O2浓度超过40%时，NO浓度为0.014 3%~0.011 0%，这说明仅仅通过提高O2浓度来提高燃烧温度是不可行的，还需要考虑在富氧气氛下如何降低NO 的浓度。

4 结论

研究了不同O2体积分数下，火焰传播速度、燃烧温度、燃烧产物和NO 浓度的变化，结果表明：

（1）高浓度O2下生物质气的火焰传播速度增幅更加明显，这一方面是由于O2浓度越高，助燃剂中N2的成分越少，而加热N2需要耗费能量，因此较少浓度的N2有助于热量的累积。另一方面，N2浓度的减少，有助于火焰中的离子与自由基的碰撞，反应的进行速度被加快，因此火焰传播速度得以提升。

（2）燃烧温度变化和O2的浓度是正相关的，这主要是因为O2含量越高，所需要的助燃剂量越少，烟气量也会相应下降从而导致烟气总量变少，吸热物质减少后，燃烧温度上升。但当O2浓度达到100%后，最终温度却低于80%下的燃烧温度，这可能是由于在高温下发生了热分解的温降所导致的。

（3）O2含量越高，产物中H2O 和CO2的浓度越高，而N2的含量会随之降低。这有利于烟气中的碳捕捉，降低了CO2的收集成本，有利于节能减排。炉内双原子气体如N2会影响传热效果，而H2O 和CO2作为三原子气体，含量越高，对锅炉内强化传热更显著，降低了能耗，节约了成本。

（4）在O2浓度低于40%时，NO 的浓度较低，而超过40%时，NO 浓度会上升，这与炉内较高的燃烧温度有关，促进了热力型NOx的形成，所以需要合理选择O2的浓度，采取措施，在提高燃烧温度、节约能源的同时，降低NO 的浓度。