过量空气系数对甲烷燃烧特性的影响

(长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 434023)

随着环境问题日益受到重视，实现燃料节能高效的利用越来越重要。过量空气系数对工业锅炉的稳定安全运行、节能减排方面具有重要影响，正得到广泛的研究。Long[1]等以重型涡轮增压六缸天然气发动机为对象，研究了过量空燃比对燃烧特性，性能和排放的影响。得出过量空燃比增加时，碳氢化合物的总排放量增加，NOx排放减少。王谦[2]团队基于CONVERGE软件，探究了过量空气系数对稀燃条件下天然气发动机燃烧和排放的影响，得出过量空气系数从1.5增加到3.5，燃烧的缸内压力增加，平均温度下降，碳烟排放下降了74%；NOx排放先增加后减小。李小红等[3]着眼于高海拔地区锅炉运行效率，通过数学推导得到海拔，气压、氧分压的关系式，改良了修正过量空气系数计算公式。

目前对过量空气系数对燃烧多以内燃机为主，就其对燃烧特性、主要污染物排放规律已有了初步结论。但对小型燃烧器的数值模拟，尤其是涉及CHEMKIN化学反应动力学机理的研究还不太多。本文以小火焰伴流燃烧器为对象，基于FLUENT软件，对甲烷在常规空气氛围、不同过量空气系数条件下的燃烧温度、燃烧速率、主要污染物生成情况进行了数值模拟。得出了过量空气系数对各参数的影响规律，总结了适合工业应用的最佳过量空气系数。

1 建模与选择数值模拟方法

1.1 建立模型与划分网格

模型采用小火焰伴流燃烧器，其实物图与简化后几何模型如图1所示。燃烧器氧化剂喷管外径为0.1 m，内径为0.09 m；燃料管内径为0.01 m，外径0.012 m。燃料与氧化剂在两管喷口上方发生反应，生成同向流动火焰。

图1 圆筒燃烧器模型

在燃烧器喷口上方设置了0.25 m×0.1 m的计算区域来模拟燃烧情况，并采用Gambit软件对区域进行网格划分，如图2所示。为兼顾网格的质量与计算精度，选择四边形结构化网格。在化学反应的主要区域，如靠近燃料进口处，采用加密网格；在远离喷口处采用较稀疏的网格。共划分了9 318个节点网格数量，18 417个网格单元。

图2 计算网格

1.2 选择数值模拟方法

进行数值模拟，选择标准k-ε湍流流动模型。选用组分输运模型，导入24步简化甲烷气相化学反应机理[4]，打开涡耗散概念模型模拟湍流反应与化学反应的相互作用。辐射换热模型选择的是P-1模型，选择概率密度函数(PDF)模型模拟氮氧化物反应机理和传递过程，分别预测热力型NOx与快速型NOx的生成。碳黑生成模型选择的是单步Khan and Greeves模型。设置求解器时，采用分离式求解器、隐式格式、有限体积法、SIMPLE算法。定义过量空气系数α如式(1)所示：

(1)

式中：V为每立方米干燃气实际助燃空气量，m3/m3；V0为每立方米干燃气理论空气需求量，m3/m3。

2 设计工况与边界条件

2.1 工况设计

工况设置参数见表1。

表1 工况设置

2.2 边界条件设置

设置边界条件如表2所示。

表2 边界条件

3 模拟结果分析

3.1 火焰形状与燃烧温度

火焰燃烧温度是燃烧现象的直观反映。本文对不同工况下的火焰燃烧温度云图进行了对比分析，如图3所示。可以看出，但过量空气系数小于1时，燃烧温度较低，燃烧温度的峰值在轴线两侧；随着过量空气系数增大，各燃烧区域的温度均升高，且燃烧温度峰值向轴线靠拢，在大约α=1.2时温度峰值出现在轴线上。其原因是由于当氧含量少时，燃料燃烧不充分，化学能未完全释放，导致温度较低。随着氧含量的增加，燃烧化学反应得以促进，燃烧变得剧烈、温度上升。

图3 温度分布云图对比

3.2 燃烧速率

通过对轴向燃料浓度的变化来判断参与化学反应的燃料变化量，从而表征过量空气系数对燃烧速率的影响，如图4所示。

图4 轴线CH4摩尔分数分布

可以看出随着过量空气系数的增加，轴向甲烷摩尔分数斜率明显增大，证明了其对燃烧反应的促进作用。当α为0.61时，甲烷有一定的出口浓度，但下降迅速，且当α>1时，出口浓度为0。这说明随着过量空气系数的增大，氧化剂含量增大，促进了燃烧反应的进行。

3.3 碳烟生成与排放

本文就不同工况下碳烟的生成进行了对比分析，其浓度云图分布如图5所示。可以看出：①碳烟生成区域在α=0.6～0.8时扩大，在α=0.8～1.4时缩小；②碳烟浓度峰值出现在轴线两侧，随过量空气系数增大，峰值增大且逐渐向轴线靠拢，其规律与燃烧温度分布相吻合。这说明温度的升高会促进碳烟的生成，与文献[5-6]结论一致。过量空气系数对碳烟排放浓度及其成核速率的影响如图6所示。可以看出，随着过量空气系数的增大，碳烟成核速率加快，碳烟排放浓度先增大后减小。当α=0.8时达到极大值，在α>1时排放浓度保持在较低水平。

碳烟排放浓度受碳烟成核和碳烟氧化情况的综合影响，其中根据氢提取-C2H2-加成(HACA)机理[7]，H自由基浓度在碳烟成核方面起到促进作用；OH自由基是碳烟氧化作用的主要基团[8]本文计算了各工况下H、OH自由基团轴向截面平均浓度，计算式如式(2)所示。浓度分布对比情况如图7、图8所示。可以看出随着过量空气系数的增大，H、OH自由基团浓度均上升，碳烟的成核速率与氧化作用均加强，两方面因素作用耦合，影响了碳烟排放的规律。

(2)

式中：φ为通用变量；A是出口截面，Ai是面积微元。

图5 碳烟浓度云图对比

图6 碳烟成核速率与平均排放浓度

图7 H自由基摩尔分数轴向分布

图8 OH自由基摩尔分数轴向分布

3.4 NOx生成与排放

NOx是工业燃烧反应的一种有害污染物，其中NO占比最高，约为95%[9]，因此本文对比分析了不同工况下NO的最大摩尔分数与出口平均摩尔分数，如图9所示。可看出，随着过量空气系数增大，两者浓度均在α=0.6～0.9与α>1.2时增大，在α=0.9～1.2时减小，在α=0.9取得极大值，在α=1.2时取得极小值。分析原因是因为随着过量空气系数的增大，氧气含量升高，燃料反应完全，燃烧温度升高，促进了热力型NOx的产生。而α=0.9～1.2时减小，可能是由于H自由基浓度的上升抑制了N+OH<=>NO+H链式反应的进行，同时氧化剂流量增大也稀释了NO的浓度。通过对比分析，可得出α=1.2时是控制NOx排放的最佳系数值。

图9 NOx的最大生成浓度与平均排放浓度

3.5 CO生成与排放

本文对比分析了不同工况下CO的最大摩尔分数与出口平均摩尔分数，如图10所示。可以看出随着过量空气系数的增大，①CO最大摩尔分数增大，这是由于CH4燃烧反应包含CH4→CH3→CH2O→HCO→CO→CO2的过程[10]，O2浓度增大时链式反应得以加速，促进了CO的生成；②CO出口平均摩尔分数减小，这是由于O2浓度增大，使得CO氧化加速。在α=0～1时急剧下降，在α>1是减小缓慢，故在CO防治上只需α>1即保证燃料充分燃烧即可。

图10 CO最大生成浓度与平均排放浓度

4 最佳过量空气系数分析

由各工况模拟结果分析可知，随着过量空气系数的增加，燃料燃烧温度上升、燃烧速率加快；碳烟成核速率加快、碳烟排放浓度先增大后减小，在α>1时开始稳定在较小值；NO排放浓度在α=1.1～1.2存在极小值；CO排放浓度在α>1时保持在较低水平并缓慢下降。由此综合考虑得出最佳过量空气系数宜取α=1.1～1.2。

5 结 论

本文针对过量空气系数对甲烷燃烧特性的影响，基于化学反应动力学机理，设计了不同过量空气系数工况，对比分析了各工况的燃烧温度、燃烧速率以及主要污染物排放情况，得出以下结论。

(1)随着过量空气系数的增加，燃烧温度上升、燃烧速率加快、高温区由火焰两翼向轴线靠拢。

(2)在污染物生成情况中，碳烟生成情况主要受燃烧温度和氧化基团OH浓度、H自由基浓度的影响。过量空气系数增加时OH、H自由基浓度均上升，碳烟成核速率加快但氧化也加强，导致排放浓度先增大后减小。NOx的生成主要受燃烧温度、H自由基浓度的耦合作用影响。CO的生成受燃烧速率影响，随过量空气系数的加大，CO峰值浓度升高、燃料反应进行愈发彻底，排放浓度下降。

(3)在控制污染物排放方面，在α>1时碳烟与CO排放浓度受到抑制；NO排放浓度在α=1.1～1.2存在极小值；综合考虑得出最佳过量空气系数宜取α=1.1～1.2。