加湿率对乙烯燃烧污染物排放的影响

张引弟，孙敏，齐立典，王珂，辛玥

1.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100 2.中国石化胜利油田分公司工程建设管理部，山东 东营 257000

节能减排是我国目前化石能源应用可持续发展的必经之路。采取有效措施降低燃烧污染物的排放，对保护人类身体健康和生态环境有重要意义。加湿燃烧技术是指燃烧时在燃料或氧化剂中注入水或水蒸气的新型燃烧技术。目前国内外对燃料加湿燃烧的研究主要以甲烷、乙烷为主，主要针对燃气轮机循环燃烧和室内湿空气燃烧。SEBASTIAN等[1]研究了干燥和加湿蒸气条件下的天然气扩散燃烧特性，通过实验和模拟对比分析得出加湿会减小火焰锋面、抑制氮化合物浓度。ODI等[2]研究了CCS与燃气轮机发电的结合技术，将氧化剂氛围由空气替换成了CO2-氩气-蒸汽-氧气(CARSOXY)，结果表明加湿燃烧可有效提高燃气轮机的效率。葛冰等[3]进行了加湿回流湍流扩散燃烧流场的实验，发现加湿燃烧使燃烧时的温度分布更加均匀，能明显降低火焰温度，使NO的排放大大降低，同时也会改变燃烧中的化学反应和传热传质过程，使火焰燃烧流场和结构不稳定。在应用研究方面，陈卫杰[4]在天然气锅炉高效工作低氮氧化物柔和燃烧器的研究中采用热水对空气进行加湿，发现加湿可以降低炉膛内峰值火焰温度，降低NOx的排放，并且用热水加湿效果比常温加湿效果好。任昕等[5]在提出的天然气富氧加湿及烟气置换NGH联产方案中，通过调整水蒸气的预混比达到了提升燃烧效率、降低污染物排放的目的。李建刚等[6]、李春保等[7]着眼于燃烧锅炉的优化，分别研究了加湿和不同海拔对锅炉性质的影响，验证了加湿燃烧应用于燃气锅炉的可行性。但是目前大部分研究对空气加湿燃烧使CO的排放是否增多或降低没有明确结论。并且国内外在燃料点火特性和可燃极限上研究较少，且研究燃料单一。为此，笔者开展了不同于以往的燃料对乙烯加湿燃烧特性的研究，模拟得出燃料加湿可以减少碳烟和氮氧化物的生成，在达到减少污染物排放目的的同时工业应用成本也较低，技术难度较小。以小型圆筒形燃烧器为研究对象，借助FLUENT软件，采用小火焰燃烧模型和乙烯单步燃烧机理对常规空气氛围下、不同加湿率条件下的乙烯燃烧进行数值模拟研究，模拟过程中保持乙烯与氧化剂流量不变，通过改变燃料的水蒸气摩尔分数来研究加湿率对火焰温度、燃烧速度、碳烟以及氮氧化物排放质量分数的影响。

1 模型建立与数值模拟方法选择

1.1 模型建立与网格划分

图1 圆筒燃烧器模型半剖示意Fig.1 The half-sectioned schematic diagram of cylinder burner model

图2 网格划分示意Fig.2 The schematic diagram of grid division

模型采用的是圆筒燃烧器，其简化外形与尺寸如图1所示。燃烧器的燃烧半径R=0.225m，轴向距离L=2m，加湿乙烯从小孔半径r=0.005m的入口处流入燃烧器。

采用Gambit软件对整个求解区域进行网格划分，如图2所示。因为求解区域数据内容较为简单，所以使用四边形结构化网格可以大大提升计算速率和生成质量，即为较理想的网格划分形式。网格整体呈现渐变型，表示气体沿轴向流动方向由密集逐渐变得稀疏。由于在气体进口、外墙附近，燃烧器内部会对计算结果产生较大误差，所以在上述区域加密网格的划分，在其他区域相对稀疏，最后共划分了10443个节点网格、10220个网格单元。

1.2 数值模拟方法选择

湍流流动模型选择标准k-ε模型[8]，湍流燃烧模型选择通用有限速率模型，辐射换热模型选择P-1模型，氮氧化物生成的数学模型选择概率密度函数(PDF)模型，其输运方程见式(1)：

(1)

碳烟生成模型选择单步Khan and Greeves模型[9]，表达式见式(2)：

(2)

图3 轴向温度分布对比Fig.3 The comparison of axial temperature distribution

式中：ρsoot为碳烟的密度，kg/m3；wsoot为碳烟的质量分数，%；prsoot为碳烟普朗特数，1；Rsoot为碳烟成形净速率,kg/(m2·s);μt为黏性系数，kg/(m·s)。

气相化学反应机理采用乙烯燃烧的单步简化反应机理。求解计算时，采用分离式求解器、隐式格式、有限体积法、SIMPLE算法。

1.3 模型验证

为验证该模型的可靠性，使用文献[10]相同工况(燃料：CH4，流速70m/s；氧化剂：空气，流速0.6m/s)进行模拟，并对比二者轴向温度分布情况，结果如图3所示。该模型轴向温度分布规律与文献基本符合，最大误差为12.9%，在工程允许范围内，故该模型可靠性得以保证。

2 工况与边界条件

2.1 工况设计

氧化剂为常温空气，流速为0.5m/s，保持乙烯流量不变，控制过氧系数恒定，调节燃料的加湿率与流速，工况设置如表1所示。加湿率α计算式如下：

(3)

式中：α为加湿率，%;n(C2H4)为燃料中C2H4摩尔分数，1；n(H2O)为燃料中水蒸气摩尔分数，1。

2.2 边界条件设置

边界条件的设置如表2所示，燃料乙烯、空气入口与燃烧反应出口边界设置为常温300K，设置壁面为绝热条件，壁温设定为300K。

表1 工况设置

表2 边界条件设置

3 模拟结果

3.1 火焰形状与燃烧温度

燃烧时火焰温度较高会损害锅炉质量。不同加湿率下的温度分布云图如图4所示。由图4可以看出，燃烧时温度沿轴向逐渐增大，高温区域面积逐减少，反应温度随加湿率增大而降低。由于空气加湿燃烧的燃烧中心轴向速度比不加湿燃烧的大，回流区缩短，回流强度减弱[11]，因此燃烧时加湿空气火焰的内部流动、化学反应以及传热传质过程都发生了复杂的变化，致使火焰温度降低。

图5为不同加湿率下温度沿轴向变化的对比图，可以看出，当加湿率为0%时，反应的最高温度最大且无下降趋势；随着加湿率增大,温度下降趋势增大,尤其在轴向距离靠近2m处，温度急剧降低，说明加湿率越大温度越低。由此可以得出如下结论：乙烯在空气加湿燃烧时可以有效降低燃烧时的火焰温度。

图4 不同加湿率下的温度分布云图 图5 不同加湿率下的温度轴向分布Fig.4 Cloud pictures of temperature distribution under different humidification rates Fig.5 Axial temperature distribution under different humidification rates

3.2 燃烧速率

燃烧速率指的是单位时间内燃料的消耗速率，燃烧速率取决于可燃物与氧的化学反应速度，以及氧和可燃物的接触混合速度。由图6不同加湿率下乙烯质量分数轴向分布可以看出,加湿率越大乙烯质量分数越低，反应可燃物乙烯燃烧消耗越大，化学反应速度越大。由图7不同加湿率下流体运动速度轴向分布可以看出,加湿率增大流体运动速度增大，氧与可燃物乙烯的接触混合速度增加，物理混合速度增加。由此得出结论：加湿率增加，乙烯燃烧速率加快。

图6 不同加湿率下乙烯质量分数轴向分布 图7 不同加湿率下流体运动速度轴向分布Fig.6 Axial distribution of ethylene mass fraction under different humidification rates Fig.7 Axial distribution of fluid motion velocity under different humidification rates

3.3 碳烟生成与排放

乙烯燃烧时会产生大量的碳烟，所谓碳烟是乙烯不完全燃烧产生的细微粉末和一部分二氧化碳，碳烟严重影响空气质量并会对人类身体健康造成危害。通过模拟，由图8碳烟排放云图对比可以看出加湿率越大，质量分数低的区面积越大，质量分数高的区面积随着加湿率增加几乎消失；在靠近出口处，质量分数低的区域面积逐渐增大，当加湿率达到40%时，排放的碳烟质量分数几乎下降到0.1以下。由图9不同加湿率下碳烟排放质量分数对比可以看出：①在加湿情况下沿着轴向线碳烟排放先增加后减少，在无加湿情况下，碳烟生成质量分数只增不减；②随着加湿率的增加，碳烟的轴向生成质量分数下降。由图10出口截面碳烟排放质量分数可以看出，随着加湿率增加,出口截面碳烟排放质量分数明显减少。由此得出加湿可以有效降低碳烟排放，且加湿率增大碳烟排放降低明显。分析其原因，加湿导致火焰温度降低会抑制碳烟的成核和生长[12]，致使碳烟排放降低。加湿对碳烟的抑制主要体现在3个方面[13]：①加湿使—OH质量分数增加，增加碳烟的氧化速率，同时降低—H自由基质量分数，从而抑制脱氢反应；②碳烟和水蒸汽会发生水煤气反应，抑制了碳烟的产生；③加湿使不同区域O2质量分数增大,加快了碳烟的氧化。因此，无论从加湿引起的O2浓度变化、火焰温度变化，还是—H、—OH自由基的质量分数变化来看，加湿均降低了碳烟的生成速率和碳烟的排放。

图8 不同加湿率下碳烟排放云图对比 图9 不同加湿率下碳烟排放质量分数轴向分布Fig.8 Comparison of cloud pictures of soot emission under different humidification rates Fig.9 Axial distribution of soot emission mass fraction under different humidification rates

图10 出口截面碳烟排放平均质量分数随加湿率的变化 图11 不同加湿率下出口截面NO平均质量分数Fig.10 Variation of soot emission mass fraction with humidification rates at the outlet section Fig.11 The average mass fraction of NO outlet section under different humidification rates

3.4 氮氧化物生成与排放

只由氮和氧组成的化合物称为氮氧化物。常见的氮氧化物有NO、NO2、N2O、N2O5等，其中NO、NO2是污染空气的主要氮氧化物，化石燃烧产生大量的氮氧化物是污染空气、形成酸雨中硝酸的重要物质，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗O3的一个重要因子。笔者研究工况的燃料、氧化剂中均不含N元素，但空气中的N2在高温下易与O2反应生成氮氧化物，以热力型NO为主。由图11可以看出随着加湿率增加NO出口截面平均质量分数减少。这是由于加湿会降低燃烧温度，而高温是热力型NO形成的关键因素[14]。故加湿会减少氮氧化物的排放。

3.5 最佳加湿率的确定

通过以上模拟可以看出，随着加湿率的增大，燃料的燃烧速率增大，燃烧温度降低，氮氧化物生成量降低，碳烟排放减少，说明加湿燃烧能提高燃烧效率、减少污染物排放。然而锅炉燃烧时，有水壁面受热不均会影响正常燃烧[15]，水蒸气从湍流火焰回流区的大小和形状两方面影响火焰的稳定性，所以加湿同样会对燃烧器的稳定工作造成影响，且碳烟排放在加湿率超过30%后趋于稳定。为了保障燃烧器工作的安全性，加湿不宜过多。综合考虑取加湿率30%为最佳。

4 结论

通过对乙烯燃烧进行数值模拟，运用FLUENT软件模拟了加湿率α为0%、10%、20%、30%、40%工况下乙烯在空气中的燃烧，分析对比了乙烯在不同加湿率下燃烧温度、燃烧速率、氮氧化物和碳烟排放的变化，结合节能环保与工业的安全应用，得出结论如下：

1)不同加湿率下乙烯燃烧的火焰温度有明显变化，随着加湿率的增加，乙烯燃烧的火焰温度明显下降，流体的流动速率增加，燃料的燃烧速率增大。

2)随着加湿率增加，碳烟的排放明显降低，在加湿率0%～30%之间影响尤为明显，超过30%后碳烟排放质量分数趋于稳定。

3)随着加湿率增加，能有效降低火焰温度，从而抑制热力型NO的生成，使得出口截面的氮氧化物质量分数降低，燃烧排放的氮氧化物减少。综合考虑燃烧的清洁环保与工业的安全应用，提出最佳加湿率为30%。