不同加湿模式下甲烷湍流燃烧特性数值模拟

王城景, 齐立典, 辛 玥, 王 珂, 张引弟,3*

(1.长江大学石油工程学院, 武汉 430100； 2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司工程建设管理部, 东营 257000；3.加拿大国家研究院测量科学与标准研究中心, 渥太华 KIAOR6, 加拿大)

近年来,燃煤工业锅炉逐步被燃气锅炉取代,为了进一步满足日趋严格的大气污染物排放标准,多种形式减排技术手段受到推广应用[1-2]。作为实现低氮燃烧之一的加湿燃烧技术受到广泛研究,认为在燃烧过程中添加水蒸气是一种有效的方法,其中在燃气轮机湿空气透平循环中已经实现降低NOx排放的效果,但在燃气工业锅炉上应用研究并不多见,加湿燃烧技术也是烟气再循环技术的延伸,因为燃烧尾气中通常含有大量水蒸气。因此,研究H2O对甲烷燃烧特性及污染物排放的影响对于加湿燃烧技术在工业燃气锅炉上的推广应用以及对于水合物的开发利用具有实际意义。

国内外众多学者利用实验或者数值模拟手段分析和探究水蒸气对于气体燃料燃烧的影响。Padilla等[3]通过实验测量水蒸气稀释的非预混甲烷与空气对冲火焰中的组分结构分布,结果表明水的化学作用将改变OH,H和O自由基的产生和消耗,OH强度和反应区厚度随水的增加而降低,水主要是通过热效应来降低火焰温度直至熄灭。贺元骅等[4]探究低压细水雾添加氯化钾对抑灭性能的影响,在密闭空间内开展了含不同浓度氯化钾的低压细水雾对正庚烷池火的抑灭实验。结果表明:添加剂可有效缩短低压细水雾灭火时间,显著强化低压细水雾的抑灭性能。Zhao等[5]研究了氧化剂侧加湿工况下燃烧过程中的产物OH基对NOx生成的影响,结果显示空气加湿致使OH基的浓度降低,因而整体氮氧化物排放量降低。葛冰等[6]利用PLIF平面激光荧光系统、高温热电偶及红外气体分析仪对不同空气湿度下的合成气进行扩散燃烧实验,研究表明:空气湿度增加,火焰基本形态大幅度变化；当加湿比例达到约20%时,NOx排放趋势减缓,再继续增加水蒸气含量对于降低NOx排放意义不大。杨承等[7]对某在役燃气轮机燃料预混水蒸气燃烧过程进行数值计算研究,结果表明,预混水蒸气后燃烧筒内温度降低,水蒸气的混入导致火焰拉长,燃烧室出口的NO平均浓度下降明显。胡多多等[8]通过Fluent仿真建模,研究了甲烷在三种不同燃烧气氛下富氧燃烧特性,O2/H2O氛围下燃烧速率高,出口污染物生成量最少,燃烧效率也是三种气氛下最高的。

前人学者研究采用的燃料涉及各种碳氢化合物,如CH4、C2H6、C3H8以及合成气等,然而当前对加湿燃烧技术的实验研究或者数值模拟,大多只实现了在单一方式下加湿,对于甲烷在不同加湿方式下的燃烧特性综合对比研究较少。为此，采用数值模拟的方法通过组分输运模型耦合甲烷半详细气相反应机理对比分析两种加湿方式下对甲烷燃烧特性的影响,确定一种合理加湿方式下优越的浓度配比,以期为加湿燃烧技术的推广应用提供一定的技术支持。

1 数值模拟方法及边界条件

1.1 几何模型网格及控制方程

如图1所示,采用四边形的结构化网格,网格从燃烧器入口一端到出口一端由密集逐渐变得稀疏,其中对于燃料喷口和燃烧流场轴线内部区域网格划分较密,其他区域相对稀疏,由进口到出口,轴线到两侧边界网格是渐变的。

图1 燃烧器结构图及计算网格

流体力学基本控制方程[9-10]形式如式(1)所示:

(1)

式(1)中：φ为通用物理量；Γφ为输运系数；Sφ为源项；ρ为密度；x、r、θ分别表示轴向坐标、径向坐标、周向坐标；u、v、w分别表示速度在x、r、θ方向上的分量；当φ=1,Γφ=0该方程变成连续性方程；当φ=u、v、w为对应x、r、θ方向的动量方程；当φ=k、ε、f和h为分别对应x、r、θ方向的湍流动能方程、湍流动能耗散率方程、组分质量守恒方程和能量方程，其中k为湍动能,ε为湍动能耗散率,f为质量分数,h为焓。

1.2 数值求解方法

模拟采用标准双方程湍流模型,为了避免射流扩张率过大,将湍流模型常数C1-Epsilon由1.44改为1.6[11]。其他所有选项保持默认。燃烧模型选用考虑燃烧过程中涉及了物质输运,启动组分输运与化学反应模型,将24步简化甲烷气相化学反应机理[12]通过Chemkin Import导入Fluent,该机理简化成24个基元反应,包括17种物质,选用涡耗散概念模型来实现湍流与化学反应的相互作用。采用P-1 模型模拟燃烧室内的辐射换热。选用热力型NOx与快速型NOx两种形成机理对NOx的生成进行了预测,碳烟颗粒的形成预测采用Fluent中Two-step模型,同时考虑碳烟辐射效应。

1.3 边界条件及工况

结合实际条件,本次模拟设置如表1所示的边界条件。

表1 边界条件

表2 计算工况(φ1)

表3 计算工况(φ2)

2 模型验证

为验证本文建模及选用燃烧模型的可靠性和准确性,当用乙烯作为燃料时,将本文所设模型的模拟结果同对比文献[13]及对比文献[14]的数据进行比较。在计算流体力学中,速度场分布是决定燃烧流场特征最重要参数之一。因此,图2给出了离喷嘴轴向距离x=75 mm及x=113 mm两个截面处的径向速度分布同文献进行对比,数据表明,计算结果与文献中吻合趋势较好。

图2 不同截面处径向速度分布

图3为本文模型的中心轴线上的温度分布与文献中的模拟火焰温度数据的对比结果。三者均为同轴伴流湍流乙烯扩散火焰,变化趋势均随着中心轴线距离增加而先升高达到峰值温度后降低。

图3 火焰截面轴线温度分布

其中不同的是,本文模拟温度结果与文献峰值温度形成趋势均保持一致,但峰值温度略高于对比文献[13-14]。产生这一差异的原因在于:①本文中选用的燃烧模型与对比文献均不同,温度模拟结果必然有差异；②模拟过程中为简便计算,将两侧边界简化成绝热边界条件[15],导致燃烧中边界无热量损失,而在实际实验过程中是存在散热损失,所以实际峰值温度值会有所降低。

因为本文中选用的燃烧模型与对比文献不同,且选用的乙烯反应动力学机理也不同,因此二者的结果对比必然存在差异,但较好地模拟出了燃烧整体趋势及流场分布。误差分析计算结果如表4所示,该误差较为合理,表明模拟结果基本吻合实际燃烧情况,因此本文建模及选用模型可以较好地模拟碳氢燃料湍流燃烧过程,并在此基础上进一步研究得到的结论是可信的。

表4 误差分析

3 模拟结果对比与分析

3.1 对燃烧流场的影响

3.1.1 燃烧温度

温度作为反映燃烧内部情况的重要指标参数,需要重点关注。图4为两种加湿方式下不同水蒸气掺混比例下燃烧温度分布云图,由图4可见:两种加湿方式下燃烧流场内温度分布宏观特征一致,燃烧高温区域逐步向中心轴线收拢,可以明显看出,甲烷预混水蒸气后对于温度分布特征影响较大,火焰高温区域缩短；而空气预混同体积的水蒸气后对于温度分布特征影响不明显。

图4 火焰温度分布云图

图5及图6为9种工况下燃烧流场峰值温度和中心轴线上的温度分布,可见两种加湿方式下,燃烧峰值温度均有所降低,其中燃料加湿对于降低火焰峰值温度效果更明显,分析原因在于:

图6 不同工况轴向温度分布

(1)水的物理特性如比热容较大,吸收热量能力较强；水的辐射系数与扩散系数较其他气体大,作为三原子气体会增强流场内对流与辐射换热[16]。

(2)水蒸气的超平衡基团效应,水蒸气参与化学反应以及自身发生离解反应致使O、H和OH自由基等基团生成位置和浓度均有所改变[5],继而影响了燃烧过程中的反应路径,主要的支链反应H+O2=O+OH与重组反应H+O2+M=HO2+M直接衡量总体反应速率,也是最高火焰温度的衡量标准[17],反应速率的降低导致了峰值温度的下降,其中燃料预混水蒸气方式下可能对于反应速率的影响较大。

(3)水蒸气改变了某些三体反应的反应速率,影响基团的生成与消耗,改变了燃烧特性。

燃料加湿模式下形成最高温区域提前原因在于水蒸气与甲烷预先混合,射入流场内与伴流空气混合,为了研究单一变量水蒸气对于燃烧特性的影响,保证了单位时间内参与反应的甲烷一定,造成出口流速增加,燃料射流动量增大,与氧化剂混合充分,燃烧反应迅速,故达到峰值温度所需行程缩短。

3.1.2 OH自由基

在燃烧研究中,燃烧反应区域会含有大量的OH自由基,OH基密度常用来表征火焰反应区及其反应特征,可用于燃烧状态的诊断。文献[18-19]也表明激光可视化测量系统进行OH-PLIF测量时,OH自由基荧光强度可以用来反映燃烧反应区域以及部的反应强度,这对于观察整体火焰特性非常有价值,因此探讨OH基在流场内的分布很有必要。

图7给出了2种加湿模式5种工况下的OH基质量分数分布云图,可以看出两种加湿模式下随水蒸气体积浓度增加峰值OH基的质量分数分布。可以明显看出,燃料预混水蒸气模式下,随着水蒸气的预混浓度变大,OH基形成区域愈发靠近燃料口,OH基质量分数逐步增大,主要因为反应式(2)和式(3)在该反应机理中贡献了大量的OH基,而OH基团的消耗依靠式(5)、式(6)和式(7)等基元反应：

图7 不同工况下OH基质量分数云图

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

当燃料中水蒸气体积浓度增大时,OH基团产生速率变小,基本反应式(5)、式(6)和式(7)中的OH消耗速率几乎不变[5],但由于添加蒸汽,如图8所示,式(4)最大反应速率降低,且燃料预混水蒸气方式下降低幅度更明显,速率降低抑制了式(4)正向反应,使得对OH消耗的贡献大大降低,同时逆向反应加强,这些反应总的平衡的结果是,促进了OH的产生。如图9所示,燃料预混水蒸气模式下,OH基团质量分数随着水蒸气体积浓度的增大而增大,OH的质量分数变大。而在空气预混水蒸气模式下,由于水蒸气的加入导致空气中氧气浓度略低,燃料需扩散到更高的区域才能完全消耗殆尽,所以火焰略微拉长,从上述温度云图及OH基团质量分数分布云图可以体现出这一点,尽管OH基团生成总量增加,但质量分数减少。

图8 反应式(4)最大反应速率

图9 OH基峰值质量分数

3.2 对污染物排放的影响

3.2.1 NOx排放

针对目前锅炉大气污染物排放标准日趋严格,湍流射流火焰的NOx排放特性被广泛研究,NOx约有90%是NO,NO2所占比例很小(5%～10%)[20],本文研究主要讨论NO的排放,相对于火焰上方较大较宽的反应区,NO产生于火焰中下部的薄层流小火焰区。甲烷燃烧生成热力型NOx为主,快速型NOx含量相对较少。图10为9种工况下出口处NO平均质量分数,两种加湿模式下均能减少NO排放浓度,燃烧预混水蒸气方式减排效果更佳,但水蒸气体积浓度达到40%时,继续加大水蒸气体积浓度对于减少NOx排放意义不大。着重分析燃料预混水蒸气方式下NO的形成,其中对NO形成有重大贡献的基元反应[5]如下:

图10 出口处NOx质量分数

N+O2=NO+O

(8)

N+OH=NO+H

(9)

HCCO+NO=HCNO+CO

(10)

H+NO+M=HNO+M

(11)

可以看出,NO主要由N+O2=NO+O,N+OH=NO+H产生并被HCCO+NO=HCNO+CO, H+NO+M=HNO+M消耗,而燃料预混水蒸气造成的OH浓度的增加促进了NO的形成,但CH、HCN、N等中间活性物质对NO的形成也极为重要[21],其中涉及CH基的重要基元反应有:OH+CH2=CH+H2O。

由于添加的水蒸气原本是燃烧反应的最终产物,大多数可逆反应均遵循勒夏特列原理,所以CH基团在OH+CH2=CH+H2O的生产反应中变少,因此,CH自由基浓度显著降低,文献[21]也表明水蒸气的存在也稀释了CH自由基浓度,进而减少了 HCN 浓度,致使抑制了快速型NO的生成。此外,添加了水蒸气而使燃烧室温度降低对减少热力型NO的贡献较大。因此,燃料预混水蒸气后尽管OH基团浓度增加,但热效应的存在以及CH基团浓度的降低,致使整体上抑制了NO的生成。

3.2.2 碳烟排放

碳氢燃料燃烧时需重点关注碳烟排放,碳烟是燃烧过程中产生的主要颗粒物,一方面它具有强烈的热辐射特性[22],影响着燃烧流场内温度分布；另一方面,它对人类健康和环境有着重要的影响。碳烟的排放是由碳烟生成与氧化反应的竞争机制所决定。碳烟的形成是一系列复杂的物理化学过程[23],其中包括单环芳烃,颗粒前驱物形成多环芳烃,碳烟颗粒成核和表面凝结生长,形成碳烟团聚体,以及碳烟氧化。

从图11中可以看出，9种工况下,沿燃烧流场轴向碳烟体积分数分布特征较为一致,与上述碳烟的生成氧化过程一致。空气预混水蒸气模式下,碳烟峰值体积分数到达区域略微滞后,向火焰下游移动,造成原因在于水蒸气的加入致使氧化剂流中氧气浓度略低,火焰被拉长,碳烟形成区域整体向火焰下游移动。而在燃料预混水蒸气模式下,碳烟峰值体积分数到达区域略微提前,向喷嘴处移动,造成原因在于,该模式下峰值温度行程区域缩短,碳烟形成和氧化过程也随着提前。

图11 中心轴线上碳黑体积分数分布

(2)H2O的热效应使得火焰温度的降低影响了燃料的热解速率[25]和化学效应抑制了碳烟起始成核速率[26]。

图12给出了在高度h=125、175和215 mm处碳烟体积分数的径向分布。

从图12可以看出，碳烟主要分布在以轴线为半径距40 mm的环形圆筒区域内,在火焰底部,即h=125 mm附近,碳烟径向分布存在先上升后下降的趋势,随着轴向高度的上升,在h=175 mm附近,碳烟体积分数径向分布趋势为先平缓下降后变得陡峭,到火焰上游,碳烟体积分数径向分布下降梯度较大。火焰底部即h=125 mm时存在两个峰值,与文献[27]的结果一致,这两处峰在下游沿燃烧流场轴向合并为一个峰。此外,在不同截面处,水蒸气的加入对于减少碳烟的生成表现出很好的一致性。

图12 不同截面处径向碳烟体积分数分布

3.2.3 CO排放浓度

考虑到加湿对火焰燃烧稳定性的影响,主要体现在,在燃料预混水蒸气模式下,燃料中混有水蒸气使得燃料喷嘴处出口速度增加时,影响了火焰的稳定性,这一特征体现在一氧化碳出口排放浓度,如图13所示,随着燃料中预混的水蒸气体积浓度增大,出口处CO排放浓度越加陡峭,而对于空气预混水蒸气模式下影响不大。

图13 不同水蒸气预混比例下出口处CO体积分数

针对本文中模拟的结果综合分析流场分布,污染物排放浓度等因素,如图14所示,在控制污染物排放方面,燃料预混水蒸气模式优势明显,得出了水蒸气预混比为40%时,控制污染物排放效果最优,进一步增大预混比例对于减少污染物排放意义不大,且火焰的不稳性增强。

图14 不同工况对出口处污染物的影响

4 结论

通过计算流体软件耦合简化的24步甲烷气相反应动力学机理来探究甲烷同轴湍流扩散火焰燃烧中不同添加模式、不同水蒸气含量下对于燃烧流场的影响,结果如下。

(1)水蒸气的加入降低了燃烧流场内的温度,两种加湿模式下峰值温度均随着水蒸气体积浓度的增加线性下降,其中燃料预混水蒸气方式下下降幅度更大。

(2)水蒸气的物理特性和化学效应协同影响着燃烧中间产物如OH基团的生成位置和生成浓度,显著降低甲烷湍流扩散燃烧中NO和碳烟的生成。

(3)分别在燃料侧和空气侧预混水蒸气的情况相比,燃料预混水蒸气模式下,整体燃烧温度更低,NO和碳烟排放浓度显著低于空气预混水蒸气模式下,而CO排放量略有上升,因此在燃料侧添加水蒸气更有助于控制污染物生成。

(4)基于燃烧稳定性和污染物控制因素的综合考量,确定了燃料预混水蒸气模式下71.4%CH4/28.6%H2O配比最优。