掺混H2对CH4-空气对冲扩散火焰温度和NOx生成影响的数值研究

吕志超，洪 洋，赵国江

（1.台州科技职业学院，浙江 台州 318020；2.浙江邦得利环保科技股份有限公司，浙江 临海 317000）

0 引言

氢气具有无污染、能量密度高、可存储时间长、应用方式广泛等优点，被看作是最具应用前景的能源之一[1]。但氢气的全周期能量转换效率较低，运输成本高[2]。将氢气通入现有天然气管道，组成H2与CH4的混合气是一种低成本、高效率 的 氢 能 利 用 方 式[3]，[4]。

虽然天然气的燃烧产物大部分为H2O和CO2，H2的燃烧产物为H2O，对环境几乎不造成污染。但是其混合气在燃烧过程中会产生对环境有较大污染的NOx，通过改变某些燃烧条件可以控制NOx的生成，如改变气体混合比例、燃烧温度和压力、火焰拉伸率等。张高强[5]通过数值模拟研究了CH4-空气在不同CO2掺混率下的燃烧特性，发现提高CO2掺混率可有效抑制NOx的生成[5]。袁也[6]研究了H2/CO合成气中H2体积分数对NOx生成的影响，研究结果表明，随着H2体积分数的增加，NO的生成量随之增加，NO2的生成量呈现出先减少后增加的趋势。沈文锋[7]模拟研究了掺混NH3（燃料氮）的CH4对冲扩散燃烧过程中压力对NO生成的影响，发现压力的升高抑制了HNO和H2NO的离解，使得燃烧型NO的生成受到了抑制。游滨川[8]对重整燃料在燃烧室中的燃烧特性进行了数值模拟研究，研究结果表明，相对于纯甲烷燃料，水蒸气的存在会降低重整燃料高温区的温度，从而降低NOx的生成量。张亚肖[9]采用FR-ED燃烧模型对天然气贫预混燃烧室中NO的生成特性进行了模拟研究，结果表明，蒸汽加湿可以显著降低热力型NO的生成速率，同时降低CO的峰值浓度。Chen Y[10]模拟研究了CO2代替空气中的N2对CH4预混火焰的影响，研究结果表明，CO2的置换会降低火焰稳定性，同时显著降低火焰熄灭速度。

限制NOx的排放是高比例H2混合CH4发电技术中必须解决的问题，但是，有关掺混H2对CH4-空气对冲扩散火焰温度特性以及NOx生成特性影响的研究还不多。因此，本文采用了CHEMKIN软件中的OPPDIF Code模型来模拟层流对冲火焰，对火焰燃烧特性进行研究，并运用GRI3.0机理分析不同H2混合比例下的燃料燃烧过程。

1 物理模型

本文研究的CH4-空气对冲扩散火焰燃烧装置的物理模型如图1所示。燃料和空气的流动方向相向，H2与CH4掺混后由喷嘴喷出。燃料与空气的轴向距离L为1cm，x=0cm处为燃料的起始射流位置，x=1cm处为空气的起始射流位置。

图1 物理模型示意图Fig.1 Schematic diagram of physical model

2 数学模型

在稳态下，对冲扩散火焰的控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。本文研究的对象为混合气体，还需要增加组分守恒方程作为控制方程。OPPDIF Code可以对燃烧器系统的质量守恒方程、能量守恒方程及组分守恒方程联立求解。对流项采用迎风差分格式。网格采用自适应网格，采用阻尼牛顿法计算方程。设定迭代误差不超过10-6。GRI3.0机理可以较好地解释CH4/H2合成气的燃烧化学反应机理。

2.1 连续性方程

采用圆柱坐标系，连续性方程表示如下：

式中：x，r分别为轴向和径向坐标；u，ν分别为轴向 和 径 向 速 度 分 量，cm/s；ρ为 密 度，g/cm3。

2.2 动量守恒方程

式 中：μ为 动 力 黏 性 系 数，g/（cm·s）；H为 常 数。

2.3 能量守恒方程

式中：T为温度，K；cp为混合物的定压比热容，J/（g·K）；λ为 混 合 物 的 导 热 系 数，W/（cm·K）；cp，k为 第k种 气 体 的 定 压 比 热 容，J/（g·K）；Yk为k组分的摩尔分数，%；ωk为k组分的摩尔生成速率，mol/（cm3·s）；hk为k组 分 的 比 焓，J/g；Vk为k组 分的 扩 散 速 度，cm/s。

2.4 组分守恒方程

扩散燃烧过程的组分守恒方程表示如下：

式中：Wk为第k种组分的分子量。

2.5 边界条件

燃料侧和空气侧的边界条件分别设置如下：

式中：ρF和 ρO分别为燃料侧和空气侧密度，g/cm3；uF和uO分别为燃料侧和空气侧轴向速度分量，cm/s；TF和TO分别为燃料侧和空气侧的温度，K。

3 计算条件

火焰拉伸率K反映了对冲扩散火焰气体之间的混合强度以及气体发生反应时的停滞时间，其计算式为

式中：ν0和 νF分别为空气和燃料的扩散速度，cm/s。

喷嘴出口设定为常温常压，即气体温度为298K，设定气体压力为101325Pa，火焰拉伸率K分 别 为30，100s-1和300s-1，H2摩 尔 分 数 分 别为0，20%，50%和70%。

4 结果与分析

4.1 H2摩尔分数对扩散火焰温度的影响

不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对CH4-空气扩散火焰温度分布的影响如图2所示。由图2可知：在3种火焰拉伸率下，温度分布呈现出相似的规律，即在某一段中间距离内，随着火焰与燃料轴向距离的增大，温度呈现出先上升后下降的变化趋势。这是对冲扩散火焰比较典型的特征[11]。在燃气与空气对流扩散过程中，其在中间的某个位置上以一种最佳当量比的混合状态发生燃烧时，燃烧效果最佳，温度也最高[12]。

当燃料中的H2摩尔分数增加时，峰值温度出现的位置向着远离燃料的方向移动。从传质的角度分析，H2与空气扩散传质的施密特数（反映了动量传递与质量传递的难易程度，施密特数越小，代表着气体溶质在溶剂里的扩散能力越强）为0.20，而CH4与空气扩散传质的施密特数为0.99。另外，氢气的热值约为CH4热值的3倍，氢气燃烧产生的热量所带来的温升明显高于CH4。综上可知，在燃料和空气对冲扩散过程中，随着H2摩尔分数的增加，火焰峰值温度点会更靠近空气区。在低火焰拉伸率（K=30s-1）下，这种变化更加明显，当H2摩尔分数由0增加到70%时，火焰峰值温度出现的位置依次为0.665，0.675，0.707，0.736cm。随 着 火 焰 拉 伸 率 的 增大，这种变化越来越不明显，在高火焰拉伸率（K=300s-1）下，当H2摩尔分数由0增加到70%时，火焰峰值温度出现的位置依次为0.552，0.553，0.554，0.561cm。通 过 对 比 可 以 看 出，在 高火焰拉伸率下，随着H2摩尔分数的增加，CH4-空气燃烧火焰峰值温度出现的位置没有发生明显变化。

从图2还可以看出：在靠近燃料起始射流位置以及空气起始射流位置的一段距离内，火焰温度维持在气体初始温度不变；随着火焰拉伸率的增加，这种趋势更为明显。这说明随着火焰拉伸率的增加，主燃烧区的范围变窄。

图2 不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对CH4-空气扩散火焰温度分布的影响Fig.2 Effect of H2mole fraction on the temperature distributions of CH4-air diffusion flame at different stretching rates

4.2 H2摩尔分数对NO生成量的影响

不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对NO生成量分布的影响如图3所示。由图3可知：在主燃烧区，随着H2摩尔分数的增大，NO生成量随之增大，NO峰值摩尔分数出现的燃烧位置越发靠近空气区；NO峰值摩尔分数出现的燃烧位置因火焰拉伸率的不同而略有差异，火焰拉伸率越高，NO峰值摩尔分数出现的燃烧位置的区别越小。

图3 不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对NO生成量分布的影响Fig.3 Effect of H2mole fraction on the distributions of NO production at different stretching rates

不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对NO峰值摩尔分数的影响如图4所示。由图4可知，在同一火焰拉伸率下，随着H2摩尔分数的增加，NO峰值摩尔分数随之增加。这是因为H2的热值高于CH4，当NO摩尔分数达到峰值时，火焰温度最高，此时生成NO的化学反应受热力型NO机理的影响最大，而受快速型NO机理和N2O-中间体机理的影响并不明显。火焰温度越高，意味着热力型NO机理的作用越强，NO生成量就越大。由图4还可以看出，在同一H2摩尔分数下，拉伸率越大，NO峰值摩尔分数越小。这表明火焰拉伸率的提高，使得反应物在燃烧区的滞留时间缩短，抑制了NO的生成。

图4 不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对NO峰值摩尔分数的影响Fig.4 Effect of H2mole fraction on the NO peak mole fraction at different stretching rates

4.3 H2摩尔分数对NO2生成量的影响

不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对NO2峰值摩尔分数的影响如图5所示。由图5可知：在同一火焰拉伸率下，NO2峰值摩尔分数随着混合气中H2摩尔分数的增大而增大；在同一H2摩尔分数下，NO2峰值摩尔分数随着火焰拉伸率的增大而降低。对比图4，5可以发现，NO2峰值摩尔分数与NO峰值摩尔分数的变化趋势类似。NO2的形成与分解分别依赖于反应HO2+NO=NO2+OH和NO2+H=NO+OH。随着H2摩尔分数的增大，燃烧区的火焰温度增高，NO的生成量随之增大，促进了生成NO2的化学反应。

图5 不同火焰拉伸率下H2摩尔分数对NO2峰值摩尔分数的影响Fig.5 Effect of H2mole fraction on the NO2peak mole fraction at different stretching rates

此外，在相同H2摩尔分数下，火焰拉伸率越大，NO2峰值摩尔分数越小。这是因为火焰拉伸率的增加抑制了NO的生成，在反应HO2+NO=NO2+OH中，NO的摩尔分数降低后，会导致NO2的摩尔分数降低。NO和NO2的摩尔分数表现出正相关的关系，这一点也可以从图4，5中NO和NO2峰值摩尔分数的变化关系中看出。

5 结论

本文使用CHEMKIN软件中的OPPDIF Code模型模拟了CH4中掺入不同比例的H2对CH4-空气对冲扩散火焰温度变化特性以及NOx生成特性的影响，分析了不同H2摩尔分数火焰拉伸率下火焰温度的变化规律以及NO和NO2生成量的变化规律，得出以下结论。

①在主燃烧区内，随着与燃料轴向距离的增加，火焰温度呈现出先升高后降低的变化趋势，存在一个温度峰值点，此点为燃烧最佳当量比的位置。在主燃烧区外，火焰温度与初始气体温度基本保持一致。

②随着混合燃料中H2摩尔分数的增大，火焰温度峰值点出现的位置向空气区靠拢。随着火焰拉伸率的降低，H2摩尔分数对火焰温度峰值点位置变化的影响有所增大。③随着混合燃料中H2摩尔分数的增大，NO峰值摩尔分数随之增大。在主燃烧区，NO的摩尔分数随着轴向距离的增大而呈现出先增加后减小的变化趋势。当H2摩尔分数增加时，NO峰值摩尔分数出现的位置更靠近空气区，随着火焰拉伸率的增大，这种变化变得不明显。

④NO和NO2的峰值摩尔分数呈现出相似的变化特性，随着H2摩尔分数的增加，NOx峰值摩尔分数出现递增的变化趋势，但是火焰拉伸率的加大会降低NOx的生成。