甲烷、丙烷掺混对乙烯扩散火焰中碳烟生成影响

张引弟，曾繁锦，王城景，阙江鹏，罗广，辛玥，黄纪琛，张汝西

1.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100 2.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100

随着全球经济的发展，能源需求量日渐增多，能源生产结构持续向绿色低碳体系转变[1]。碳氢燃料不完全燃烧产生的碳烟颗粒会对环境和人体健康产生严重危害[2-4]。大多数碳氢燃料都是含有多种碳氢分子的混合物，因此燃料混合对碳烟形成的影响值得关注。协同效应是研究混合燃料的碳烟生成特性的一个重要发现，是指在相同的条件下混合燃料比单一组分燃料产生更多的碳烟。大分子碳氢燃料在燃烧时首先裂解成乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、丙烷等小分子碳氢化合物，因此，研究小分子碳氢燃料掺混燃烧对碳烟生成的影响具有一定的实际意义。ZHANG等[5]对乙烯/二甲醚对冲扩散火焰中碳烟生成动力学进行了数值模拟研究，发现二甲醚的加入对乙烯对冲扩散火焰中碳烟生成有协同作用，这种协同效应与二甲醚的加入对PAHs生成的化学反应有关。XU等[6]对乙炔对冲扩散火焰中添加丙烯和丙烷对碳烟生成的影响进行了实验研究，发现少量丙烷的加入对碳烟生成有协同作用，而丙烯的加入对碳烟生成有单调抑制作用。顾浩等[7]通过实验测量了乙烯预混合火焰中掺混甲烷的碳烟颗粒粒径分布，实验表明，随着甲烷掺混比增加，生成的碳烟颗粒的成核与生长速率逐渐减小，甲烷与乙烯之间在研究工况下不存在协同效应。林柏洋等[8]研究了掺混甲烷对预混合丙烯火焰中碳烟生成的影响，研究发现，随着甲烷掺混比例的增加，碳烟颗粒生长速率减缓，碳烟体积分数减小，未发现甲烷与丙烯在碳烟生成方面的协同效应。王珂等[9]研究了不同甲烷掺氢比下的燃烧温度、燃烧速度以及主要污染物的排放情况，发现随着掺氢比的增加，燃烧温度升高、燃烧速度加快、总污染物排放量减少。目前针对小分子碳氢掺混燃烧的研究大多在预混火焰中，笔者研究了在层流扩散火焰中，甲烷和丙烷掺混对乙烯中碳烟生成的影响。采用FLUENT软件，耦合 GRI-Mech3.0气相化学反应机理和Moss-Brookes碳烟模型进行数值计算，对比小分子气体混合燃料的碳烟生成特性及重要中间组分浓度变化，研究在不同工况下是否存在碳烟生成方面的协同效应。

1 数值模拟方法

1.1 数值计算模型

图1 燃烧器模型示意及计算域网格划分Fig.1 Schematic diagram of burner model and grid division of the computational domain

研究模型采用与文献[10，11]类似的Gülder燃烧器，燃料管内径10.9mm，壁厚0.95mm，氧化剂管的内径88mm，其简化模型图如图1(a)所示。计算域网格划分如图1(b)所示，为减少计算量，模拟采用二维轴对称计算域，在主要反应区对网格细化。轴向上，20mm以内划分为间距为0.2mm的细网格，然后设置网格沿轴线向外由密变疏，扩展因子为1.0205，共划分94个节点；径向上，0.8mm以内采用间距为0.2mm的细网格，0.8～5.45mm区间，等距划分19个节点，5.45～6.45mm区间内等距划分4个节点，伴流气侧网格间距逐渐变大，等距划分61个节点，扩展因子为1.025。最终计算域共划分为20052个网格。其中计算域向燃料喷口上游延伸10mm，将燃料喷口包含在计算域内以得到较为合理的喷口燃料速度分布[12]。

1.2 数值求解方法设置

本研究的燃烧模型采用基于Arrhenius公式的层流有限速率模型，使用的化学反应机理来自GRI-Mech 3.0[13]，去除了与NOx生成相关的所有反应和物种。修改后的反应机理包括36个物种和219个反应。辐射模型选用离散坐标(DO)辐射模型来计算辐射传热，同时应用基于SMITH[14]等人提出的灰气体加权和模型(WSGG)计算气体介质和碳烟的辐射特性。模拟计算中碳烟模型采用The-Moss-Brookes模型[15]，氧化模型为Fenimore-Jones。碳烟颗粒的瞬时产生率由式(1)给出：

(1)

式中：N为碳烟颗粒数密度，m-3；a和l为模型常量；NA为阿伏伽德罗数；X为摩尔分数，1；p为压力，Pa；R为气体常数，取值8.314J/(mol·K)；T为温度，K；dp为碳烟颗粒直径，mm；t为时间，s；ρsoot为碳烟颗粒密度，kg/m3。

碳烟质量浓度的源项由式(2)建模，包括通过粒子成核而产生的碳烟质量、由表面生长过程产生的碳烟质量以及由氧化导致的碳烟质量消耗：

(2)

式中：M为碳烟质量密度，kg/m3；Mp为初生碳烟颗粒质量，取值为144kg/kmol；b、m、n为附加的模型常量。

数值算法选用了基于压力耦合的求解器，利用Coupled 数值算法来处理压力和速度的耦合。考虑到部分自由基团会在较小区域内大幅变化，难以收敛，通过设定温度监视，当温度达到稳定值，默认结果收敛。模拟先进行了冷态模拟，后加入化学反应，同时在乙烯和氧气冷态混合区域应用局部初始化高温，模拟“点火”。

1.3 边界条件与计算工况

燃料入口和伴流气入口边界条件均选用速度入口，乙烯流速为3.465cm/s，侧边界设置为等温壁面300K，上边界选用压力出口，允许出口边界的回流。喷口壁面温度设置为400K，以考虑火焰对喷口壁面的传热。

表1为进行计算的11组工况，甲烷和乙烯的掺混分别从无掺混(纯乙烯)到完全取代(纯甲烷和丙烷)。氧化剂为空气，流量为284L/min。燃料为纯乙烯、纯甲烷、纯丙烷时的流量分别为194、388、129.3mL/min，以保证燃料中总含碳流量不变[16]，从而使可见火焰高度基本保持一致，通过改变乙烯、甲烷和丙烷的流量达到相应的掺混比例。

表1 计算工况

2 模型合理性验证

为验证模型合理性，采用与本文使用相似燃烧器的文献[17]数据进行对比。工况1数值模拟条件设置与对比文献实验工况相同，将二者火焰高度30mm处温度和碳烟体积分数径向分布进行对比，如图2所示。虽然图2(b)中在火焰中心线区域文献中的碳烟体积分数低于模拟值，但两者的变化趋势保持一致，均随火焰半径的增大呈先增加后减少的趋势，靠近中心轴线区域存在差异的主要原因是目前碳烟模型对由多环芳烃凝聚导致碳烟表面增长的预测不足[18]，从而使得中心轴线区域数值模拟的碳烟体积分数较小。由图2可以看出本文数值模拟结果与文献中的温度及碳烟体积分数变化趋势基本相符，温度最大误差约为1%，碳烟体积分数峰值误差约为8.64%，故该模型的合理性可以得到保证。

图2 火焰30mm截面处温度和碳烟体积分数径向分布Fig.2 Radial distribution of temperature and soot volume fraction at 30mm cross section of flame

3 结果与分析

3.1 火焰温度

图3 甲烷掺混乙烯温度二维分布Fig.3 Two-dimensional temperature distribution of ethylene blended with methane

图4 丙烷掺混乙烯温度二维分布Fig.4 Two-dimensional temperature distribution of ethylene blended with propane

图3及图4分别显示了不同掺混比下乙烯掺混甲烷和丙烷的温度二维分布。在纯乙烯火焰中，最高温度为2129.8K，出现在火焰中HAB=0.84cm(HAB为距离燃烧器上方的高度,下同)，r=0.545cm附近的环形区域。当甲烷掺混比提高时，火焰温度峰值出现的位置向火焰上部移动，火焰温度峰值略有下降 ，而火焰上部中心线区域的温度逐渐升高。当丙烷掺混比增大时，火焰温度变化表现与掺混甲烷相同的趋势，温度峰值出现位置向火焰上部移动且温度峰值持续略有下降，而火焰上部中心线区域的温度升高程度小于甲烷掺混的工况。

选取火焰高度30mm和50mm截面处，分析各工况下温度的径向分布。如图5所示，在30mm截面处，随着甲烷掺混比的提高，火焰轴线附近温度径向分布较为一致，峰值温度分布右移，在到达峰值后，各工况温度随甲烷掺混比增加而升高。在丙烷掺混乙烯工况中，随掺混比的增加，火焰轴线附近温度下降，峰值温度分布较为一致，在到达峰值之前，温度分布随掺混比增加而下降。由图6可以看出，与30mm截面处不同，在50mm截面处，随着甲烷掺混比提高，火焰径向温度分布整体升高，火焰轴线区域内温度分布也随甲烷掺混比提高而整体升高，在丙烷掺混乙烯中，温度分布变化趋势与掺混甲烷类似。

图5 火焰高度30mm处温度径向分布Fig.5 Radial temperature distribution at flame height of 30mm

图6 火焰高度50mm处温度径向分布Fig.6 Radial temperature distribution at flame height of 50mm

3.2 碳烟的生成

图7 甲烷掺混乙烯碳烟体积分数二维分布Fig.7 Two-dimensional distribution of soot volume fraction of ethylene blended with methane

图8 丙烷掺混乙烯碳烟体积分数二维分布Fig.8 Two-dimensional distribution of volume fraction soot of ethylene blended with propane

图7及图8分别为6种工况下甲烷和丙烷掺混乙烯的碳烟体积分数二维分布云图。在纯乙烯火焰中，碳烟体积分数的最大值为8.955×10-6，位于HAB=2.7cm，r=0.28cm的环形区域。从云图中可以看出，随着甲烷和丙烷掺混比的增加，碳烟生成均显著减少，碳烟区域的宽度和高度皆逐渐减小，碳烟峰值轴向分布的区域向火焰顶部移动，火焰腰部明亮区明显上移，表明碳烟的起始生成速率有所下降，峰值出现区域稍有滞后，且甲烷掺混乙烯的碳烟峰值的位置更靠近火焰顶部。当甲烷完全替代了乙烯时，碳烟体积分数峰值(SVF)由8.955×10-6减小到1.182×10-6，峰值分布由两翼分布变为两翼上游及火焰顶部。在丙烷完全替代乙烯时，碳烟体积分数峰值减小到4.417×10-6，峰值分布由两翼变为两翼上游。随着掺混比的增加，最大碳烟体积分数均逐渐减小。与掺混甲烷相比，乙烯掺混丙烷的碳烟体积分数降低的速率则相对缓慢。对于乙烯和甲烷及乙烯和丙烷混合火焰，都没有表现出混合燃料的协同效应。

火焰高度30mm和50mm处各工况的碳烟体积分数径向分布如图9和图10所示。在30mm截面处，甲烷掺混乙烯和丙烷掺混乙烯工况中，随着掺混比的增加，碳烟体积分数峰值均下降，且峰值分布区域右移，各掺混比下甲烷掺混乙烯工况中整体碳烟体积分数以及峰值下降幅度比丙烷掺混乙烯更大。在50mm截面处，掺混甲烷的碳烟体积分数高于纯乙烯工况，由50mm处温度径向分布可以看出，随着甲烷掺混比提高径向温度整体升高，增强了碳烟生成速率。通过上述碳烟二维分布云图也可得知，随甲烷掺混比的提高，碳烟体积分数峰值分布区域有上移的趋势，因为甲烷的掺混降低了碳烟成核速率，峰值分布区域向火焰下游延伸，导致当甲烷掺混比为10%、20%、40%时，该截面碳烟体积分数高于标准工况。在丙烷掺混乙烯工况中，50mm处碳烟体积分数分布规律同30mm处较为类似，随丙烷掺混比提高，火焰轴线区域碳烟体积分数下降，径向碳烟体积分数整体下降，但与30mm截面处相比，下降幅度更小。

H自由基和OH自由基是燃烧化学反应中的中间活性产物，对碳烟的生成有至关重要的作用。图11显示了火焰5mm和25mm高度处H自由基摩尔分数径向分布。随着火焰高度的升高，H摩尔分数峰值减小并且向火焰轴线靠近。在火焰高度5mm处，随着甲烷掺混比的增加，H摩尔分数峰值右移且不断减小，沿径向分布的范围不断变窄。随着丙烷掺混比的增加，H摩尔分数峰值数值减小，但径向位置基本保持不变，沿径向分布范围变窄。在火焰高度25mm处，随着掺混比的增加，在掺混甲烷和丙烷火焰中，H摩尔分数峰值和整体分布均右移，而随着丙烷掺混比的增加峰值略有增大。这表明，甲烷和丙烷的掺混降低了乙烯火焰中碳烟生成的化学反应速度，而掺混甲烷使火焰中碳烟生成降低更多。

图12显示了火焰5mm和40mm高度处OH自由基摩尔分数径向分布。随着火焰高度升高，OH摩尔分数减小且分布区域向火焰轴线移动。在火焰高度5mm处，随着甲烷掺混比的增加，OH摩尔分数峰值右移且减小，随着丙烷掺混比的增加，OH摩尔分数峰值减小而径向位置基本不变。在火焰高度40mm处，随着掺混比增加，OH摩尔分数峰值均增大且右移，且峰值出现区域变窄。这表明，在火焰的中部和顶部，甲烷和丙烷的掺混使OH自由基浓度增大，且掺混甲烷导致的OH增大幅度更大，从而加强了碳烟的氧化，进一步抑制了碳烟的生成。

图9 火焰高度30mm处碳烟体积分数径向分布Fig.9 Radial distribution of soot volume fraction at flame height of 30mm

图10 火焰高度50mm处碳烟体积分数径向分布Fig.10 Radial distribution of soot volume fraction at flame height of 50mm

图11 火焰高度5mm和25mm处H摩尔分数径向分布Fig.11 Radial distribution of mole fraction of H at flame height of 5mm and 25mm

C2H2是碳烟表面生长过程中的重要物种[19]，图13比较了甲烷和丙烷掺混乙烯不同工况下火焰中C2H2摩尔分数轴向分布。由图13(a)可以看出，随着甲烷掺混比的增加， C2H2摩尔分数持续减少，且峰值右移，C2H2分布向火焰上部移动。当燃料为纯甲烷时，C2H2的摩尔分数下降到远低于纯乙烯火焰的水平。由图13(b)可见，在乙烯中加入少量的丙烷(即掺混比为10%)时，C2H2摩尔分数比纯乙烯火焰中稍有增加，随着丙烷掺混比的继续增加，C2H2摩尔分数逐渐减少。这是由于乙烯脱氢是C2H2产生的主要路径，甲烷和丙烷掺混比的不断增加使乙烯浓度减小，从而乙烯脱氢产生的C2H2减少。对比两图可以看出，乙烯掺混丙烷的火焰中C2H2摩尔分数下降幅度小于甲烷掺混乙烯工况。

图12 火焰高度5 mm和40 mm处OH摩尔分数径向分布Fig.12 Radial distribution of mole fraction of OH at flame height of 5mm and 40mm

图13 不同掺混比下C2H2的摩尔分数轴向分布Fig.13 Axial distribution of mole fraction of C2H2 under different blending ratios

图14 不同掺混比下碳烟表面生长速率Fig.14 Soot surface growth rate under different blending ratios

图14显示了不同掺混比下掺混甲烷和掺混丙烷的碳烟表面生长速率。结果表明，随着掺混比例增大，掺混甲烷和掺混丙烷的碳烟表面生长速率均呈下降趋势。因为甲烷和丙烷替换了部分乙烯，导致H自由基和C2H2浓度降低，而C2H2又作为表面生长的主要物种，致使表面生长速率下降。由图14可以看出在掺混比大于20%时，掺混甲烷的碳烟表面生长速率的下降幅度明显大于掺混丙烷工况，也说明甲烷的掺混使乙烯火焰中碳烟的生成降低更多。

4 结论

采用数值模拟研究了燃料中添加甲烷和丙烷对层流乙烯/空气扩散火焰中碳烟生成的影响。采用GRI-Mech3.0气相反应机理结合Moss-Brookes碳烟模型，在保持混合燃料中碳流量恒定的情况下，对不同工况的扩散火焰进行了数值模拟研究，分析对比了各工况的燃烧温度分布、碳烟分布以及重要中间组分浓度的变化。

1)随着甲烷掺混比的增加，层流扩散火焰峰值温度和碳烟体积分数逐渐降低，火焰宽度逐渐增大，温度和碳烟体积分数峰值分布均向火焰下游发展。

2)随着丙烷掺混比的增加，火焰的峰值温度和碳烟体积分数变化趋势与掺混甲烷基本一致，但相同掺混比下的下降幅度小于甲烷掺混乙烯工况。

3)掺混甲烷和掺混丙烷的H和OH摩尔分数径向分布曲线比较相似，随着甲烷和丙烷掺混比的增加，火焰上游H和OH自由基摩尔分数逐渐减小且分布向火焰下游发展，C2H2摩尔分数减小，甲烷和丙烷的加入减小了乙烯火焰中碳烟表面生长速率。

4)在本文研究的甲烷掺混乙烯和丙烷掺混乙烯扩散火焰工况下，未发现甲烷与乙烯和丙烷与乙烯之间存在协同效应。