稀釋氣體對甲烷層流預(yù)混火焰燃燒速度的影響

曹甄俊，朱 彤

（同濟大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海201804）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，能源與環(huán)境問題受到全球各國廣泛關(guān)注.化石燃料持續(xù)消耗導(dǎo)致溫室氣體及有害物質(zhì)大量排放，全球變暖已成為當(dāng)前最嚴(yán)重的環(huán)境問題［1］.研究表明，煙氣再循環(huán)（EGR）是降低燃燒過程NOx排放的有效措施［2－3］.利用爐內(nèi)煙氣稀釋反應(yīng)氣體，使得燃燒反應(yīng)在低氧狀態(tài)進(jìn)行，降低了火焰溫度，從而達(dá)到低NOx排放的目的.利用煙氣再循環(huán)技術(shù)可以擴大燃燒放熱區(qū)域，降低放熱速率，并且能有效抑制燃燒過程熱聲振蕩現(xiàn)象的發(fā)生［4］.在煙氣再循環(huán)技術(shù)基礎(chǔ)上，近年來發(fā)展了稀薄燃燒技術(shù)（lean burn）［5］，高溫空氣燃燒技術(shù)（HiTAC，又稱無焰氧化燃燒flameless oxidation）［6］和多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)［7］等諸多高效潔凈燃燒技術(shù).然而，在稀釋燃燒條件下，火焰燃燒速度降低且易造成熄火.由于燃料及燃燒條件的不同，煙氣組分也有較大差異，利用煙氣再循環(huán)技術(shù)需要考慮不同混合氣組分及運行參數(shù)對燃燒特性的影響，例如層流燃燒速度、點火延遲時間、可燃極限等.其中，層流燃燒速度SL是可燃混合氣的重要基礎(chǔ)參數(shù)，包含了燃燒過程的詳細(xì)熱化學(xué)信息，與燃料消耗速率、燃燒工況及污染物排放密切相關(guān)［8］.層流燃燒速度對進(jìn)一步研究湍流火焰有重要價值，它為湍流火焰結(jié)構(gòu)、湍流火焰速度研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如在湍流火焰面模型（flamelet model）中為G 方程提供速度參數(shù)［9］）.

以天然氣（主要成分為CH4）為代表的清潔燃料正越來越多地應(yīng)用于工業(yè)加熱、大型鍋爐、燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機等領(lǐng)域中.因此，關(guān)于甲烷燃料基礎(chǔ)燃燒特性，包括層流燃燒速度、火焰穩(wěn)定性等引起廣泛關(guān)注［10－12］.Selle 等［13］利 用 實 驗 和2 維 直 接 模 擬（DNS）方法對甲烷－空氣層流燃燒速度進(jìn)行測定和研 究.Huang 等［14］用 定 容 彈 法（constant－volume bomb），在常溫和常壓條件下對天然氣－氫氣－空氣混合氣體層流燃燒特性進(jìn)行研究，并給出混合氣體層流燃燒速度擬合公式.此外，Starik等［15］還研究了單態(tài)氧對甲烷－空氣層流火焰燃燒反應(yīng)速度.然而，對稀釋燃燒條件下甲烷燃燒熱化學(xué)特性研究較少，缺少關(guān)于不同稀釋氣體導(dǎo)致甲烷－空氣層流預(yù)混火焰燃燒反應(yīng)路徑、中間產(chǎn)物差異性分析.因此，開展對甲烷－空氣在稀釋條件下層流預(yù)混火焰燃燒特性研究不僅具有重要的理論價值，而且對于燃燒室和燒嘴設(shè)計具有重要的實際意義.

本文利用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理對甲烷－空氣－稀釋氣層流預(yù)混火焰燃燒特性進(jìn)行研究.改變稀釋氣體種類、化學(xué)當(dāng)量比、稀釋比和初始壓力等條件，對層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性進(jìn)行分析和比較，結(jié)合前人相同或相近實驗條件下的實驗結(jié)果對本文計算結(jié)果進(jìn)行驗證.

1 計算模型

本文采用美國Sandia國家實驗室提供的預(yù)混燃燒模型（PREMIX Code）［16］對絕熱穩(wěn)態(tài)平面預(yù)混火焰燃燒特性進(jìn)行研究.PREMIX Code可以對系統(tǒng)質(zhì)量守恒、能量守恒以及組分守恒方程聯(lián)立求解，能夠模擬具有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的層流火焰.計算過程中，未燃混合氣流量保持0.04g·（cm2·s）－1.對流項采用迎風(fēng)差分格式，采用混合物平均方法計算擴散系數(shù).計算過程中使用自適應(yīng)網(wǎng)格，求解方程采用阻尼牛頓法，迭代過程的相對和絕對誤差均不超過10－6.為了減小計算邊界對混合區(qū)的影響，要求計算區(qū)域足夠長.經(jīng)驗證，在本文中，計算區(qū)域取0 ～2.0cm，滿足計算要求.

在燃燒化學(xué)反應(yīng)模擬中，燃燒反應(yīng)機理的選擇對于燃燒特性及火焰結(jié)構(gòu)預(yù)測具有重要影響.目前，國際上關(guān)于甲烷燃燒詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理較多，比較著名的有GRI－Mech 3.0［17］（考慮了53種組分，325步基元反應(yīng)），San Diego Mechanism［18］（考慮了46種組分，235步基元反應(yīng)）以及USC Mech 2.0［19］（考慮了111種組分，784步基元反應(yīng)）.

為了驗證上述3 種機理對于計算甲烷－空氣層流燃燒特性的適應(yīng)性，本文首先計算了不同化學(xué)當(dāng)量比下甲烷－空氣預(yù)混層流燃燒速度SL.其中，化學(xué)當(dāng)量比是控制燃燒的一個重要物理參數(shù)，化學(xué)當(dāng)量比定 義 為φ＝（A／F）stoic／（A／F）＝（F／A）／（F／A）stoic.式中，A表示氧化劑質(zhì)量，F(xiàn)表示燃料質(zhì)量，下標(biāo)stoic表示化學(xué)當(dāng)量.圖1給出了3種機理對應(yīng)的甲烷－空氣層流火焰燃燒速度SL計算值，并與Gu等［11－12，20］實驗結(jié)果進(jìn)行對比.由圖1可知，隨著化學(xué)當(dāng)量比φ的增大，甲烷－空氣層流燃燒速度SL先增大而后變小，在化學(xué)當(dāng)量比φ＝1.0附近達(dá)到最大值.可以看出，利用這3種機理計算得到的甲烷－空氣層流火焰燃燒速度和實驗結(jié)果吻合得非常好，特別是在φ＜1.25時，計算值與實驗值整體偏差在10%以內(nèi).然而，在φ＞1.25時，預(yù)測值略低于實驗值.分析認(rèn)為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有2方面，一方面可能是由于實驗測試手段誤差造成的，另一方面可能是由于在濃燃料燃燒條件下，上述3種反應(yīng)機理未包括燃燒過程中所出現(xiàn)的復(fù)雜反應(yīng)及中間產(chǎn)物.綜合考慮3種機理預(yù)測精度及計算復(fù)雜程度，本文采用GRI－Mech 3.0機理對甲烷－空氣層流預(yù)混火焰進(jìn)行研究，各研究工況為：初始溫度Tu＝298 K；化學(xué)當(dāng)量比φ＝0.5～1.5；壓力P＝0.05～0.40 MPa；稀釋氣體種類為N2，CO2，H2O；稀釋比X＝0～0.5.其中，稀釋比X定義為稀釋氣體摩爾數(shù)與混合氣體總摩爾數(shù)的比值.

圖1 不同當(dāng)量比下層流火焰燃燒速度計算值和實驗值比較Fig.1 Comparison between predicted and measured burning velocities according to equivalence ratio for freely propagating premixed flames

2 結(jié)果與討論

2.1 層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)分析

為了研究不同稀釋氣體對層流預(yù)混火焰燃燒速度的影響，首先需要對層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.在φ＝1.0 時，4 種典型預(yù)混火焰（分別為無稀釋，XN2＝0.15，XH2O＝0.15及XCO2＝0.15）燃燒反應(yīng)物（CH4和O2）、主要燃燒產(chǎn)物（CO，CO2和H2O）、自由基（H，O，OH 和CH3）摩爾分?jǐn)?shù)分布情況及CH4反應(yīng)速率如圖2所示.

通過對CH4生成或消耗反應(yīng)速率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響CH4生成或消耗速率主要反應(yīng)如下：

其中，反應(yīng)式右側(cè)標(biāo)號為該反應(yīng)在GRI－Mech 3.0中的序號.可見，OH，H，O 及CH3基團(tuán)對于CH4燃燒反應(yīng)非常重要.通過對4種CH4燃燒火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，可知稀釋氣體的加入使得燃燒反應(yīng)物濃度下降，OH，O，H 及CH3基團(tuán)濃度也不同程度地降低，這在一定程度上抑制了鏈傳播和鏈引發(fā)反應(yīng)，最終造成CH4燃燒反應(yīng)速率變慢.

值得注意的是，一些稀釋氣體其實并非完全惰性.如在CO2稀釋情況下，CO2的加入可以影響CO氧化反應(yīng)，即.當(dāng)CO2濃度較高時，逆反應(yīng)速率將提高，CO2將被還原為CO.如圖2 所示，在采用CO2稀釋時，燃燒產(chǎn)生的CO 濃度高于其他稀釋燃燒工況.此外，稀釋氣體的加入使得火焰鋒面偏移至火焰下游，在CO2作為稀釋劑時影響最為明顯.由此推斷，稀釋氣體的參與使得燃燒反應(yīng)物濃度降低以及非反應(yīng)氣體比熱容增加，最終導(dǎo)致燃燒溫度的降低.故而，火焰中碳?xì)浠鶊F(tuán)（如CH3等）的燃燒反應(yīng)向溫度更高的下游位置移動.通過對不同稀釋劑燃燒條件下絕熱火焰溫度比較發(fā)現(xiàn)，CO2稀釋對燃燒溫度的降低最為明顯，因此在CO2稀釋下火焰鋒面偏移最為顯著，H2O 作為稀釋氣次之.可見，稀釋氣體的加入降低了可燃物及重要基團(tuán)濃度以及燃燒溫度，同時導(dǎo)致火焰鋒面位置產(chǎn)生偏移，這些因素最終對層流火焰燃燒特性及燃燒速度產(chǎn)生影響.

2.2 層流燃燒速度

圖3給出了甲烷－空氣－稀釋氣體層流燃燒速度計算值，并與Tahtouh等［21］在N2稀釋條件下測得的實驗值進(jìn)行對比.無論是N2，CO2還是H2O作為稀釋劑時，當(dāng)稀釋氣體成分增大時，層流火焰燃燒速度均逐漸變小.可以推斷，稀釋氣體的加入降低了反應(yīng)物濃度，使得燃燒溫度變低，從而導(dǎo)致燃燒反應(yīng)速率降低；在相同的稀釋比下，CO2稀釋條件下層流燃燒速度小于H2O 和N2稀釋時的層流燃燒速度.

圖3 不同稀釋氣體對層流燃燒速度的影響（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）Fig.3 Comparison of laminar burning velocities as a function of dilution ratio according to the addition of diluents（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）

圖4所示為在初始溫度Tu＝298K，甲烷－空氣預(yù)混氣體在不同壓力、不同化學(xué)當(dāng)量比下層流燃燒速度變化情況，計算值與Hassan等［22］實驗數(shù)據(jù)吻合.計算結(jié)果表明，當(dāng)壓力升高時，層流火焰燃燒速度呈現(xiàn)下降趨勢.分析認(rèn)為，由于擴散系數(shù)與壓力近似成反比，隨著壓力的升高，氣體運動黏度逐漸變大，燃料從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴散作用減弱，因此，壓力提高將導(dǎo)致火焰燃燒速度的降低.

圖4 不同壓力下甲烷－空氣層流預(yù)混火焰燃燒速度變化情況（Tu＝298K）Fig.4 Laminar burning velocity of methane／air flame as a function of equivalence ratio at various pressures（Tu＝298K）

2.3 火焰流動穩(wěn)定性及層流預(yù)混火焰厚度

通常，預(yù)混火焰中存在2 種固有火焰不穩(wěn)定性因素，即熱擴散不穩(wěn)定性和流動不穩(wěn)定性［11］.熱擴散不穩(wěn)定性主要源于反應(yīng)物各組分?jǐn)U散性質(zhì)不同，通常利用劉易斯數(shù)進(jìn)行表征；而流動不穩(wěn)定性則主要源于火焰鋒面的膨脹.本文主要探討稀釋氣體加入對層流預(yù)混火焰流動不穩(wěn)定性的影響.流動不穩(wěn)定性通常用熱膨脹比和火焰厚度來表征［23］.熱膨脹增大會增加流動不穩(wěn)定性，而火焰厚度增大則有利于抑制流動不穩(wěn)定性.

熱膨脹比定義為火焰前鋒面兩側(cè)未燃?xì)怏w與已燃?xì)怏w（反應(yīng)物與生成物）密度比.圖5為在Tu＝298K，P＝0.1MPa條件下，不同稀釋氣體在不同φ下熱膨脹比變化情況.可以看出，隨著稀釋比的增加，熱膨脹比逐漸變小，即火焰前鋒面兩側(cè)的密度比減小，因此，甲烷－空氣－稀釋氣火焰鋒面的流動不穩(wěn)定性得到抑制.從圖5中還可以看到，熱膨脹比隨著稀釋比變化斜率在研究范圍內(nèi)基本保持不變，當(dāng)φ＞0.8時，化學(xué)當(dāng)量比對熱膨脹比影響較小.計算結(jié)果表明，在本文研究范圍內(nèi)，3種稀釋氣體對熱膨脹率的影響并無顯著差異.

根據(jù)Poinsot等［24］推薦，較為準(zhǔn)確的層流火焰厚度δL定義為

式中：Tad表示絕熱火焰溫度；Tu表示未燃?xì)怏w溫度；T表示溫度；x表示軸向距離.

圖5 不同稀釋比下熱膨脹比（Tu＝298K，P＝0.1MPa）Fig.5 Thermal expansion ratio versus dilution ratio（Tu＝298K，P＝0.1MPa）

圖6 所 示 為 在 初 始 溫 度Tu＝298 K，P＝0.1 MPa，φ＝1.0條件下，火焰厚度隨稀釋比的變化情況.由圖可知，隨著稀釋比的增加，火焰厚度逐漸變大，這也意味著流動不穩(wěn)定性得到抑制.當(dāng)稀釋氣體為CO2時，火焰厚度變化最為顯著.

圖6 不同稀釋比下火焰厚度變化情況（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）Fig.6 Flame thickness versus dilution ratio for different diluents（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）

圖7所示為在初始溫度Tu＝298K，甲烷－空氣層流火焰厚度隨初始壓力P的變化情況.可以看到，隨著初始壓力P的變大，火焰厚度逐漸變小，在φ＝1.0附近達(dá)到最小值.然而，在相同當(dāng)量比下，進(jìn)一步提高初始壓力（P＞0.2 MPa），火焰厚度隨初始壓力升高變化不大.分析認(rèn)為，壓力對火焰燃燒溫度影響并不明顯，在不同壓力下火焰絕熱燃燒溫度變化較小.根據(jù)式（1）可知，此時火焰厚度主要取決于火焰溫度分布，即值的大小.故而，進(jìn)一步升高初始壓力對火焰厚度影響并不明顯.

圖7 不同化學(xué)當(dāng)量比下火焰厚度隨初始壓力的變化情況Fig.7 Flame thickness versus equivalence ratio for different initial pressures

3 結(jié)論

本文利用PREMIX Code結(jié)合GRI－Mech 3.0詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理對不同稀釋氣體下甲烷－空氣層流預(yù)混火焰特性進(jìn)行研究.研究結(jié)果表明，甲烷－空氣混合氣層流燃燒速度與稀釋氣體種類、稀釋比、化學(xué)當(dāng)量比及壓力等參數(shù)密切相關(guān).主要結(jié)論如下：

（1）隨著化學(xué)當(dāng)量比的增大，甲烷－空氣層流燃燒速度先增大而后變小，在當(dāng)量比φ＝1.0附近達(dá)到最大值.

（2）稀釋氣體的添加降低了反應(yīng)物濃度，導(dǎo)致火焰溫度下降，因此混合氣層流燃燒速度隨稀釋比的增加而減小.

（3）當(dāng)混合氣初始壓力升高時，層流燃燒速度及火焰厚度均降低，然而進(jìn)一步提高初始壓力，壓力增大對火焰厚度的影響并不明顯.

（4）隨著稀釋比的增加，火焰厚度逐漸增加，而熱膨脹比隨著稀釋比的增加而降低，火焰流動不穩(wěn)定性得到抑制.

（5）CO2作為稀釋氣對甲烷－空氣層流預(yù)混火焰燃燒速度及火焰厚度影響最大，N2作為稀釋氣影響最小，H2O 作為稀釋氣的影響介于兩者之間.

［1］ Soytas U，Sari R.Energy consumption，economic growth，and carbon emissions：Challenges faced by an EU candidate member［J］.Ecological Economics，2009，68（6）：1667.

［2］ Cho G，Moon G，Jeong D，et al.Effects of internal exhaust gas recirculation on controlled auto－ignition in a methane engine combustion［J］.Fuel，2009，88（6）：1042.

［3］ Abd－Alla G H，Soliman H A，Badr O A，et al.Effects of diluent admissions and intake air temperature in exhaust gas recirculation on the emissions of an indirect injection dual fuel engine［J］.Energy Conversion and Management，2001，42（8）：1033.

［4］ Cui Y，Lü X，Xu G，et al.Dynamic analysis of a flameless combustion model combustor［J］.Science China Technological Sciences，2010，53（8）：2291.

［5］ Ibrahim A，Bari S.A comparison between EGR and lean－burn strategies employed in a natural gas SI engine using a two－zone combustion model［J］.Energy Conversion and Management，2009，50（12）：3129.

［6］ Katsuki M，Hasegawa T.The science and technology of combustion in highly preheated air ［J］.Symposium（International）on Combustion，1998，27（2）：3135.

［7］ Howell J R，Hall M J，Ellzey J L.Combustion of hydrocarbon fuels with porous inert media［J］.Progress in Energy and Combustion Science，1996，22（2）：121.

［8］ Hernandez J J，Lapuerta M，Serrano C，et al.Estimation of the laminar flame speed of producer gas from biomass gasification［J］.Energy ＆Fuels，2005，19（5）：2172.

［9］ Van Oijen J A，Groot G R A，Bastiaans R J M，et al.A flamelet analysis of the burning velocity of premixed turbulent expanding flames ［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（1）：657.

［10］ YU G，Law C K，WU C K.Laminar flame speeds of hydrocarbon＋air mixtures with hydrogen addition［J］.Combustion and Flame，1986，63（3）：339.

［11］ Gu X J，Haq M Z，Lawes M，et al.Laminar burning velocity and Markstein lengths of methane－air mixtures ［J］.Combustion and Flame，2000，121（1／2）：41.

［12］ Law C.A Compilation of experimental data on laminar burning velocities［C］∥Reduced Kinetic Mechanisms for Applications in Combustion Systems.Heidelberg：Springer Berlin，1993：15－26.

［13］ Selle L，Poinsot T，F(xiàn)erret B.Experimental and numerical study of the accuracy of flame－speed measurements for methane／air combustion in a slot burner［J］.Combustion and Flame，2011，158（1）：146.

［14］ Huang Z，Zhang Y，Zeng K，et al.Measurements of laminar burning velocities for natural gas－h(huán)ydrogen－air mixtures［J］.Combustion and Flame，2006，146（112）：302.

［15］ Starik A M，Kozlov V E，Titova NS.On the influence of singlet oxygen molecules on the speed of flame propagation in methane－air mixture［J］.Combustion and Flame，2010，157（2）：313.

［16］ Kee R J，Rupley F M，Miller J A，et al.CHEMKIN Release 4.0［R］.San Diego：Reaction Design，2004.

［17］ Smith G P，Golden D M，F(xiàn)renklach M，et al.GRI－Mech 3.0［EB／OL］.［2010－10－02］.http：∥www.me.berkeley.edu／gri＿mech／.

［18］ Williams F A.The san diego mechanism［EB／OL］.［2010－10－02］.http：∥maeweb.ucsd.edu／combustion／cermech／index.html.

［19］ WANG Hai，YOU Xiaoqing，Joshi A，et al.USC mech versionⅡ［EB／OL］.［2010－10－02］.http：∥ignis.usc.edu／Mechanisms／USC－Mech%20II／USC＿M(jìn)ech%20II.htm.

［20］ Egolfopoulos F N，Cho P，Law C K.Laminar flame speeds of methane－air mixtures under reduced and elevated pressures［J］.Combustion and Flame，1989，76（34）：375.

［21］ Tahtouh T，Halter F，Samson E，et al.Effects of hydrogen addition and nitrogen dilution on the laminar flame characteristics of premixed methane－air flames ［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（19）：8329.

［22］ Hassan M I，Aung K T，F(xiàn)aeth G M.Measured and predicted properties of laminar premixed methane／air flames at various pressures［J］.Combustion and Flame，1998，115（4）：539.

［23］ Zheng J J，Zhang Z Y，Huang Z H，et al.Numerical study on combustion of diluted methanol－air premixed mixtures［J］.Chinese Science Bulletin，2010，55（9）：882.

［24］ Poinsot T，Veynante D.Theoretical and numerical combustion［M］.［S.l.］：Edwards Inc，2005.