CO2稀釋對不同燃料無焰燃燒及NO生成特性的影響

田 紅， 劉正偉， 王飛飛， 胡章茂

(1. 長沙理工大學 能源與動力工程學院， 長沙 410114；2. 北京大學 湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室， 北京 100871；3. 華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院， 武漢 430074)

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CO2稀釋對不同燃料無焰燃燒及NO生成特性的影響

田 紅1,2， 劉正偉1， 王飛飛3， 胡章茂1

(1. 長沙理工大學 能源與動力工程學院， 長沙 410114；2. 北京大學 湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室， 北京 100871；3. 華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院， 武漢 430074)

為探討CO2稀釋對不同燃料無焰燃燒機理的影響，通過實驗和數(shù)值模擬研究了CO2稀釋率對CH4、C3H8和H2擴散燃燒的火焰溫度、NO排放摩爾分數(shù)及無焰燃燒的影響.結(jié)果表明：隨著CO2稀釋率的增大，峰值溫度和NO排放摩爾分數(shù)逐漸下降，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離逐漸增大，爐內(nèi)溫度分布更加均勻，更有利于達到無焰燃燒狀態(tài)；相同稀釋率下，CO2稀釋對降低爐內(nèi)峰值溫度及出口NO排放摩爾分數(shù)的效果由好到壞依次為：H2燃燒、CH4燃燒、C3H8燃燒；當CO2稀釋率足夠大時，爐內(nèi)燃燒處于無焰燃燒狀態(tài).

CO2稀釋率； 峰值溫度； NO排放； 無焰燃燒

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量消耗帶來NOx和CO2等有害氣體和污染物的大量排放，嚴重污染和破壞生態(tài)環(huán)境，節(jié)能減排迫在眉睫.被國際燃燒界譽為本世紀最具前途的燃燒技術(shù)之一的無焰燃燒技術(shù)不僅具有均勻且較低的燃燒溫度，可提高熱效率30%以上，而且可減少70%以上NOx排放量和30%以上CO2排放量[1-2].在氣體燃料側(cè)添加稀釋劑可增大燃料射流出口速度，是形成無焰燃燒的有效途徑之一[3-4].Park等[5]的研究表明，在合成氣擴散火焰中添加N2、H2O以及CO2作為稀釋劑時，CO2對NO生成的抑制效果優(yōu)于H2O，而H2O對NO生成的抑制效果又優(yōu)于N2.陳雷等[6]的研究表明，在CH4、CO和H2中添加CO2作為稀釋劑燃燒時，可有效抑制NO的生成，但溫度下降較大.目前，在甲烷混氫等新型及多元燃料體系中添加CO2作為稀釋劑燃燒的燃燒特性研究成為了近幾年的新增熱點[7-12].曹甄俊等[13-14]和Burbano等[15]的研究表明，隨著CO2稀釋率的增大，爐內(nèi)峰值溫度降低，燃燒反應(yīng)高溫區(qū)變窄，NOx的排放指數(shù)EI呈單調(diào)下降趨勢.張悅等[16]對CH4與空氣同向?qū)恿鲾U散火焰的研究表明，在燃料側(cè)添加CO2可以降低NO的排放量.國內(nèi)外學者的研究表明：在燃料側(cè)添加CO2作為稀釋劑對不同燃料燃燒過程中的燃燒火焰溫度、NO生成量及達到無焰燃燒的條件具有不同的影響.目前，有關(guān)甲烷混氫等新型及多元燃料中添加CO2稀釋劑對無焰燃燒特性影響的報道很少.因此，有必要以典型燃料CH4、C3H8和H2為研究對象，考察CO2稀釋率對其擴散燃燒火焰溫度、NO生成量及無焰燃燒的影響，以期為無焰燃燒的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

筆者通過實驗和模擬相結(jié)合的方法研究CO2稀釋率對CH4、C3H8、H2擴散燃燒的火焰溫度、NO生成量及無焰燃燒的影響.通過實驗測試了實驗爐火焰燃燒溫度，分析了出口煙氣成分；通過數(shù)值模擬得到了不同CO2稀釋率下CH4、C3H8、H2擴散燃燒的火焰溫度及NO生成量，分析了火焰溫度分布和NO生成特性的變化規(guī)律，探討了CO2稀釋率對無焰燃燒的影響.

1 實驗方法

為了對CO2稀釋燃燒進行機理性研究，搭建了燃氣無焰燃燒實驗臺，測量系統(tǒng)示意圖見圖1.實驗臺由爐體、鼓風機、燃氣供給系統(tǒng)、配風系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)及測量系統(tǒng)組成.爐體用耐火材料、冷卻水管和外包鐵皮構(gòu)成.爐子有防爆裝置，預(yù)留燃燒產(chǎn)物成分抽取孔、溫度測試孔和觀火孔.爐膛直徑為170 mm、長為1 050 mm，溫度測試點位于爐膽中心線上，離燃燒器噴嘴距離分別為300 mm、480 mm、660 mm和840 mm，用鉑銠熱電偶探入每個測溫孔以測量爐內(nèi)溫度，產(chǎn)品型號為WRP-430，測量范圍為0～1 600 ℃，分度號S，剛玉外殼.燃燒器可實現(xiàn)常溫空氣和燃氣按照擴散燃燒的方式燃燒，燃燒器的各個噴嘴均為內(nèi)徑6 mm的不銹鋼管，燃料噴嘴居中，空氣噴嘴位于燃料噴嘴兩側(cè)，各噴嘴之間間距為28 mm，燃料噴嘴長為300 mm，空氣噴嘴長為60 mm，燃燒器設(shè)計圖見圖2，爐體與燃燒器模型示意圖見圖3.

此外，出口排煙系統(tǒng)中煙氣成分測試儀器使用英國KANE KM9106便攜式綜合煙氣分析儀，其摩爾分數(shù)的測試精度分別為：SO2為0～5 000×10-6mol/mol，CO為0～1 000×10-6mol/mol，NO為0～5 000×10-6mol/mol，NO2為0～1 000×10-6mol/mol，O2為0～25%.

圖1 燃氣無焰燃燒實驗臺測量系統(tǒng)示意圖

圖2 燃燒器設(shè)計圖

將常溫空氣和燃料按照擴散燃燒的方式分別從燃燒器送入爐膛，CO2作為稀釋劑添加在燃料中，空氣孔個數(shù)為2，實驗功率為8 kW，空氣過剩系數(shù)為0.8.燃料種類及性質(zhì)見表1，各燃料入口工況條件見表2.

圖3 爐體與燃燒器模型示意圖

燃料種類密度/(kg·m-3)完全燃燒耗氧摩爾分數(shù)/(mol·mol-1)理論空氣量/(m3·kg-1)熱值/(kJ·m-3)CH40.71742.09.5235906C3H82.01025.023.8064397H20.08990.52.3810794

表2 入口工況條件

2 數(shù)值模擬方法

為了研究CO2稀釋對無焰燃燒的影響規(guī)律，建立與實驗相對應(yīng)的模型，對實驗?zāi)Ｐ瓦M行簡化，用ICEM軟件設(shè)計無焰燃燒爐幾何模型并劃分網(wǎng)格.在燃料與空氣噴嘴處進行O型網(wǎng)格劃分并進行加密處理，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)在0.6以上.為證明網(wǎng)格無關(guān)性，對網(wǎng)格數(shù)量約為40萬、65萬和90萬的模型進行了試算，最終采用65萬的網(wǎng)格數(shù)進行計算域的網(wǎng)格劃分，幾何模型見圖4，網(wǎng)格劃分見圖5.

圖4 幾何模型

采用Fluent 6.3.26進行模擬，采用壓力基求解器，湍流模型方程采用標準的k-ε模型，并激活能量方程和P-1輻射模型，燃燒模型采用通用有限速率模型，組分方程采用渦耗散(EBU)模型，污染物模型采用NOx模型.采用Simple算法對壓力和速度進行耦合，用一階迎風差分法來離散守恒方程中的對流項.

圖5 模型網(wǎng)格劃分

應(yīng)用通用有限速率模型求解化學物質(zhì)的守恒方程時，通過第i種物質(zhì)的對流擴散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，守恒方程采用的通用形式如下：

(1)

式中：Ri為化學反應(yīng)的凈產(chǎn)生率；Si為離散相及用戶定義的源相導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率.

對于渦耗散模型，反應(yīng)r中物質(zhì)i的產(chǎn)生速率Ri，r由下面2個表達式中較小的一個給出：

(2)

(3)

化學反應(yīng)速率由大尺度渦混合時間尺度k/ε控制，只要湍流出現(xiàn)(k/ε>0)，燃燒即可進行.

在邊界條件設(shè)置中，將燃料入口和空氣入口邊界條件設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet)，壁面邊界條件設(shè)置為絕熱壁面.

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗與模擬結(jié)果的對比分析

采用實驗和數(shù)值模擬的方法研究了CH4、C3H8、H23種燃料在不同稀釋率下的燃燒過程，2種CO2稀釋率下不同燃料燃燒時爐溫沿實驗爐軸向方向的變化如圖6～圖8所示，實驗測得的各觀測點峰值溫度、平均溫度及出口NO排放摩爾分數(shù)見表4.

表3 各燃料簡化反應(yīng)機理1)

注：1)k=ATβexp(-E/RT)，表中A為指前因子，β為溫度指數(shù)，E為活化能，k為反應(yīng)速率常數(shù)，R為通用氣體常數(shù)，R=8 315 J/(kg·mol).

表4 實驗測得的溫度及NO排放摩爾分數(shù)

從圖6～圖8可以看出，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢基本一致，當燃氣被CO2稀釋后，爐內(nèi)離燃燒器出口較近處的峰值溫度降低.從表4可以看出，當燃氣被CO2稀釋后，CH4燃燒時爐內(nèi)峰值溫度降低30 K，平均溫度升高23.75 K，出口NO排放摩爾分數(shù)為不稀釋時的36%；C3H8燃燒時爐內(nèi)峰值溫度降低81 K，平均溫度降低45.25 K，出口NO排放摩爾分數(shù)為不稀釋時的38%；H2燃燒時爐內(nèi)峰值溫度降低93 K，平均溫度降低35.75 K，出口NO排放摩爾分數(shù)為不稀釋時的23%.

由于通入CO2使得爐內(nèi)燃料的濃度減小，從而降低了燃燒反應(yīng)速率，導(dǎo)致燃燒溫度降低，從而生成的熱力型NOx也相應(yīng)減少，最終NO生成總量減少.此外，CO2作為稀釋氣體加入燃燒反應(yīng)，其稀釋效應(yīng)會使燃燒中的O原子、H原子、OH自由基的物質(zhì)的量濃度也相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致CH3、CH2、CH自由基的物質(zhì)的量濃度降低，進而使得N原子的生成受到抑制，最終使快速型NO的生成量減少，這也在一定程度上降低了NO的生成量.

(a) 稀釋率D=0

(b) 稀釋率D=0.07

3.2 不同燃料燃燒的對比分析

根據(jù)上述分析可知，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的變化趨勢基本一致，可認為模擬結(jié)果是準確的.分別使用CH4、C3H8和H2為燃料，進行了4組不同稀釋率下的數(shù)值模擬，4組CO2稀釋率下不同燃料燃燒時峰值溫度、峰值溫度位置及出口NO排放摩爾分數(shù)的變化見圖9～圖11，垂直z軸橫截面的溫度云圖見圖12～圖14.

由圖9可以看出，使用CH4為燃料燃燒，當稀釋率由0增大到0.2時，峰值溫度升高(見表5)，隨著稀釋率繼續(xù)增大，峰值溫度逐漸降低；分別使用C3H8和H2為燃料燃燒時，峰值溫度隨稀釋率增大而逐漸降低.這是因為隨著稀釋率的增大，燃燒反應(yīng)物的濃度降低，從而降低了燃燒反應(yīng)速率，導(dǎo)致燃燒溫度降低.

(a) 稀釋率D=0

(b) 稀釋率D=0.59

(a) 稀釋率D=0

(b) 稀釋率D=0.12

圖9 3種燃料燃燒時峰值溫度隨D的變化Fig.9 Variation of peak temperature with D in combustion of 3 fuels

圖10 3種燃料燃燒時峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離L隨D的變化

圖11 3種燃料燃燒時出口NO排放摩爾分數(shù)隨D的變化

Fig.11 Variation of outlet mole fraction of NO emission withDin combustion of 3 fuels

圖12 不同CO2稀釋率下CH4燃燒時垂直z軸橫截面的溫度云圖

Fig.12 Temperature contour in the cross section perpendicular tozaxis in CH4combustion for different CO2dilution rates

圖13 不同CO2稀釋率下C3H8燃燒時垂直z軸橫截面的溫度云圖

Fig.13 Temperature contour in the cross section perpendicular tozaxis in C3H8combustion for different CO2dilution rates

圖14 不同CO2稀釋率下H2燃燒時垂直z軸橫截面的溫度云圖

Fig.14 Temperature contour in the cross section perpendicular tozaxis in H2combustion for different CO2dilution rates

表5 使用CH4為燃料燃燒時不同稀釋率下的峰值溫度

由圖10可以看出，分別使用CH4和C3H8為燃料燃燒時，隨著稀釋率的增大，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離逐漸增大；使用H2為燃料燃燒，當稀釋率小于0.4時，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離逐漸增大，當稀釋率為0.4時，峰值溫度距燃燒器噴嘴距離最大，當稀釋率大于0.4時，隨稀釋率的增大，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離逐漸減小(見表6).這是因為隨著稀釋率的增大，燃燒反應(yīng)物的濃度降低，非反應(yīng)氣體的比熱容增大，因而火焰中碳氫基團的燃燒反應(yīng)向溫度更高的下游位置移動.

表6 使用H2為燃料燃燒時不同稀釋率下的峰值溫度位置

Tab.6 Peak temperature positions in H2combustion for different CO2dilution rates

稀釋率40506070峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離L/mm214204194184

由圖11可以看出，隨著稀釋率的增大，分別使用CH4、C3H8和H2為燃料燃燒時，生成的NO減少，其中H2燃燒時出口NO排放摩爾分數(shù)的下降趨勢最大.這是因為隨著稀釋率的增大，燃燒反應(yīng)物的濃度降低，從而降低了燃燒反應(yīng)速率，導(dǎo)致燃燒溫度降低，生成的熱力型NOx也相應(yīng)減少，最終使得NO的生成總量減少.

當爐內(nèi)沒有明顯火焰鋒面且最高溫度低于1 720 K、煙氣中NO排放摩爾分數(shù)小于20×10-6mol/mol時，可以認為實現(xiàn)了無焰燃燒[17].從圖12～圖14可以看出，峰值溫度位置不是出現(xiàn)在爐膛的中心軸線上，隨著稀釋率的增大，爐內(nèi)溫度分布更加均勻.此外，分別使用CH4和H2為燃料燃燒，當稀釋率達到0.4時，峰值溫度低于1 720 K，出口NO排放摩爾分數(shù)小于20×10-6mol/mol，溫度分布均勻，爐內(nèi)溫差小，增大稀釋率后溫度場變化不大，達到無焰燃燒狀態(tài)；使用C3H8為燃料燃燒時，峰值溫度均低于1 720 K，增大稀釋率后溫度場變化不大，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離逐漸增大，實驗爐內(nèi)的峰值溫度、平均溫度和出口NO排放摩爾分數(shù)均隨稀釋率的增大呈下降趨勢，當稀釋率達到0.6時，出口NO排放摩爾分數(shù)小于20×10-6mol/mol，爐內(nèi)沒有明顯局部高溫區(qū)域，溫度均勻性較好，達到無焰燃燒狀態(tài).通過以上模擬結(jié)果可知，CH4經(jīng)稀釋后峰值溫度降低170 K，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離增大70 mm，出口NO排放摩爾分數(shù)為不稀釋時的2.17%；C3H8經(jīng)稀釋后峰值溫度降低65 K，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離增大40 mm，出口NO排放摩爾分數(shù)為不稀釋時的15.50%；H2經(jīng)稀釋后峰值溫度降低545 K，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離增大75 mm，出口NO排放摩爾分數(shù)為不稀釋時的0.006%.這是因為H2的相對分子質(zhì)量最小，完全燃燒時耗氧量最小，所以在相同稀釋率下，H2的稀釋效果最為明顯，CH4次之，最后為C3H8.

4 結(jié) 論

(1) 隨著CO2稀釋率逐漸增大，爐內(nèi)峰值溫度逐漸降低，峰值溫度距燃燒器噴嘴的距離也逐漸增大，溫度分布變得更加均勻，出口NO排放摩爾分數(shù)逐漸下降.

(2) 當CO2稀釋率足夠大時，只要燃料射流出口速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋箓鹘y(tǒng)燃燒無法形成，同時爐內(nèi)擾動達到一定程度，整個爐膛的燃燒就會處于比較均衡的狀態(tài)，這時爐內(nèi)燃燒就達到了無焰燃燒狀態(tài).

(3) 在相同CO2稀釋率下，CO2稀釋對降低爐內(nèi)峰值溫度及出口NO排放摩爾分數(shù)的效果由好到壞依次為：H2燃燒、CH4燃燒、C3H8燃燒.

致謝:本文部分工作在北京大學湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室完成，感謝米建春教授對論文思路和論證的指導(dǎo).

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Effects of CO2Dilution on Flameless Combustion and NO Generation of Different Fuels

TIAN Hong1,2, LIU Zhengwei1, WANG Feifei3, HU Zhangmao1

(1.School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2. State Key Laboratory for Turbulence & Complex Systems, Peking University, Beijing 100871, China; 3. School of Environment Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

To study the impact of CO2dilution on flameless combustion mechanism of different fuels, the effects of CO2dilution rate on the flameless combustion, NO generation and diffusion flame temperature of following fuels were investigated experimentally and numerically, such as the fuels CH4, C3H8and H2, etc. Results show that, as the CO2dilution rate increases, the peak temperature and NO emission decrease, while the distance between the peak temperature point and the burner nozzle increases gradually, and the temperature distribution in the furnace becomes more homogeneous, which makes it more conducive to reach flameless combustion state. For the same dilution rate, the effect of CO2dilution on the decreasing of peak temperature and NO emission of different fuels from strong to weak is as follows: H2>CH4>C3H8. The combustion in furnace would be in a flameless state as long as the dilution rate of CO2is high enough.

CO2dilution rate; peak temperature; NO emission; flameless combustion

2016-06-24

2016-08-11

國家自然科學基金資助項目(51276023)； 湖南省自然科學基金資助項目(2015JJ4005)

田 紅(1977-)，女，土家族，湖南永順人，講師，博士，研究方向為生物質(zhì)/煤熱解、氣化與燃燒.電話(Tel．)：13873179780； E-mail：tianh1103@163.com.

1674-7607(2017)06-0440-07

TK224.1

A

470.10