基于化學反應網(wǎng)絡模型法的低排放燃燒室NOx模擬及預測

馬存祥，邢 力，徐華勝

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

低排放燃燒室研制中，為初步獲得燃燒室的污染排放特性，必須開展污染排放性能的預測。目前，污染排放預測有經(jīng)驗關系式法(零維)、化學反應網(wǎng)絡(CRN)模型法(一維)和數(shù)值仿真分析法(三維)三種方法。其中，經(jīng)驗關系式法非常簡單，不考慮流動和化學反應，僅適用于特定燃燒室，且需要該類型燃燒室的大量試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。數(shù)值仿真分析法接近實際情況，既考慮了流動，也考慮了化學反應。但其計算中需要大量的高質(zhì)量網(wǎng)格，對硬件資源要求較高，且在加載詳細化學反應機理進行計算時耗時更多，不利于在燃燒室初步設計中對NOx進行快速預測，而忽略詳細化學反應機理又會導致計算準確性不高。近年來國際上發(fā)展起來的CRN模型法，在采用詳細化學反應機理的同時還簡單考慮了流動特征參數(shù)(停留時間)，對污染排放預測的準確性大大提高，且在計算時間上遠少于數(shù)值仿真分析法[1-4]。

目前，國內(nèi)外學者利用CRN模型法對燃燒室污染排放性能進行了相關預測研究。劉富強等[5]針對一種燃油徑向分級多點噴射單頭部燃燒室方案建立了簡單的CRN模型，研究了值班級當量比、燃油分配比例和進口空氣溫度對NOx排放的影響。李朋玉[6]采用自編程序建立CRN模型，研究了燃油流量分配、進口溫度對一種貧油預混預蒸發(fā)(LPP)燃燒室NOx排放的影響。Nicol等[7]利用由一個均勻攪拌反應器(PSR)和一系列柱塞流反應器(PFR)串聯(lián)組成的基準化學反應器模型，研究了不同NOx生成機理(熱力型、氧化亞氮型和快速型)對貧油預混甲烷-空氣燃燒NOx生成的重要作用，尤其是氧化亞氮型機理在貧油預混燃燒中對NOx生成的重要性。Falcitelli等[8]依據(jù)由CFD計算出的燃燒室內(nèi)流場、溫度場的分布特性，構建了一個RNA(反應器網(wǎng)絡分析)模型來預測燃燒室出口NOx等污染物的排放。Russo等[1]針對一種微型燃氣輪機ARI100的單管燃燒室，采用CFD與網(wǎng)絡模型相結(jié)合的方法構建了CRN模型，并用該模型對燒天然氣和合成氣的NOx、CO排放進行了預測，與試驗測量結(jié)果相比，在大氣壓下燒天然氣時的誤差在8%以內(nèi)，但燒合成氣時與試驗有很大差異。

本文針對一種貧油預混預蒸發(fā)燃燒室[9]，根據(jù)CFD數(shù)值計算結(jié)果，利用CHEMKIN-PRO軟件建立了CRN模型，對該燃燒室不同進口壓力和溫度下的NOx排放進行了模擬，并對其在不同工況下的通用性進行了驗證，建立了適合該型低排放燃燒室的排放預測模型和預估關系式。

2 研究對象

研究對象為一種貧油預混預蒸發(fā)燃燒室(圖1)，采用中心分級的貧/富油直接噴射和貧油部分預混預蒸發(fā)(DIPME)的混合燃燒模式。即小狀態(tài)時預燃級(或值班級)采用富油直接噴射燃燒模式(擴散燃燒)；大狀態(tài)時預燃級采用貧油直接噴射燃燒模式，主燃級采用貧油(部分)預混預蒸發(fā)燃燒模式。

3 計算工況

文獻[9]研究了該型燃燒室進口溫度和壓力對污染排放的影響，其中試驗研究的工況有15個，包含3個不同的進口溫度(600、700、800 K)點、5個不同的進口壓力(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 MPa)點，同時保持各工況的油氣比、副油百分數(shù)、燃燒室壓降等參數(shù)不變。本文擬對15個工況中的9個工況(進口空氣壓力分別為 1.0、1.4、1.8 MPa，溫度分別為 600、700、800 K)進行CFD計算，根據(jù)計算得出的結(jié)果建立CRN模型預測NOx的排放，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，再以此CRN預測模型對另外6個工況進行模型預測精度驗證。

4 基于化學反應網(wǎng)絡模型的計算

4.1 CFD計算結(jié)果

采用商業(yè)軟件FLUENT對燃燒室的9個工況進行三維數(shù)值計算，保持油氣比、燃油分配比例不變。計算得到的各工況下的流場、溫度場非常相似。圖2所示為進口溫度600 K、壓力1.4 MPa時的噴嘴中心截面溫度場。

4.2 區(qū)域劃分處理方法

CRN模型計算燃燒室污染排放，是根據(jù)燃燒室內(nèi)流場(或溫度場、濃度場)分布特點對燃燒室進行區(qū)域劃分，每個小區(qū)域根據(jù)自身特點采用不同的反應器模塊進行模擬，然后將各個反應模塊根據(jù)流場特點連接起來，完成燃燒室性能計算。不同區(qū)域采用PSR還是PFR，一般由燃燒室內(nèi)不同區(qū)域的化學反應時間τchem及流動混合時間τflow決定，即用Da數(shù)來決定。

對于某一特定化學反應，若Da＜1，表明化學反應時間大于流動混合時間，化學反應起主導作用，流體混合(湍流流動)非常快，該區(qū)域可以用PSR來模擬；若Da＞1，則流體的化學反應速率非?？欤黧w混合起主導作用，該區(qū)域用PFR進行模擬[10]。對于沒有化學反應僅有流體混合的區(qū)域，可以用MIX(無化學反應，僅僅是流體間的混合)反應器進行模擬。

4.3 化學反應網(wǎng)絡構建

如圖3所示，將燃燒室按照溫度場分布特點，結(jié)合Da數(shù)劃分為不同區(qū)域。為更好地模擬預燃級擴散燃燒模式，將其按燃油貧富分為PSR1、PSR2、PSR3和PSR4不同的4個區(qū)域。PSR5代表了主燃級快速反應區(qū)(主火焰)，其中一少部分燃氣回流到頭部角渦區(qū)PSR10，且停留時間較長；剩下的大部分進入主燃區(qū)PSR7，可以看到主燃級預混燃料進入燃燒室后呈錐形向四周擴展，增大了主燃區(qū)的容積，利于燃料充分、均勻燃燒。同時，一部分從主燃孔進來的空氣也進入了主燃區(qū)PSR7。經(jīng)過主燃區(qū)后，一部分未燃盡的煙氣回流到中心回流區(qū)PSR6，在此經(jīng)過進一步反應后進入PSR2、PSR3區(qū)域用來點燃剛噴進燃燒室的燃料，保持燃料燃燒的穩(wěn)定性。PSR8用來模擬主燃孔和摻混孔之間溫度較主燃區(qū)低但混合更充分的貧油燃燒區(qū)域。PSR9用來模擬軸向上主燃孔之后、摻混孔之前的一個小渦區(qū)。因其溫度已達1 800 K以上，為更準確地計算排放數(shù)據(jù)，有必要單獨對其采用一個PSR。PFR1、PFR2分別用來模擬主燃孔之后和摻混孔之后到出口的區(qū)域。由于此區(qū)域進入了大量空氣，溫度已降低，基本不會產(chǎn)生污染物，而只令其在垂直軸向的方向上發(fā)生混合，這與燃燒室的湍流情況相吻合。最終，根據(jù)流場的溫度、速度、組分分布特點，采用PSR、PFR和MIX對燃燒室內(nèi)部不同區(qū)域構建CRN模型，如圖4所示。表1為各個PSR的容積，據(jù)此可估算出各個PSR的燃氣停留時間。

5 計算結(jié)果分析

5.1 試驗驗證

采用氣相和表面化學反應燃燒軟件CHEM?KIN-PRO，對DIPME燃燒室污染排放進行模擬計算，計算過程中使用航空煤油替代燃料C12H23及其骨架反應機理(16組分23步基元反應)。通過從FLUENT中提取各個反應區(qū)域的溫度、壓力、容積、停留時間等數(shù)據(jù)，采用基于詳細化學反應機理的CRN模型法，計算1.0、1.4、1.8 MPa時3個溫度(600、700、800 K)下的 NOx排放，并與試驗結(jié)果[9]進行對比。從圖5中的對比結(jié)果可看出，相同進口溫度(或壓力)下，NOx的排放隨壓力(或溫度)的升高而增大；模擬計算得出的NOx排放量與試驗所得值趨勢一致，誤差在9%以內(nèi)，具有較高的計算精度。

5.2 預測模型建立

根據(jù)上述9個工況建立CRN模型，通過改變進口溫度、壓力和空氣/燃油流量，對剩余6個工況的NOx排放進行預測，并采用最小二乘原理對15個工況計算得到的NOx排放數(shù)據(jù)進行擬合，構建EI(NOx)與DIPME燃燒室進口溫度、壓力之間的預估關系式。在參考文獻[9]和國外已有研究成果[11-15]的基礎上，選定擬合關系式的目標形式為：

表1 各個PSR的容積cm3Table 1 The volume of different PSRs

式中：EI(NOx)為NOx污染物排放發(fā)散指數(shù)；a0、a1、a2和b均為常數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)擬合獲得；T3為燃燒室進口總溫；p3為燃燒室進口總壓。通過計算，最終得到的CRN模型預估NOx排放的公式為：

試驗數(shù)據(jù)擬合公式[11]為：

數(shù)值模擬分析獲得的EI(NOx)預測公式與試驗獲得的EI(NOx)預估公式非常接近。尤其是影響NOx排放的最重要的溫度因子的比例系數(shù)一致，且壓力項的指數(shù)因子也很接近。可見，采用CRN模型法對貧油預混預蒸發(fā)燃燒室NOx排放進行預測可以獲得較高的預測精度，具有一定的工程應用價值。

6 結(jié)論

對一種貧油預混預蒸發(fā)低排放燃燒室方案進行了CFD計算，在其溫度分布特點的基礎上根據(jù)Da數(shù)原則劃分了代表不同反應器模塊的區(qū)域，并建立了CRN模型對NOx排放特性進行了計算分析，研究結(jié)果表明：

(1)采用CRN模型計算得出的NOx排放量與試驗結(jié)果很接近，且NOx排放隨溫度、壓力的變化趨勢也一致；計算值略低于試驗值，但其差異在工程上可接受。

(2)CRN模型計算得到的NOx排放預估公式與試驗結(jié)果擬合出的預估公式采用相同的函數(shù)表達形式，各個系數(shù)量級很接近，表明本文建立的CRN模型有效，能利用該模型對DIPME燃燒室方案開展其他工況的NOx排放預測，且具有較高預測精度。

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