低熱值燃料燃燒室等離子點(diǎn)火特性

鄭洪濤， 張志浩， 劉瀟， 李智明， 楊家龍

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，全球各國(guó)積極研究節(jié)能減排新技術(shù)。目前，我國(guó)有大量的高爐煤氣被鋼鐵企業(yè)浪費(fèi)掉，高爐煤氣是高爐煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的伴生氣，是典型的低熱值燃料氣。隨著人們節(jié)能減排意識(shí)的不斷加強(qiáng)，低熱值燃料燃燒技術(shù)獲得了極大的關(guān)注。低熱值燃料常見(jiàn)的有高爐煤氣、煉油伴生氣、瓦斯氣[1]。由于熱值低，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?，使得低熱值氣具有燃燒溫度低，點(diǎn)火困難，燃燒穩(wěn)定性差的特點(diǎn)[2-3]。鋼鐵企業(yè)一般會(huì)采用燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的方式燃用低熱值氣來(lái)提高能源利用率，通常情況下，在燃用低熱值氣的同時(shí)還需摻燒部分高熱值的甲烷，或使用輕質(zhì)柴油點(diǎn)火并作為值班火焰來(lái)穩(wěn)定燃燒。這些方法以消耗一定的高品質(zhì)能源為代價(jià)來(lái)穩(wěn)定燃燒，其附屬的燃料及控制系統(tǒng)龐大復(fù)雜[4]，因此亟需尋找更經(jīng)濟(jì)有效的方法解決低熱值燃料在燃機(jī)中的燃燒問(wèn)題。

等離子體技術(shù)最先應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火[5-6]，之后被應(yīng)用至燃燒領(lǐng)域。Bellenoue等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段比較了火花塞放電和脈沖電暈放電作用于甲烷空氣混合物的點(diǎn)火性能。Lance等[8]的研究表明，2 kW的直流電弧能產(chǎn)生高達(dá)5 000 K且富含等離子體的射流。李智明等[9]一直從事等離子點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的研究工作。除此之外各國(guó)專家學(xué)者還實(shí)驗(yàn)及模擬的方法研究了當(dāng)量比、來(lái)流速度、來(lái)流壓力、點(diǎn)火位置、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間、電極直徑等參數(shù)對(duì)點(diǎn)火性能的影響[10-18]。

本文以某型100 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為模型，采用數(shù)值模擬的方法探究了該燃燒室的最優(yōu)點(diǎn)火位置和最佳點(diǎn)火工況，分析了O等離子體添加對(duì)該型燃燒室燃用低熱值氣的點(diǎn)火時(shí)間、點(diǎn)火功率、點(diǎn)火延遲等方面的影響，并模擬該燃燒室燃用低熱值氣體時(shí)的點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。

1 燃燒室?guī)缀文Ｐ图斑吔鐥l件

1.1 燃燒室模型簡(jiǎn)化方案

本文選取的燃燒室模型是某型100 kW燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，由于該燃燒室結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而本文要點(diǎn)火動(dòng)態(tài)過(guò)程，為了減小不必要的計(jì)算量，需要簡(jiǎn)化計(jì)算模型：移除火焰筒外機(jī)匣結(jié)構(gòu)且舍去主燃孔后對(duì)主燃區(qū)影響較小的火焰筒尾部結(jié)構(gòu)。為保證簡(jiǎn)化模型的各個(gè)進(jìn)氣孔進(jìn)氣量與原型燃燒室一致，本文對(duì)該燃燒室進(jìn)行了流量監(jiān)測(cè)，本文對(duì)燃燒室進(jìn)氣孔依次標(biāo)記為1～9，圖1為燃燒室不同進(jìn)氣孔的流量分配。數(shù)值模擬所檢測(cè)的各部分空氣流量如圖1所示。以進(jìn)氣孔進(jìn)氣流量作為簡(jiǎn)化模型后流體域的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化后的燃燒室頭部結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用Realizablek-ε湍流模型，EDC燃燒模型對(duì)比原燃燒室和簡(jiǎn)化后的燃燒室頭部流場(chǎng)，如圖3可知流場(chǎng)基本不變，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方式可行。

圖1 燃燒室各空氣進(jìn)口及空氣量分配Fig.1 Air inlet and air volume distribution in the combustor

圖2 原燃燒室及簡(jiǎn)化后燃燒室頭部結(jié)構(gòu)Fig.2 Combustor and the head structure of combustor which is simplified

圖3 燃燒室簡(jiǎn)化前后溫度對(duì)比Fig.3 Comparison of temperature before and after simplification

.2 邊界條件

以簡(jiǎn)化后的燃燒室頭部為計(jì)算模型，使用Realizablek-ε湍流模型，EDC燃燒模型，采用簡(jiǎn)化的甲烷19步反應(yīng)機(jī)理對(duì)低熱值氣的燃燒工況進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)口空氣流量0.98 kg/s，空氣溫度400 K，空氣壓強(qiáng)0.313 06 MPa；低熱值氣流量0.12 kg/s，低熱值氣溫度400 K。表1為燃用的高爐煤氣的組分構(gòu)成。

表1 高爐煤氣組分含量Table1 The component of blast furnace gas

1.3 湍流模型、燃燒模型及反應(yīng)機(jī)理

1.3.1 湍流模型

Fluent中提供很多湍流模型，其中RANS模型包括：?jiǎn)畏匠棠Ｐ?、雙方程模型、雷諾應(yīng)力模型等。其中，雙方程模型又包括：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型。

相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和RNGk-ε模型，Realizablek-ε模型在湍流粘度計(jì)算公式和ε方程2方面進(jìn)行了改進(jìn)，能夠更好地在強(qiáng)流線彎曲、旋流和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)方面模擬出結(jié)果。因此，本文選擇Realizablek-ε湍流模型。

Realizablek-ε模型的方程如下：

Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

1.3.2 燃燒模型

EDC模型考慮了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)，EDC模型是在ED模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，不僅能夠模擬不同燃料燃燒，同時(shí)也能模擬燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火、熄火等現(xiàn)象。

該模型假定化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在很小的湍流結(jié)構(gòu)中，這種湍流結(jié)構(gòu)被稱為良好尺度ε*，在良好尺度內(nèi)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需時(shí)間為τ*定義為：

式中速率常數(shù)遵循Arrhenius定律，即：kf,r=ArTβre-Er/RT,kb,r=kf,r/Kr。那么在每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)反應(yīng)凈生成速率為：

R′i,r=Γ(v″i,r-v′i,r)ωi,r=Γ(v″i,r-v′i,r)·

(3)

1.3.3 反應(yīng)機(jī)理

本文根據(jù)高爐煤氣化學(xué)反應(yīng)中主要組分生成率和消耗率敏感性系數(shù)，在改進(jìn)后的GRI3.0化學(xué)反應(yīng)機(jī)理基礎(chǔ)上去除多余反應(yīng)，得出簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理。本文將簡(jiǎn)化后的機(jī)理與Davis、Ranzi反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行對(duì)比(如圖4)。由圖4可知，簡(jiǎn)化后的機(jī)理能準(zhǔn)備模擬燃燒溫度、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃爸饕M分含量，因此可以使用簡(jiǎn)化的19步反應(yīng)機(jī)理來(lái)計(jì)算低熱值氣體的點(diǎn)火過(guò)程，提高計(jì)算效率。

圖4 各種機(jī)理燃燒參數(shù)對(duì)比Fig.4 Different mechanism combustion parameter comparison

2 計(jì)算分析及結(jié)果

2.1 計(jì)算方法驗(yàn)證

為了能準(zhǔn)確模擬出活性粒子對(duì)燃燒室點(diǎn)火性能的影響以及燃燒室點(diǎn)火的過(guò)程，本小節(jié)對(duì)某燃燒室流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[19]，以驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，然后進(jìn)行低熱值氣體的點(diǎn)火計(jì)算。

圖5給出計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。

圖5 不同工況下燃燒室出口溫度徑向分布對(duì)比Fig.5 Comparison of radial distribution of combustion chamber outlet temperature

2.2 點(diǎn)火位置的確定

根據(jù)速度流線圖選取一系列的點(diǎn)火位置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，選擇火核半徑為10 mm。Marchione等[15]研究發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火位置在負(fù)速度區(qū)時(shí)，成功率最高，故對(duì)點(diǎn)火位置進(jìn)行選擇(見(jiàn)圖6)：P1(Z=131 mm，Y=95 mm)；P2(Z=93 mm，Y=97 mm)；P3(Z=46 mm，Y=33 mm)；P4(Z=44 mm，Y=23 mm)；P5(Z=50 mm，Y=25 mm)。最終只有P5點(diǎn)火成功。

圖6 燃燒室頭部冷態(tài)速度場(chǎng)Fig.6 Cold state field of combustor head

3 點(diǎn)火過(guò)程分析

3.1 邊界條件

由于燃用的高爐煤氣中含有的氫燃料較少，故經(jīng)過(guò)點(diǎn)火器電離出的活性粒子主要為O，故本節(jié)將研究O對(duì)燃燒室點(diǎn)火性能的影響。表2統(tǒng)計(jì)了不同點(diǎn)火功率、持續(xù)時(shí)間、點(diǎn)火能量和活性粒子濃度的點(diǎn)火情況。

表2 點(diǎn)火能量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Ignition energy data statistics

本文選擇火核半徑為r=10 mm，點(diǎn)火能量最小設(shè)為1 kW，點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間最短為t=10 ms，在火核區(qū)域添加活性粒子來(lái)模擬等離子體的點(diǎn)火效果。

表2表明最佳點(diǎn)火為CaseU。具體分析如下：CaseT無(wú)活性粒子添加，點(diǎn)火失??；在CaseT的基礎(chǔ)上，增加點(diǎn)火功率至2 kW并且保持點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間不變，點(diǎn)火依然失??；繼續(xù)增加點(diǎn)火功率至8 kW時(shí)，才能點(diǎn)火成功。因此在不添加活性粒子的前提下，當(dāng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為20 ms時(shí)，其臨界點(diǎn)火功率為8 kW。CaseAE點(diǎn)火失敗則證明當(dāng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為10 ms時(shí)，臨界點(diǎn)火功率為10 kW；同時(shí)點(diǎn)火功率8 kW所對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為20 ms。

但是在現(xiàn)有條件下，想要達(dá)到如此高的點(diǎn)火功率是不現(xiàn)實(shí)的。由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出當(dāng)添加活性粒子O后，點(diǎn)火成功所需要的功率和能量都明顯減小，同時(shí)隨著等離子體濃度越高，點(diǎn)火性能逐漸變好，當(dāng)活性粒子O的濃度達(dá)到4%時(shí)，只需要1 kW左右的等離子點(diǎn)火功率就能夠成功將低熱值氣體點(diǎn)燃，較同等條件下的常規(guī)點(diǎn)火功率降低了90%左右。

綜上所述，可以得到4點(diǎn)結(jié)論：1)當(dāng)功率大于臨界點(diǎn)火功率時(shí)，可以通過(guò)增加持續(xù)時(shí)間使點(diǎn)火成功；2)達(dá)到臨界點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間時(shí)，又可提高功率，增加點(diǎn)火溫度，使點(diǎn)火成功；3)通過(guò)在燃燒室中添加等離子體可以一定程度減小臨界點(diǎn)火功率和臨界點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間，且隨著活性粒子濃度的增加，降低程度有所提升；4)當(dāng)活性粒子O的濃度達(dá)到4%時(shí)，只需要1 kW左右的等離子點(diǎn)火功率就能夠成功將低熱值氣體點(diǎn)燃，較同等條件下的常規(guī)點(diǎn)火功率降低了90%左右。

3.2 點(diǎn)火過(guò)程

等離子體點(diǎn)火器從接通電源開(kāi)始到點(diǎn)燃燃燒室，一般經(jīng)歷等離子發(fā)生器放電擊穿空氣、初始火核點(diǎn)燃混合氣、火焰鋒面?zhèn)鞑サ饺紵抑行幕亓鲄^(qū)3個(gè)過(guò)程。本節(jié)基于CaseU研究100 kW燃燒室的動(dòng)態(tài)點(diǎn)火過(guò)程。

圖7給出CaseU點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，圖8給出了整個(gè)燃燒場(chǎng)內(nèi)Z=125 mm截面上平均溫度、H2和CO化學(xué)反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化關(guān)系，其中t=8 ms時(shí)開(kāi)始點(diǎn)火。

圖7 CaseU工況下Z=80 mm、Z=100 mm、Z=125 mm截面溫度場(chǎng)的變化Fig.7 Variation of temperature field of Z=80 mm, Z=100 mm, Z=125 mm in CaseU

圖8 平均溫度、CO化學(xué)反應(yīng)速率、H2化學(xué)反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.8 Average temperature, chemical reaction rate of CO and H2 as a function of time

1)t=8 ms開(kāi)始點(diǎn)火后，此時(shí)能量比較大，燃燒室局部溫度較高，CO、H2反應(yīng)速率急劇增加，但只出現(xiàn)了一個(gè)小高峰；

2)t=30 ms時(shí)，由于火核隨著回流區(qū)的發(fā)展，在Z=100 mm截面處大約有1/5的區(qū)域被點(diǎn)燃；

3)t=50 ms時(shí)，火焰?zhèn)鞑ブ寥紵抑行奈恢锰帲?/p>

4)t=70 ms時(shí)，燃燒室中心回流區(qū)形成穩(wěn)定的火焰，并且燃燒面積還在不斷地增大；

5)t=100 ms時(shí)，火焰逐漸向燃燒室的另一側(cè)傳播；

6)t=120 ms時(shí)，整個(gè)火焰已經(jīng)封閉；

7)t=150 ms后，燃燒室溫度分布呈對(duì)稱狀態(tài)，燃燒室被完全點(diǎn)燃。

為了研究不同點(diǎn)火功率下活性粒子對(duì)燃燒室動(dòng)態(tài)點(diǎn)火性能的影響，本文又進(jìn)行了4種工況的數(shù)值模擬研究，工況條件如表3所示。

表3 點(diǎn)火能量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 3 Ignition energy statistics

圖9(1)給出了CaseAG點(diǎn)火失敗時(shí)的中截面溫度場(chǎng)變化關(guān)系。一共進(jìn)行了4次點(diǎn)火，但都只能使點(diǎn)火位置的溫度短暫的提高，溫度很快耗散，無(wú)法點(diǎn)燃低熱值氣；當(dāng)活性粒子一定時(shí)，增大點(diǎn)火功率可以縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，更快的完成點(diǎn)火能量的累積(對(duì)比CaseAJ和CaseAH可發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短了50 ms左右)；而當(dāng)點(diǎn)火功率和點(diǎn)火能量不變時(shí)，添加活性粒子可以加快反應(yīng)進(jìn)程，縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間(對(duì)比CaseAJ和CaseAI可發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短了20 ms左右)。

圖9 CaseAG、CaseAH、CaseAI、CaseAJ燃燒室中截面處溫度場(chǎng)的變化情況Fig.9 Field sectional change of the temperature in the combustor at CaseAG, CaseAH, CaseAI, CaseAJ

圖10中是CaseAH、CaseAG和CaseAI 3組成功點(diǎn)火的最大溫度和可燃組分化學(xué)反應(yīng)速率隨時(shí)間變化的曲線圖。CaseAH的點(diǎn)火功率較低，最大溫度的峰值較低。功率提高和等離子體的添加都可以縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，但是整體趨勢(shì)沒(méi)有改變。

圖10 最高溫度、CO化學(xué)反應(yīng)速率、H2化學(xué)反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.10 Maximum temperature, chemical reaction rate of CO and H2 as a function of time

4 結(jié)論

1)點(diǎn)火位置需位于負(fù)速度區(qū)且有足夠濃度的可燃?xì)獠拍軌螯c(diǎn)火成功，通過(guò)數(shù)值模擬確定最佳點(diǎn)火位置為Z=50 mm，Y=25 mm附近。

2)通過(guò)在燃燒室中添加活性粒子可以一定程度的減小臨界點(diǎn)火功率和臨界點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間，且隨著活性粒子濃度的增加，降低程度有所提升；當(dāng)活性粒子O的濃度達(dá)到4%時(shí)，只需要1 kW左右的等離子點(diǎn)火功率就能夠成功將低熱值氣體點(diǎn)燃，較同等條件下的常規(guī)點(diǎn)火功率降低了90%左右。

3)當(dāng)?shù)入x子體濃度一定時(shí)，增大點(diǎn)火功率可以縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間。對(duì)比CaseAJ和CaseAH可發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短了50 ms左右；而當(dāng)點(diǎn)火功率和點(diǎn)火能量不變時(shí)，添加活性粒子可以加快應(yīng)，點(diǎn)火延遲時(shí)間因此縮短，對(duì)比CaseAJ和CaseAI可發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短了20 ms左右。