基于CRN 方法的空氣分級(jí)燃燒室NOx排放研究

張文瀚，王國峰，趙巧男，徐有寧，張皓男，郭雨威，唱 千

（1.沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.能源與動(dòng)力學(xué)院；c.工程技術(shù)研究院，遼寧沈陽 110136；2.阜新金山煤矸石熱電有限公司運(yùn)行部，遼寧阜新 123006）

1 模型

1.1 物理模型

本文所研究的重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為沿周向分布20 個(gè)火焰筒的逆流式環(huán)管型燃燒室，其中單個(gè)火焰筒的幾何模型如圖1 所示。該燃燒室屬于空氣分級(jí)燃燒，噴入燃燒室的空氣分成兩股，采用預(yù)混燃燒方式，燃料為甲烷。

圖1 火焰筒物理模型

1.2 化學(xué)反應(yīng)模擬器

CRN 模擬計(jì)算采用ANSYS18.1 中的Chem‐kin18.1 軟件進(jìn)行，結(jié)合CFD 數(shù)值模擬結(jié)果中的溫度場、速度等流場來確定合理的化學(xué)反應(yīng)器模型，復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型是通過不同類型的化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行串并聯(lián)而形成的。本文采用的化學(xué)反應(yīng)器有：完全攪拌反應(yīng)器（PSR）、柱塞流反應(yīng)器（PFR）和無化學(xué)反應(yīng)混合器（MIX）。完全攪拌反應(yīng)器（PSR）是零維反應(yīng)器，可模擬氣相反應(yīng)、表面化學(xué)反應(yīng)、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)反應(yīng)，系統(tǒng)中的大部分物質(zhì)都參與反應(yīng)，輸出的結(jié)果是氣相反應(yīng)和表面化學(xué)反應(yīng)相互耦合的結(jié)果。在完全攪拌反應(yīng)器內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)起主導(dǎo)作用，反應(yīng)物充分混合，反應(yīng)所用時(shí)間較短，有利于充分模擬反應(yīng)器的燃燒過程，減少計(jì)算量。柱塞流反應(yīng)器（PFR）是一維反應(yīng)器，在軸向上不需要與流體相互混合，在垂直于軸向方向上與流體完全混合，化學(xué)反應(yīng)速率非?？欤旌戏磻?yīng)起主導(dǎo)作用。無化學(xué)反應(yīng)混合器（MIX）反應(yīng)中沒有化學(xué)反應(yīng)，只有物理反應(yīng)。本文所研究的燃燒室主燃區(qū)氣體流速快、溫度高、化學(xué)反應(yīng)劇烈，適用于PSR模型；燃燒室出口段化學(xué)反應(yīng)逐漸減少，煙氣混合開始增多，該部分適用于PFR 模型；燃燒室內(nèi)的摻混區(qū)采用MIX模型。

1.3 CFD數(shù)值模型

在三維數(shù)值模擬計(jì)算中，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，利用FLUENT軟件設(shè)置k-ε湍流模型和進(jìn)出口邊界條件：一次風(fēng)道入口空氣總流量為3.289 5 kg/s，一次風(fēng)道入口溫度為610.5 K，二次風(fēng)道入口空氣流量為5.364 9 kg/s，二次風(fēng)道入口溫度為610.5 K，燃料入口流量為1.525 kg/s，燃燒室系統(tǒng)操作壓力為1 215 900 Pa，燃燒室出口壓力為1 215 900 Pa，8 個(gè)冷卻風(fēng)入口流量依次為0.432 kg/s、1.337 7 kg/s、1.626 kg/s、1.318 kg/s、0.417 kg/s、0.937 8 kg/s、0.957 8 kg/s、0.996 kg/s。

圖2和圖3分別為燃燒室中心截面溫度和速度分布云圖。燃燒室頭部有一部分明顯的低溫區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槿剂吓c一次空氣的混合區(qū)，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；旌蠀^(qū)后端溫度逐漸升高，發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，形成燃燒室的一級(jí)主燃燒區(qū)。燃燒室頭部與火焰筒壁面存在角回流區(qū)，該區(qū)域溫度較高且氣流速度低，可為燃燒過程提供穩(wěn)定的點(diǎn)火源。二次風(fēng)進(jìn)口處溫度較低，該區(qū)域?yàn)橐患?jí)主燃燒區(qū)未燃盡燃料與二次空氣的摻混區(qū)。在摻混區(qū)的后端，溫度升高，該區(qū)域是燃燒室的二級(jí)主燃燒區(qū)。在燃燒室壁面出現(xiàn)了一部分低速區(qū)，該區(qū)域?yàn)槎位亓鲄^(qū)，溫度較高，有利于強(qiáng)化二次空氣與未燃盡燃料摻混，穩(wěn)定二級(jí)主燃燒區(qū)的燃燒。燃燒室后端的溫度趨于平穩(wěn)，是燃燒室的后火焰區(qū)。

圖2 燃燒室溫度分布

圖3 燃燒室速度分布

1.4 燃燒室的CRN模型

為了更好地模擬空氣分級(jí)預(yù)混燃燒模式，利用CFD 數(shù)值模擬結(jié)果，根據(jù)燃燒室的流場和溫度場，將該燃燒室分為一次摻混區(qū)、一級(jí)主燃燒區(qū)、角回流區(qū)、二次摻混區(qū)、二級(jí)主燃燒區(qū)、二次回流區(qū)和后火焰區(qū)，采用不同的化學(xué)反應(yīng)模擬器對(duì)燃燒室內(nèi)部不同區(qū)域進(jìn)行模擬并構(gòu)建簡單的CRN模型，如圖4所示。

圖4 燃燒室化學(xué)反應(yīng)器模型

MIX1 表示燃燒室的一次摻混區(qū)，溫度低且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，燃料和一次空氣在此區(qū)域預(yù)混；PSR01 表示燃燒室的一級(jí)主燃燒區(qū)，大部分燃料在該區(qū)域燃燒，化學(xué)反應(yīng)劇烈，是產(chǎn)生NOx的主要區(qū)域；MIX2表示燃燒室的二次摻混區(qū)，一次摻混區(qū)未燃盡的燃料和煙氣流入二次摻混區(qū)，與二次空氣摻混，區(qū)域內(nèi)溫度較低，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；PSR02 表示燃燒室的二級(jí)燃燒區(qū)，相比于一級(jí)燃燒區(qū)，化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度有所降低，溫度也有明顯降低，未燃盡的燃料在此區(qū)域燃燒，產(chǎn)生的污染物較少；PFR01 表示燃燒室的后火焰區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的燃燒趨于平穩(wěn)，存在大量的空氣，混合反應(yīng)占主導(dǎo)作用，基本不產(chǎn)生污染物。該模型認(rèn)定空氣與燃料完全摻混燃燒并且發(fā)生均勻混合。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)CFD 分析數(shù)據(jù)和燃燒室CRN 模型，利用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)比空氣分級(jí)燃燒室和傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒室在相同絕熱火焰溫度下NOx排放量，分析空氣分級(jí)燃燒室中一級(jí)燃燒區(qū)絕熱火焰溫度、空氣分配比和停留時(shí)間分配對(duì)NOx排放的影響規(guī)律。兩種燃燒室的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)如表1所示，工況1代表空氣分級(jí)燃燒室，工況2代表傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒室。

表1 燃燒室的運(yùn)行參數(shù)

2.1 一級(jí)燃燒區(qū)絕熱火焰溫度的影響

根據(jù)CRN 模型，在計(jì)算中保持總的燃料流量、空氣流量等參數(shù)不變，僅改變一級(jí)燃燒區(qū)的絕熱火焰溫度，研究一級(jí)燃燒區(qū)絕熱火焰溫度對(duì)整個(gè)燃燒室NOx排放的影響。

圖5 為燃燒室一級(jí)火焰溫度與NOx排放的關(guān)系，模擬參數(shù)如表1 中的工況1 所示；圖6 為傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒室NOx排放量隨主燃區(qū)絕熱火焰溫度的變化，模擬參數(shù)如表1的工況2所示。

圖5 NOx排放隨一級(jí)絕熱火焰溫度的變化

圖6 NOx排放隨主燃區(qū)絕熱火焰溫度的變化

通過圖5 與圖6 的比較可以看出，相比傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒，空氣分級(jí)燃燒室NOx排放量少，特別是當(dāng)火焰溫度高時(shí)，分級(jí)燃燒排放的NOx比傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒排放的NOx少很多。這是由于二次空氣的噴入，使一級(jí)燃燒區(qū)產(chǎn)生的大部分NOx和未完全燃燒產(chǎn)物在第二級(jí)燃燒區(qū)繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，大部分NOx發(fā)生還原反應(yīng)。由此可見，空氣分級(jí)燃燒在減排NOx方面具有很大的潛力。無論是空氣分級(jí)燃燒，還是傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒，NOx排放都隨著絕熱火焰的升高而增大，這是因?yàn)楫?dāng)絕熱火焰溫度升高時(shí)，燃燒室內(nèi)燃料燃燒劇烈，產(chǎn)生了更多的熱力型NOx，導(dǎo)致燃燒室排放的NOx增加。因此，在不影響燃料正常燃燒的情況下，降低第一級(jí)絕熱火焰溫度，對(duì)降低NOx排放至關(guān)重要。

2.2 空氣分級(jí)配比的影響

根據(jù)CFD 數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，空氣被分成兩股噴入燃燒室，為了研究燃燒室出口NOx排放與空氣分級(jí)配比的關(guān)系，保持入口燃料質(zhì)量流量不變，停留時(shí)間分配系數(shù)，其中τ1為一級(jí)主燃區(qū)停留時(shí)間，τ2為二級(jí)主燃燒區(qū)停留時(shí)間，且τ1=τ2=0.015 s，一級(jí)空氣占總空氣比例為k=代表一次空氣流量，maE代表總空氣流量。根據(jù)燃燒室CRN 模型，分別計(jì)算k=25%、k=50%與k=75%時(shí)，燃燒室出口溫度與NOx排放關(guān)系，其余參數(shù)與表1 中的工況1 參數(shù)相同。圖7 表示不同空氣分級(jí)配比情況下，NOx排放量與燃燒室出口溫度的關(guān)系。

圖7 在不同空氣分級(jí)配比下燃燒室出口煙氣溫度對(duì)NOx排放的影響

從圖7 可以看出，當(dāng)燃燒室出口溫度一定時(shí)，一級(jí)空氣占比在50%時(shí)產(chǎn)生的NOx偏多。這是由于一級(jí)燃燒區(qū)是產(chǎn)生NOx的主要區(qū)域，當(dāng)50%的空氣噴入一級(jí)燃燒區(qū)時(shí)，一級(jí)燃燒區(qū)當(dāng)量比接近化學(xué)恰當(dāng)比，燃燒充分，熱力型NOx生成量較大；一級(jí)空氣占比為75%時(shí)，一級(jí)主燃燒區(qū)處于貧油狀態(tài)燃燒，雖然NOx排放較少，但考慮穩(wěn)定火焰作用，設(shè)計(jì)時(shí)不能讓燃?xì)廨啓C(jī)在貧油狀態(tài)下工作。因此，在燃燒室出口溫度不變時(shí)，應(yīng)減少注入一級(jí)主燃區(qū)的空氣，使燃燒室處于富油燃燒狀態(tài)，從而有效地降低NOx排放。

2.3 停留時(shí)間分配影響

燃燒區(qū)的停留時(shí)間對(duì)NOx排放量有較大影響。根據(jù)CRN 模型，分別計(jì)算n=0.5、1 和1.5 時(shí)NOx的排放情況。圖8 為不同停留時(shí)間分配系數(shù)下燃燒室煙氣出口溫度對(duì)NOx排放的影響。

從圖8 可以看出，當(dāng)停留時(shí)間分配系數(shù)n=0.5和n=1 時(shí)，兩條曲線基本重合，NOx排放量沒有較大差別；當(dāng)n=1.5 時(shí)，NOx排放量增加，這是由于一級(jí)燃燒區(qū)是產(chǎn)生NOx的主要區(qū)域，由于停留時(shí)間增加，氣體混合物在燃燒區(qū)反應(yīng)時(shí)間變長，燃燒更充分；同時(shí)，熱力型NOx隨溫度的升高而增加。因此，隨著一級(jí)燃燒區(qū)停留時(shí)間增加，熱力型NOx排放量增大。當(dāng)出口溫度高于1 600 K 時(shí)，NOx排放量增長得很快，這說明出口溫度較高時(shí)化學(xué)反應(yīng)更劇烈，產(chǎn)生了更多NOx；而不同停留時(shí)間分配系數(shù)下所產(chǎn)生的NOx趨于相同，這是由于燃燒室出口溫度較高，促進(jìn)第二級(jí)燃燒區(qū)熱力型NOx的生成，此時(shí)停留時(shí)間分配系數(shù)對(duì)NOx排放的影響變小。隨著燃燒室出口溫度不斷提高，在不影響正常燃燒的情況下，降低一級(jí)燃燒區(qū)的停留時(shí)間，可以有效地降低NOx排放。

圖8 不同停留時(shí)間分配系數(shù)下燃燒室煙氣出口溫度對(duì)NOx排放的影響

3 結(jié)論

本文在提出空氣分級(jí)燃燒室的基礎(chǔ)上，利用CFD數(shù)值計(jì)算得到燃燒室流場特性，根據(jù)溫度和速度場將燃燒室劃分為不同區(qū)域，采用不同的化學(xué)反應(yīng)器構(gòu)建了CRN 模型，對(duì)空氣分級(jí)燃燒室排放特性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1）相比于傳統(tǒng)貧預(yù)混燃燒，空氣分級(jí)燃燒的減排能力增強(qiáng)，在相同絕熱火焰溫度下，空氣分級(jí)燃燒排放的NOx少。在不影響燃燒的情況下，降低一級(jí)絕熱火焰溫度，有利于降低NOx。

2）在空氣分級(jí)燃燒的條件下，盡量減少一級(jí)空氣的噴入，使燃燒室處于富油燃燒狀態(tài)，能有效地降低NOx排放。

3）一級(jí)燃燒區(qū)火焰停留時(shí)間越長，燃燒室內(nèi)溫度增高，壓力增大，都能增加NOx排放。因此，在設(shè)計(jì)燃燒室時(shí)，需要優(yōu)化停留時(shí)間分配，保證兩級(jí)穩(wěn)定燃燒，降低NOx排放。