N2和CO2稀釋對(duì)氫氣-空氣湍流擴(kuò)散燃燒及NO生成特性的影響

黃章俊， 唐志峰， 田 紅， 李鵬飛， 李錄平， 宋權(quán)斌

(1．長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410114；2．華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074)

符號(hào)說(shuō)明：

A——指前因子，cm3/(mol·s)

C——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

D——稀釋率

EA——反應(yīng)活化能，J/mol

Gk——平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，N/(m2·s)

Gb——浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，N/(m2·s)

k——湍動(dòng)能，m3/s2

m——質(zhì)量，kg

Ru——通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)

S——變形張量

Sε——耗散率輸運(yùn)方程的用戶自定義源項(xiàng)

Sox-fu——氧氣/燃料化學(xué)當(dāng)量質(zhì)量比

T——熱力學(xué)溫度，K

Sk——湍動(dòng)能的用戶自定義源項(xiàng)，N/(m2·s)

t——時(shí)間，s

u——時(shí)均速度，m/s

V——體積，m3

x——笛卡爾坐標(biāo)

YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)，N/(m2·s)

i,j——無(wú)量綱張量指標(biāo)

S(NO)D——NO生成的抑制率

w(NO)D0——無(wú)稀釋時(shí)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg

w(NO)D——稀釋率D時(shí)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg

ε——湍動(dòng)能的耗散率，m2/s3

ρ——?dú)庀嗝芏?，kg/m3

μ——流體動(dòng)力黏度，(N·s)/m2

μt——湍動(dòng)黏度，(N·s)/m2

v——分子運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s

Prk——湍動(dòng)能的湍流Prandtl數(shù)

Prε——耗散率的湍流Prandtl數(shù)

φ*——細(xì)微結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)

w——微小渦團(tuán)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

γλ——進(jìn)入耗散區(qū)的質(zhì)量交換系數(shù)

氫能作為一種可再生清潔能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源[1]，其開(kāi)發(fā)利用有助于解決能源危機(jī)、全球變暖以及環(huán)境污染問(wèn)題，受到了世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注[2-3]。但氫氣有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，易造成燃燒不穩(wěn)定，且其燃燒時(shí)的絕熱溫度高，易使空氣中N2在高溫下氧化生成NO，這阻礙了氫氣在能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[4-5]。氫氣的稀釋燃燒技術(shù)能有效改善燃燒并抑制NO的生成。

稀釋劑種類及稀釋率對(duì)氫氣-空氣燃燒的火焰特性具有顯著影響。Paidi等[6]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了N2和CO2稀釋劑對(duì)氫氣-空氣預(yù)混燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)增大稀釋率能有效降低燃燒溫度，且CO2的稀釋作用大于N2。Li等[7]研究了N2和CO2稀釋作用下的氫氣-空氣預(yù)混燃燒特性，結(jié)果表明稀釋率增大會(huì)使火焰趨于不穩(wěn)定，且CO2由于其熱效應(yīng)與化學(xué)效應(yīng)，在降低火焰溫度方面比N2具有更強(qiáng)的作用。段俊法等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氫燃料在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)加入稀釋劑可有效降低已燃區(qū)的溫度。

降低NO排放是氫氣-空氣燃燒研究的重點(diǎn)。Li等[9]用N2和Ar作為稀釋劑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了稀釋劑對(duì)氫氣-空氣預(yù)混燃燒過(guò)程中NO生成的影響，結(jié)果表明2種稀釋劑均會(huì)降低NO生成率。席劍飛等[10]通過(guò)自建的氣體燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了3種稀釋劑(CO2、N2和Ar)作用下H2/CO合成氣同軸射流擴(kuò)散燃燒，結(jié)果表明CO2降低NO排放的效果最好。田紅等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了CO2稀釋劑對(duì)氫氣擴(kuò)散燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)隨著稀釋率的增大，NO生成量下降。Wei等[12]研究了CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)生物氣-氫氣層流預(yù)混火焰中NO生成過(guò)程及排放總量的影響，結(jié)果表明隨著CO2體積分?jǐn)?shù)增大，NO排放總量顯著降低。黃章俊等[13]針對(duì)H2/CO合成氣的湍流擴(kuò)散燃燒火焰，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明了所采用的耦合模型和數(shù)值模擬計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬和預(yù)估火焰溫度及煙氣組分分布。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氫氣-空氣稀釋燃燒過(guò)程的研究，大多是探討稀釋劑作用對(duì)燃燒溫度或污染物排放的影響，而在兼顧燃燒效率和環(huán)保性方面，鮮有研究者能夠綜合考慮稀釋劑種類及稀釋率對(duì)氫氣-空氣燃燒溫度和NO生成的影響。因此，筆者基于Ansys軟件平臺(tái)，耦合18組分47步H2-N2-CO2反應(yīng)機(jī)理模型，對(duì)氫氣-空氣同軸射流的湍流擴(kuò)散燃燒火焰進(jìn)行模擬，研究了不同稀釋劑(N2、CO2)及稀釋率(0～0.5)情況下氫氣-空氣擴(kuò)散燃燒的溫度分布及NO生成特性，建立火焰峰值溫度與NO生成的關(guān)系，并進(jìn)一步考慮了在不同稀釋條件下能使火焰溫度較高且NO生成量保持較低水平的最佳稀釋率，以期為實(shí)現(xiàn)氫氣的高效低污染燃燒提供理論指導(dǎo)和參考價(jià)值。

1 氫氣-空氣湍流擴(kuò)散燃燒火焰

以德國(guó)航空航天中心和斯圖加特大學(xué)合作研究的氫氣-空氣射流擴(kuò)散火焰(“H5”火焰)為研究對(duì)象[14]。該火焰實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用豎直的薄壁出口圓管作為燃料噴管，其內(nèi)直徑d=8 mm；空氣噴管的內(nèi)直徑dair=140 mm，與燃料噴管同軸布置。“H5”火焰所采用的燃料為50%φ(H2)+50%φ(N2)的混合氣體，從燃料噴管直噴進(jìn)入燃燒區(qū)的混合氣體速度為21.7 m/s，雷諾數(shù)Re=6 200。從空氣噴管進(jìn)入燃燒區(qū)的空氣速度為0.3 m/s。燃料和空氣進(jìn)入燃燒區(qū)的初始溫度均為298 K。

2 數(shù)值模型及計(jì)算方法

2.1 計(jì)算域網(wǎng)格模型及邊界條件

依據(jù)“H5”火焰的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，確定該氫氣燃料和空氣同軸射流的湍流擴(kuò)散燃燒空間計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)圓柱體空間計(jì)算域，其旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸(z軸)與燃料噴管的中心對(duì)稱軸保持一致，空間坐標(biāo)原點(diǎn)位于燃料噴管出口的中心點(diǎn)，并將燃料從噴管出口截面垂直流入燃燒區(qū)的方向取為軸向正方向。該圓柱體空間計(jì)算域的軸向長(zhǎng)度為85d(即680 mm)，徑向?qū)挾葹?0d(即320 mm)。

基于已確定的圓柱體空間計(jì)算域，建立相應(yīng)的三維幾何模型，并應(yīng)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，在燃料噴管出口及中心對(duì)稱軸附近的流動(dòng)和燃燒反應(yīng)劇烈的局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。通過(guò)網(wǎng)格疏密程度對(duì)不同的計(jì)算模型(網(wǎng)格數(shù)量分別約為70萬(wàn)、85萬(wàn)、100萬(wàn))進(jìn)行試算和分析，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到85萬(wàn)、平均網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.9時(shí)，網(wǎng)格密度對(duì)模擬計(jì)算精度的影響可以忽略。最終采用網(wǎng)格數(shù)量85萬(wàn)的空間計(jì)算域網(wǎng)格模型，如圖1所示。

根據(jù)火焰實(shí)驗(yàn)條件[14]，確定模擬計(jì)算的入口邊界條件(見(jiàn)表1)，其中燃料和空氣各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)體積比計(jì)算獲得；燃料入口和空氣入口邊界設(shè)置為速度入口，出口邊界為靜壓等于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力出口邊界。

(a) 空間計(jì)算域整體網(wǎng)格

(c) 入口截面網(wǎng)格

表1 “H5”火焰的入口邊界條件Tab.1 Inlet boundary conditions of flame H5

2.2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、湍流模型及燃燒模型

化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型主要包括基元反應(yīng)及其化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)、混合組分的熱力學(xué)性質(zhì)和分子輸運(yùn)特性，其中化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k(T)與溫度、指前因子、反應(yīng)活化能和通用氣體常數(shù)的關(guān)系可用阿倫尼烏斯公式[15]表示。

(1)

Bazooyar等[16-17]提出的13組分34步H2-N2反應(yīng)機(jī)理模型能夠模擬N2稀釋下氫氣-空氣的燃燒過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，考慮到在CO2稀釋時(shí)部分CO2會(huì)在高溫下分解成CO，通過(guò)添加CO2在高溫下的反應(yīng)機(jī)理[18]，從而形成18組分47步H2-N2-CO2反應(yīng)機(jī)理模型，并以此作為在N2、CO2稀釋條件下氫氣-空氣湍流擴(kuò)散燃燒過(guò)程模擬的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型。因此，為了驗(yàn)證添加CO2在高溫下的H2-N2-CO2反應(yīng)機(jī)理，筆者基于Ansys Chemkin軟件模擬計(jì)算了CO2稀釋下該反應(yīng)機(jī)理的層流燃燒速度，并與文獻(xiàn)[6]的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比(見(jiàn)圖2)。由圖2可知，與文獻(xiàn)[6]的實(shí)驗(yàn)值相比，H2-N2-CO2反應(yīng)機(jī)理計(jì)算得到的層流燃燒速度的誤差在7%以內(nèi)，表明該反應(yīng)機(jī)理對(duì)CO2稀釋下的氫氣-空氣燃燒過(guò)程模擬具有一定的適用性和準(zhǔn)確性。

圖2 CO2稀釋時(shí)層流燃燒速度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

可實(shí)現(xiàn)k-ε模型滿足對(duì)雷諾應(yīng)力的約束條件，在雷諾應(yīng)力上保持與真實(shí)湍流一致，能精確模擬射流擴(kuò)散過(guò)程，因此本研究采用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型來(lái)模擬“H5”火焰燃燒過(guò)程的湍流流動(dòng)，其湍動(dòng)能及耗散率輸運(yùn)方程[19]為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3 數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

湍流模型采用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型，并激活能量方程和采用P1輻射模型；燃燒模型采用EDC模型，并且考慮到燃燒過(guò)程的湍流與化學(xué)反應(yīng)交互作用，利用原位自適應(yīng)建表方法對(duì)化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)進(jìn)行解析和加速，其容差設(shè)置為0.001。方程求解方法采用壓力基求解器，基于二階迎風(fēng)格式進(jìn)行輸運(yùn)方程離散，并利用壓力耦合方程組的半隱式方法進(jìn)行壓力和速度的耦合。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，模擬計(jì)算了“H5”火焰在實(shí)驗(yàn)工況下的燃燒過(guò)程，并將獲得的該火焰中心軸線上的溫度及主要組分(H2、O2、H2O、N2和NO)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示，其中軸向距離是空間計(jì)算域z軸方向的位置坐標(biāo)，即為軸向上與燃料噴管出口的空間距離。由圖3可知，該火焰中心軸線上的溫度分布及反應(yīng)物組分(H2、O2、H2O和N2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果在數(shù)值及變化趨勢(shì)上皆與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。由圖3(b)和圖3(f)可知，該模擬計(jì)算對(duì)火焰生成物組分(H2O和NO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在中心軸線上的峰值和變化趨勢(shì)具有較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

3.2 稀釋率對(duì)氫氣-空氣燃燒過(guò)程的影響

稀釋率定義為稀釋劑在燃料與稀釋劑的混合物中所占的體積分?jǐn)?shù)，即D=Vdiluent/(Vfuel+Vdiluent)，其中Vfuel為混合物中的燃料(H2)體積，m3；Vdiluent為混合物中的稀釋劑體積，m3。

稀釋劑N2、CO2在不同稀釋率(0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)條件下，氫氣-空氣同軸射流燃燒時(shí) “H5”火焰中心軸線上的溫度及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖4所示。

由圖4(a)可知，當(dāng)N2稀釋率從0增大到0.5時(shí)，火焰峰值溫度降低(由2 449 K降至1 945 K)，火焰峰值溫度所在位置前移(軸向距離由407 mm減至246 mm)。由圖4(b)可知，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨稀釋率的增大而降低(由1 570 mg/kg降至24 mg/kg)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)所在位置相應(yīng)前移(軸向距離由428 mm減至252 mm)。由圖4(c)可知，CO2稀釋率從0增大到0.5時(shí)，火焰峰值溫度降低(由2 449 K降至1 711 K)，火焰峰值溫度所在位置前移(軸向距離由407 mm減至237 mm)。由圖4(d)可知，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨稀釋率的增大而降低(由1 570 mg/kg降至1 mg/kg)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)所在位置相應(yīng)前移(軸向距離由428 mm減至246 mm)。

(a) 中心軸線上的溫度

(d) O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(a) N2稀釋下的溫度

(c) CO2稀釋下的溫度

由此可見(jiàn)，稀釋劑N2和CO2均可降低氫氣-空氣湍流擴(kuò)散燃燒溫度以及抑制燃燒時(shí)NO的生成。這一方面是因?yàn)镹2與CO2的稀釋效應(yīng)均會(huì)降低燃燒過(guò)程中O原子、H原子以及OH自由基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而使反應(yīng)速率減小，燃燒釋放的熱量降低；另一方面，稀釋劑吸收一部分燃燒產(chǎn)生的熱量，降低了火焰溫度和熱力型NO生成量。

N2、CO2稀釋下“H5”火焰模擬得到的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度分布如圖5所示，其中每個(gè)稀釋率取值對(duì)應(yīng)火焰模擬圖的左半部分為NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，右半部分為溫度分布。鑒于該火焰具有結(jié)構(gòu)上的空間對(duì)稱性，因此每個(gè)稀釋率取值對(duì)應(yīng)的火焰模擬圖通過(guò)左、右兩半分別顯示NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度分布情況，更為直觀地展現(xiàn)了NO的生成與火焰溫度的依賴關(guān)系。由圖5可以看出，NO的生成與火焰溫度密切相關(guān)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在火焰峰值溫度處達(dá)到峰值；而隨著稀釋率的增大，火焰溫度逐漸降低，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)也迅速降低。

(a) N2稀釋下的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(左半部分)和溫度分布(右半部分)

(b) CO2稀釋下的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(左半部分)和溫度分布(右半部分)圖5 稀釋時(shí)“H5”火焰模擬得到的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度分布云圖Fig.5 NO mass fraction distribution and temperature distributionof simulated flame H5 with dilution

3.3 稀釋時(shí)火焰峰值溫度與NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

在N2、CO2稀釋下“H5”火焰模擬得到的NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨火焰峰值溫度的變化曲線如圖6所示，其中NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)和火焰峰值溫度的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)于無(wú)稀釋劑作用的情況(D=0)。由圖6可知，在稀釋劑(N2、CO2)的作用下，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)與火焰峰值溫度的變化趨勢(shì)一致，即2種稀釋劑對(duì)于降低“H5”火焰峰值溫度和抑制NO生成的作用是一致的。

圖6 稀釋時(shí)“H5”火焰模擬得到的NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨火焰峰值溫度的變化Fig.6 Variation of NO peak mass fraction with peak temperatureof simulated flame H5 with dilution

當(dāng)火焰峰值溫度處于較低水平(<2 000 K)時(shí)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(<50 mg/kg)，且隨火焰峰值溫度的變化較??；當(dāng)火焰峰值溫度處于中等水平(2 000～2 300 K)時(shí)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著火焰峰值溫度的升高而緩慢增長(zhǎng)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于中等水平(50～300 mg/kg)或較高水平(>300 mg/kg)；當(dāng)火焰峰值溫度高于2 300 K時(shí)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速上升。

3.4 稀釋劑種類對(duì)氫氣-空氣燃燒過(guò)程的影響

稀釋劑N2和CO2對(duì)“H5”火焰模擬得到的火焰峰值溫度的影響如圖7(a)所示，火焰峰值溫度降幅是指當(dāng)前稀釋率(D=0.1～0.5)對(duì)應(yīng)的火焰峰值溫度與稀釋率減小0.1時(shí)對(duì)應(yīng)的火焰峰值溫度相比所降低的溫度值。由圖7(a)可知：(1) 采用不同的稀釋劑(N2、CO2)時(shí)，火焰峰值溫度隨著稀釋率變化的趨勢(shì)相同，即火焰峰值溫度隨著稀釋率的增大而降低；(2) 稀釋劑N2和CO2對(duì)火焰峰值溫度具有非線性抑制作用；(3) CO2對(duì)火焰峰值溫度的抑制效果要強(qiáng)于N2；(4) 稀釋劑為N2，當(dāng)稀釋率從0.2增至0.3時(shí)，火焰峰值溫度的降幅為88 K，當(dāng)稀釋率從0.3增至0.4和從0.4增至0.5時(shí)，火焰峰值溫度降幅分別為168 K和164 K，由此可見(jiàn)，N2稀釋時(shí)的稀釋率D>0.3時(shí)，火焰峰值溫度降幅較稀釋率D<0.3時(shí)顯著升高，表明N2對(duì)火焰峰值溫度的抑制作用隨著稀釋率的增大而加強(qiáng)；(5) 稀釋劑為CO2，當(dāng)稀釋率從0.1增至0.2時(shí)，火焰峰值溫度的降幅為97 K，當(dāng)稀釋率從0.2增至0.3、0.4和0.5時(shí)，火焰峰值溫度的降幅分別為179 K、127 K和215 K，由此可見(jiàn)，CO2稀釋時(shí)的稀釋率D>0.2時(shí)，CO2對(duì)降低火焰峰值溫度的效果總體上優(yōu)于稀釋率D≤0.2的效果。

稀釋劑N2和CO2對(duì)“H5”火焰模擬中心軸線NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖7(b)所示，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅是指當(dāng)前稀釋率(D=0.1～0.5)對(duì)應(yīng)的NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)與稀釋率減小0.1時(shí)對(duì)應(yīng)的NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比所降低的NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖7(b)可知：(1) 當(dāng)稀釋率D=0.1～0.5時(shí)，CO2對(duì)NO生成的抑制效果強(qiáng)于N2；(2) 稀釋劑N2和CO2對(duì)NO生成的抑制作用是非線性的；(3) 隨著稀釋率的增大，稀釋率每增大0.1所引起的NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅在減小，表明稀釋劑N2和CO2在降低NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面的效果隨著稀釋率的增大而逐漸減弱。

(a) 稀釋劑對(duì)火焰峰值溫度的影響

(b) 稀釋劑對(duì)NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響圖7 稀釋劑對(duì)火焰峰值溫度和NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.7 Effect of diluents on peak temperature and NO peakmass fraction

為了表征稀釋劑對(duì)NO生成的抑制效果，定義稀釋率為D時(shí)相應(yīng)稀釋劑對(duì)NO生成的抑制率S(NO)D為：

(8)

N2和CO2在不同稀釋率下對(duì)NO生成的抑制率如表2所示。由表2可知，在N2和CO2稀釋時(shí)，隨著稀釋率的增大，NO的生成抑制率也逐漸增大；在相同稀釋率下，CO2稀釋時(shí)的NO生成抑制率要大于N2稀釋。CO2稀釋對(duì)NO生成的抑制作用強(qiáng)于N2稀釋的主要原因是CO2稀釋能夠更有效地降低火焰峰值溫度，使得H2燃燒所產(chǎn)生的熱力型NO急劇減少。

表2 N2和CO2稀釋對(duì)NO生成的抑制率比較

3.5 不同稀釋劑的最佳稀釋率

為實(shí)現(xiàn)氫氣的高效低污染燃燒，應(yīng)當(dāng)從環(huán)保性(NO質(zhì)量分?jǐn)?shù))和燃燒效率(火焰溫度)2方面對(duì)不同稀釋劑(N2、CO2)的稀釋影響進(jìn)行綜合考慮，即在不同稀釋劑(N2、CO2)的稀釋作用下，通過(guò)分析稀釋率對(duì)火焰溫度及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的非線性影響，確定能夠使火焰溫度較高且NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持較低水平的最佳稀釋率。

不同稀釋條件下火焰峰值溫度降幅和NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅變化曲線如圖8所示。由圖8可知：(1) 在N2稀釋條件下，雖然NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著稀釋率的增大而持續(xù)降低，但是當(dāng)稀釋率D>0.3時(shí)，稀釋率增大對(duì)降低火焰峰值溫度的效果明顯加強(qiáng)，而對(duì)降低NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效果明顯減弱，直到稀釋率D=0.5時(shí)才使得NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到較低水平，因此當(dāng)N2稀釋時(shí)的稀釋率D=0.5時(shí)才能在火焰峰值溫度(1 945 K)接近中等水平的情況下使得NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)(24 mg/kg)處于較低水平；(2) 當(dāng)CO2稀釋時(shí)的稀釋率D>0.2時(shí)，稀釋率增大對(duì)降低NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效果減弱，而對(duì)火焰峰值溫度的降低效果加強(qiáng)，因此稀釋率D=0.3時(shí)就能夠在火焰峰值溫度(2 053 K)處于中等水平的情況下使得NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)(39 mg/kg)處于較低水平。

(a) N2稀釋下的火焰峰值溫度降幅和NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅

(b) CO2稀釋下的火焰峰值溫度降幅和NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅圖8 不同稀釋條件下火焰峰值溫度降幅和NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅的變化Fig.8 Peak temperature drop and NO peak mass fraction dropunder different dilution conditions

4 結(jié) 論

(1) 2種稀釋劑(N2、CO2)均能有效降低氫氣-空氣湍流擴(kuò)散燃燒的火焰溫度，進(jìn)而降低了熱力型NO生成量；隨著稀釋率的增大，火焰峰值溫度所在位置前移，有利于抑制熱力型NO的生成。

(2) NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著火焰峰值溫度的升高而上升?；鹧娣逯禍囟鹊陀? 000 K時(shí)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；火焰峰值溫度為2 000～2 300 K時(shí)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著火焰峰值溫度的升高而緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)火焰峰值溫度高于2 300 K時(shí)，NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速上升。

(3) 稀釋劑CO2在抑制氫氣-空氣同軸射流湍流擴(kuò)散燃燒的火焰峰值溫度和降低NO生成的效果方面優(yōu)于稀釋劑N2。

(4) 稀釋劑N2和CO2對(duì)氫氣-空氣同軸射流湍流擴(kuò)散燃燒的火焰峰值溫度和NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響都是非線性的；隨著稀釋率的增大，稀釋劑降低火焰峰值溫度的效果明顯增強(qiáng)，而抑制NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效果逐漸減弱。

(5) 當(dāng)稀釋劑為N2、稀釋率為0.5，或稀釋劑為CO2、稀釋率為0.3時(shí)，能在中等水平的火焰峰值溫度情況下使NO峰值質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，有利于實(shí)現(xiàn)氫氣的高效低污染燃燒。