席中亞， 付忠廣

(華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心， 北京 102206)

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒產(chǎn)生的污染物主要為NOx(其中NO通常占95%以上)，對于日趨嚴(yán)格的環(huán)保規(guī)定，降低NO排放迫在眉睫。貧預(yù)混燃燒方法[1]因較低的燃燒溫度而在降低NO方面獲得了廣泛應(yīng)用，該方法先將燃料與過量空氣預(yù)混形成貧態(tài)可燃物，再進(jìn)入燃燒室燃燒，從而獲得較低的燃燒溫度，因此熱力型NO[2]的生成較少。同時(shí)在燃燒器設(shè)計(jì)方面，由于燃燒所產(chǎn)生的回流區(qū)在穩(wěn)定火焰和增強(qiáng)新鮮未燃物與高溫?zé)煔獾幕旌仙掀鸬街匾饔肹3]，旋流燃燒器得到了廣泛使用。

為了提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室須在高溫高壓的工況下運(yùn)行，當(dāng)前F級重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗貫? 430 ℃，壓氣機(jī)壓比達(dá)到17～30[4]。但由于測量手段的限制，在高壓工況下對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究受到了阻礙[5]，且研究所需成本高、周期長。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值預(yù)測以較低的成本和較短的時(shí)間，為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒特性及污染物排放的研究提供了有效的手段[6]。

Lu等[7]指出了化學(xué)機(jī)理對反應(yīng)模擬研究的重要性，不合適或不充分的反應(yīng)機(jī)理會產(chǎn)生不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的結(jié)果，過于復(fù)雜的機(jī)理不利于計(jì)算機(jī)求解，過于簡單的機(jī)理會使計(jì)算失去準(zhǔn)確性。GRI3.0機(jī)理[8]由美國伯克利大學(xué)的Smith等提出，其包含53種組分及325步反應(yīng)，該機(jī)理被普遍認(rèn)為是甲烷燃燒計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)理，其中考慮了壓力對化學(xué)反應(yīng)的影響，計(jì)算量相對較大。為了節(jié)省計(jì)算成本，Karalus等[9]對GRI3.0機(jī)理進(jìn)行簡化，發(fā)展了骨架機(jī)理Skeletal mech，旨在用于預(yù)測燃?xì)廨啓C(jī)在高壓及貧預(yù)混工況下甲烷燃燒所產(chǎn)生的NOx，該機(jī)理包含30種組分及177步反應(yīng)，其中甲烷氧化反應(yīng)含有22個(gè)組分和122步反應(yīng)，其余的8個(gè)組分和55步反應(yīng)用于描述NOx的形成，考慮了壓力對化學(xué)反應(yīng)的影響。同時(shí)，Novosselov等[10]提出了8步反應(yīng)機(jī)理8-steps mech，同樣是為了預(yù)測燃?xì)廨啓C(jī)在高壓及貧預(yù)混工況下甲烷燃燒所生成的NO，該機(jī)理包括7種組分和8步化學(xué)反應(yīng)，其中有3步為甲烷燃燒的總包反應(yīng)，另外5步為各種途徑的NO生成反應(yīng)，壓力對化學(xué)反應(yīng)的影響通過將壓力引入化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算公式而實(shí)現(xiàn)。

近年來，一些學(xué)者[11-12]提出并證實(shí)了新的快速型NO的生成反應(yīng)，他們以新的反應(yīng)CH+N2=NCN+H取代了原先著名的由Fenimore[13]提出的反應(yīng)CH+N2=HCN+N，新反應(yīng)的快速型NO子機(jī)理取得了發(fā)展[14-16]。其中，Lamoureux等[16]提出的修正機(jī)理GRI3.0_modify，將原先GRI3.0的快速型子機(jī)理中的反應(yīng)CH+N2=HCN+N和CH+N2(+M)=HCNN(+M)替換成CH+N2=NCN+H，同時(shí)添加了NCN的消耗反應(yīng)：

NCN+H=HCN+N

(1)

NCN+O=CN+NO

(2)

NCN+OH=HCN+NO

(3)

NCN+O2=NO+NCO

(4)

Pillier等[17]通過Chemkin軟件計(jì)算及實(shí)驗(yàn)得出，由Lamoureux等提出的修正機(jī)理GRI3.0_modify能在高壓下預(yù)測NO的形成。然而Chemkin反應(yīng)器并不能像CFD一樣揭示NO的形成地點(diǎn)及過程。CFD中的渦耗散概念模型(EDC)適用于詳細(xì)化學(xué)機(jī)理的計(jì)算，F(xiàn)ukumoto等[18]指出EDC模型能夠準(zhǔn)確模擬燃燒的火焰結(jié)構(gòu)。

筆者結(jié)合已提出的4個(gè)高壓燃燒機(jī)理，采用CFD對美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室NETL的SimVal燃?xì)廨啓C(jī)燃燒實(shí)驗(yàn)臺的高壓燃燒實(shí)驗(yàn)[19]進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算NO排放。通過分析溫度場、NO生成率分布和NO摩爾分?jǐn)?shù)分布，揭示NO形成地點(diǎn)及過程；將出口NO體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，揭示每個(gè)機(jī)理的計(jì)算效果和準(zhǔn)確性，為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在實(shí)際高壓工況下運(yùn)行的NO排放預(yù)測提供參考。

1 計(jì)算對象及數(shù)值模型

1.1 計(jì)算對象

以NETL的SimVal燃?xì)廨啓C(jī)高壓燃燒實(shí)驗(yàn)臺[19]為研究對象，該實(shí)驗(yàn)臺如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)為預(yù)混段、噴嘴、燃燒室和乏氣段，空氣和燃料在圓環(huán)形的預(yù)混段內(nèi)充分混合，經(jīng)過旋流器后在噴嘴內(nèi)形成旋流可燃物后進(jìn)入圓柱形燃燒室燃燒，經(jīng)末尾帶有卡口的圓柱形乏氣段流出，在乏氣段出口處測量NO的生成量。

圖1 NETL-SimVal燃?xì)廨啓C(jī)高壓燃燒實(shí)驗(yàn)臺

1.2 數(shù)值模型

采用Fluent數(shù)值計(jì)算軟件，CFD幾何模型為二維軸對稱模型，如圖2所示。網(wǎng)格單元均為四邊形，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)為9 500，由于過密未在圖2中顯示。

圖2 CFD幾何模型

入口設(shè)置在燃燒室入口表面上游5 cm處，旋流采用邊界條件的設(shè)置取代旋流器，旋流角為56°，來源于Strakey等[20]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。CFD計(jì)算燃料為甲烷，當(dāng)量比為0.55，燃燒室絕對壓力為0.62 MPa，入口邊界條件為質(zhì)量流量入口，溫度為550 K，質(zhì)量流量為0.385 kg/s，出口邊界條件為壓力出口。壁面采用絕熱邊界近似處理，與實(shí)際散熱的誤差在合理范圍內(nèi)。軸線為整個(gè)圓柱形區(qū)域的中心軸。2D模型選為軸對稱旋流模型，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，混合物的密度設(shè)置為理想氣體模型，湍流化學(xué)相互作用模型為渦耗散概念模型，反應(yīng)機(jī)理分別為上文所提及的GRI3.0、Skeletal mech、8-steps mech和GRI3.0_modify。壓力速度耦合采用Simple算法，物理量空間離散采用二階迎風(fēng)，以保證精度。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 流場

各反應(yīng)機(jī)理的流場相似，旋流流場如圖3所示。圖3中，流場發(fā)生渦破碎形成內(nèi)部回流區(qū)(Inner Recirculation Zone, IRZ)，具體過程為：由于離心力的作用，旋流產(chǎn)生徑向壓力梯度；切向速度沿軸向膨脹并衰減，因此在軸線附近形成負(fù)的軸向壓力梯度，從而引起反向流，形成內(nèi)部回流區(qū)，即云圖中軸向速度小于0的區(qū)域。同時(shí)，由于噴嘴出口界面的突擴(kuò)作用，在邊角處形成外部回流區(qū)(Outer Recirculation Zone, ORZ)?；亓鲄^(qū)的形成在穩(wěn)定火焰、增強(qiáng)新鮮可燃物和高溫?zé)煔獾幕旌戏矫嫫鸬搅酥匾饔谩?/p>

圖3 旋流流場

2.2 溫度場

各反應(yīng)機(jī)理的溫度場如圖4所示，其中4個(gè)反應(yīng)機(jī)理的溫度分布相似。從圖4可以看出，高溫區(qū)域均位于外部回流區(qū)和中心體處的微小區(qū)域，高溫區(qū)域溫度水平在1 812～1 842 K。反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech和其修正機(jī)理GRI3.0_modify的溫度場基本一致，三者計(jì)算域平均溫度分別為1 715 K、1 722 K和1 715 K，可見GRI3.0的平均溫度水平相對于Skeletal mech稍低，與GRI3.0_modify相同；而8-steps mech的高溫區(qū)域形狀則與其他機(jī)理存在差別，其計(jì)算域平均溫度為1 743 K，明顯高于其他3個(gè)反應(yīng)機(jī)理，同時(shí)可推測其火焰長度明顯更短。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

圖4 溫度場

Fig.4 Temperature fields

2.3 NO生成率分布

各反應(yīng)機(jī)理的NO生成率分布如圖5所示。從圖5可以看出，各反應(yīng)機(jī)理對應(yīng)的高NO生成率均出現(xiàn)在火焰表面，說明4個(gè)反應(yīng)機(jī)理的NO形成地點(diǎn)均主要在火焰表面。外部回流區(qū)高溫區(qū)域的NO生成率比火焰表面低得多，而火焰表面的溫度則明顯低于該區(qū)域，說明火焰表面由溫度引起的NO生成率(即熱力型NO)極低?；鹧鏈囟染? 800 K及以下，熱力型NO的形成很少[21]。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

圖5 NO生成率分布

Fig.5 Distribution of NO production rate

NO的生成途徑主要有熱力型、快速型、N2O型、NNH型和燃料型等。由于本文的燃料甲烷沒有N元素，故沒有燃料型NO的生成，熱力型NO的生成也很少，故4個(gè)反應(yīng)機(jī)理的NO來源主要為快速型、N2O型和NNH型。這與Fackler等[22]的研究結(jié)論一致。

反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech的NO生成率分布基本一致，說明Skeletal mech很好地預(yù)測了GRI3.0的NO生成。而修正機(jī)理GRI3.0_modify在相同位置的快速型NO生成率比GRI3.0和Skeletal mech明顯要高。8-steps mech在相同位置的NO生成率則明顯低于其他反應(yīng)機(jī)理。

2.4 NO摩爾分?jǐn)?shù)分布

各反應(yīng)機(jī)理的NO摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖6所示。從圖6可以看出，4個(gè)反應(yīng)機(jī)理高摩爾分?jǐn)?shù)NO的區(qū)域相同，都位于火焰表面及高溫區(qū)域(外部回流區(qū)和中心體處的微小區(qū)域)，NO的形成過程為：燃料進(jìn)入燃燒室燃燒，在火焰表面形成了高摩爾分?jǐn)?shù)的NO，然后回流至高溫區(qū)域，在高溫區(qū)域的回流過程中，NO的摩爾分?jǐn)?shù)得到了少量增加，約在0.4×10-6以內(nèi)，可見絕大部分的NO來源于火焰表面，這與上述對NO生成率的分析結(jié)論一致。

(a)GRI3.0(b)Skeletalmech(c)8-stepsmech(d)GRI3.0_modify

圖6 NO摩爾分?jǐn)?shù)分布

Fig.6 Distribution of NO mole fraction

反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與Skeletal mech的NO摩爾分?jǐn)?shù)分布基本一致，Skeletal mech很好地再現(xiàn)了GRI3.0的NO摩爾分?jǐn)?shù)分布；而GRI3.0_modify在相同位置的NO摩爾分?jǐn)?shù)比GRI3.0和Skeletal mech明顯要高；8-steps mech在相同位置的NO摩爾分?jǐn)?shù)明顯低于其他反應(yīng)機(jī)理，分布結(jié)果均與NO生成率分布一致。

2.5 出口NO體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較

將CFD計(jì)算得到的出口NO體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成干基及15%O2體積分?jǐn)?shù)下的值，以對應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。得到的反應(yīng)機(jī)理出口NO體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值[19]如表1所示。

表1 出口NO體積分?jǐn)?shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對比

考慮到實(shí)驗(yàn)存在的不確定性及計(jì)算采用甲烷代替實(shí)驗(yàn)用的天然氣等因素，GRI3.0及其簡化機(jī)理Skeletal mech和修正機(jī)理GRI3.0_modify均對出口NO體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測，這3個(gè)反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較接近，分別相差25%、26%和16%；GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech的計(jì)算值基本一致，Skeletal mech在更少的計(jì)算時(shí)間(GRI3.0的一半)內(nèi)很好地再現(xiàn)了GRI3.0對NO排放的預(yù)測，這與對NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布的分析結(jié)論一致；而GRI3.0_modify的出口NO體積分?jǐn)?shù)則高于GRI3.0和Skeletal mech的計(jì)算值，這同樣與NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布的分析結(jié)論一致，并且GRI3.0_modify的計(jì)算值更接近實(shí)驗(yàn)值，在相同的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，GRI3.0_modify通過改變原機(jī)理中的快速型NO子機(jī)理而提高了預(yù)測NO排放的準(zhǔn)確度，計(jì)算值增加了0.23×10-6，準(zhǔn)確度提高了9%。而8-steps mech的計(jì)算結(jié)果則與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，相差約50%。

3 結(jié) 論

(1) 反應(yīng)機(jī)理GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech和修正機(jī)理GRI3.0_modify的溫度場基本一致；而8-steps mech 的計(jì)算域平均溫度明顯高于其他反應(yīng)機(jī)理，同時(shí)其火焰長度明顯更短。4個(gè)反應(yīng)機(jī)理的NO生成地點(diǎn)主要在火焰表面；熱力型NO生成很少，NO來源主要為快速型、N2O型及NNH型。

(2) GRI3.0與其簡化機(jī)理Skeletal mech的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布基本一致，Skeletal mech很好地預(yù)測了GRI3.0的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)分布；而GRI3.0_modify在相同位置的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)比GRI3.0和Skeletal mech明顯要高；8-steps mech在相同位置的NO生成率及摩爾分?jǐn)?shù)則明顯低于其他反應(yīng)機(jī)理。

(3) GRI3.0及其簡化機(jī)理Skeletal mech和修正機(jī)理GRI3.0_modify均對出口NO體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測，這3個(gè)反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較接近，分別相差25%、26%和16%；而Skeletal mech在更少的計(jì)算時(shí)間內(nèi)再現(xiàn)了GRI3.0對NO排放的預(yù)測；與GRI3.0相比，在相同的計(jì)算時(shí)間內(nèi)GRI3.0_modify提高了預(yù)測NO排放的準(zhǔn)確度，計(jì)算值增加了0.23×10-6，準(zhǔn)確度提高了9%；8-steps mech的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，相差約50%。

：

[1] 清華大學(xué)熱能工程系動力機(jī)械與工程研究所, 深圳南山熱電股份有限公司. 燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007: 124-135.

[2] ZELDOVICH J. The oxidation of nitrogen in combustion and explosions[J].EuropeanPhysicalJournalA.HadronsandNuclei, 1946, 21: 577-628.

[3] LEFEBVRE A H, BALLAL D R. Gas turbine combustion[M]. 3rd ed. New York: CRC Press, 2010: 140-141.

[4] 蔣洪德. 加速推進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)核心技術(shù)研究開發(fā)和國產(chǎn)化[J].動力工程學(xué)報(bào), 2011, 31(8): 563-566.

JIANG Hongde. Promote heavy duty gas turbine core technology development and industrial application in China[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2011, 31(8): 563-566.

[5] GOMEZ-RAMIREZ D, KEDUKODI S, GADIRAJU S, et al. Gas turbine combustor rig development and initial observations at cold and reacting flow conditions[C]//ASMETurboExpo2016:TurbomachineryTechnicalConferenceandExposition. Seoul, South Korea: ASME, 2016.

[6] 王翰林, 雷福林, 邵衛(wèi)衛(wèi), 等. 合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(6): 1429-1435.

WANG Hanlin, LEI Fulin, SHAO Weiwei, et al. Screening and modification of CFD models for syngas turbine combustor[J].ProceedingsoftheCSEE, 2015, 35(6): 1429-1435.

[7] LU Tianfeng, LAW C K. Toward accommodating realistic fuel chemistry in large-scale computations[J].ProgressinEnergyandCombustionScience, 2009, 35(2): 192-215.

[8] FRENKLACH M, BOWMAN T, SMITH G. GRI-Mech 3.0[EB/OL]. [1999-07-30].http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/.

[9] KARALUS M F, FACKLER K B, NOVOSSELOV I V, et al. A skeletal mechanism for the reactive flow simulation of methane combustion[C]//ASMETurboExpo2013:TurbineTechnicalConferenceandExposition. San Antonio, Texas, USA: ASME, 2013.

[10] NOVOSSELOV I V, MALTE P C. Development and application of an eight-step global mechanism for CFD and CRN simulations of lean-premixed combustors[J].JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower, 2008, 130(2): 021502.

[11] MOSKALEVA L V, LIN M C. The spin-conserved reaction CH+N2→H+NCN: a major pathway to prompt no studied by quantum/statistical theory calculations and kinetic modeling of rate constant[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute, 2000, 28(2): 2393-2401.

[12] VASUDEVAN V, HANSON R K, BOWMAN C T, et al. Shock tube study of the reaction of CH with N2: overall rate and branching ratio[J].JournalofPhysicalChemistryA, 2007, 111(46): 11818-11830.

[13] FENIMORE C P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames[J].Symposium(International)onCombustion, 1971, 13(1): 373-380.

[14] WILLIAMS B A, SUTTON J A, FLEMING J W. The role of methylene in prompt NO formation[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute, 2009, 32(1): 343-350.

[15] KONNOV A A. Implementation of the NCN pathway of prompt-NO formation in the detailed reaction mechanism[J].CombustionandFlame, 2009, 156(11): 2093-2105.

[16] LAMOUREUX N, EL MERHUBI H, GASNOT L, et al. Measurements and modelling of HCN and CN species profiles in laminar CH4/O2/N2low pressure flames using LIF/CRDS techniques[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute, 2015, 35(1): 745-752.

[17] PILLIER L, IDIR M, MOLET J, et al. Experimental study and modelling of NOxformation in high pressure counter-flow premixed CH4/air flames[J].Fuel, 2015, 150: 394-407.

[18] FUKUMOTO K, OGAMI Y. Combustion simulation technique for reducing chemical mechanisms using look-up table of chemical equilibrium calculations: application to CO-H2-air turbulent non-premixed flame[J].Computers&Fluids, 2012, 66: 98-106.

[19] SIDWELL T, CASLETON K, STRAUB D, et al. Development and operation of a pressurized optically-accessible research combustor for simulation validation and fuel variability studies[C]//ASMETurboExpo2005:PowerforLand,Sea,andAir. Reno, Nevada, USA: ASME, 2005.

[20] STRAKEY P A, YIP M J. Experimental and numerical investigation of a swirl stabilized premixed combustor under cold-flow conditions[J].JournalofFluidsEngineering, 2007, 129(7): 942-953.

[21] 岑可法, 姚強(qiáng), 駱仲泱, 等. 燃燒理論與污染控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 414-415.

[22] FACKLER K B, KARALUS M F, NOVOSSELOV I V, et al. Experimental and numerical study of NOxformation from the lean premixed combustion of CH4mixed with CO2and N2[C]//ASME2011TurboExpo:TurbineTechnicalConferenceandExposition. Vancouver, Canada: ASME, 2011.