張引弟，孫敏，齊立典，王珂，辛玥

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100 2.中國(guó)石化勝利油田分公司工程建設(shè)管理部，山東 東營(yíng) 257000

節(jié)能減排是我國(guó)目前化石能源應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。采取有效措施降低燃燒污染物的排放，對(duì)保護(hù)人類(lèi)身體健康和生態(tài)環(huán)境有重要意義。加濕燃燒技術(shù)是指燃燒時(shí)在燃料或氧化劑中注入水或水蒸氣的新型燃燒技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)燃料加濕燃燒的研究主要以甲烷、乙烷為主，主要針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)燃燒和室內(nèi)濕空氣燃燒。SEBASTIAN等[1]研究了干燥和加濕蒸氣條件下的天然氣擴(kuò)散燃燒特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)比分析得出加濕會(huì)減小火焰鋒面、抑制氮化合物濃度。ODI等[2]研究了CCS與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的結(jié)合技術(shù)，將氧化劑氛圍由空氣替換成了CO2-氬氣-蒸汽-氧氣(CARSOXY)，結(jié)果表明加濕燃燒可有效提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率。葛冰等[3]進(jìn)行了加濕回流湍流擴(kuò)散燃燒流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加濕燃燒使燃燒時(shí)的溫度分布更加均勻，能明顯降低火焰溫度，使NO的排放大大降低，同時(shí)也會(huì)改變?nèi)紵械幕瘜W(xué)反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)過(guò)程，使火焰燃燒流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。在應(yīng)用研究方面，陳衛(wèi)杰[4]在天然氣鍋爐高效工作低氮氧化物柔和燃燒器的研究中采用熱水對(duì)空氣進(jìn)行加濕，發(fā)現(xiàn)加濕可以降低爐膛內(nèi)峰值火焰溫度，降低NOx的排放，并且用熱水加濕效果比常溫加濕效果好。任昕等[5]在提出的天然氣富氧加濕及煙氣置換NGH聯(lián)產(chǎn)方案中，通過(guò)調(diào)整水蒸氣的預(yù)混比達(dá)到了提升燃燒效率、降低污染物排放的目的。李建剛等[6]、李春保等[7]著眼于燃燒鍋爐的優(yōu)化，分別研究了加濕和不同海拔對(duì)鍋爐性質(zhì)的影響，驗(yàn)證了加濕燃燒應(yīng)用于燃?xì)忮仩t的可行性。但是目前大部分研究對(duì)空氣加濕燃燒使CO的排放是否增多或降低沒(méi)有明確結(jié)論。并且國(guó)內(nèi)外在燃料點(diǎn)火特性和可燃極限上研究較少，且研究燃料單一。為此，筆者開(kāi)展了不同于以往的燃料對(duì)乙烯加濕燃燒特性的研究，模擬得出燃料加濕可以減少碳煙和氮氧化物的生成，在達(dá)到減少污染物排放目的的同時(shí)工業(yè)應(yīng)用成本也較低，技術(shù)難度較小。以小型圓筒形燃燒器為研究對(duì)象，借助FLUENT軟件，采用小火焰燃燒模型和乙烯單步燃燒機(jī)理對(duì)常規(guī)空氣氛圍下、不同加濕率條件下的乙烯燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬過(guò)程中保持乙烯與氧化劑流量不變，通過(guò)改變?nèi)剂系乃魵饽柗謹(jǐn)?shù)來(lái)研究加濕率對(duì)火焰溫度、燃燒速度、碳煙以及氮氧化物排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

1 模型建立與數(shù)值模擬方法選擇

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

圖1 圓筒燃燒器模型半剖示意Fig.1 The half-sectioned schematic diagram of cylinder burner model

圖2 網(wǎng)格劃分示意Fig.2 The schematic diagram of grid division

模型采用的是圓筒燃燒器，其簡(jiǎn)化外形與尺寸如圖1所示。燃燒器的燃燒半徑R=0.225m，軸向距離L=2m，加濕乙烯從小孔半徑r=0.005m的入口處流入燃燒器。

采用Gambit軟件對(duì)整個(gè)求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。因?yàn)榍蠼鈪^(qū)域數(shù)據(jù)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，所以使用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以大大提升計(jì)算速率和生成質(zhì)量，即為較理想的網(wǎng)格劃分形式。網(wǎng)格整體呈現(xiàn)漸變型，表示氣體沿軸向流動(dòng)方向由密集逐漸變得稀疏。由于在氣體進(jìn)口、外墻附近，燃燒器內(nèi)部會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，所以在上述區(qū)域加密網(wǎng)格的劃分，在其他區(qū)域相對(duì)稀疏，最后共劃分了10443個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格、10220個(gè)網(wǎng)格單元。

1.2 數(shù)值模擬方法選擇

湍流流動(dòng)模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[8]，湍流燃燒模型選擇通用有限速率模型，輻射換熱模型選擇P-1模型，氮氧化物生成的數(shù)學(xué)模型選擇概率密度函數(shù)(PDF)模型，其輸運(yùn)方程見(jiàn)式(1)：

(1)

碳煙生成模型選擇單步Khan and Greeves模型[9]，表達(dá)式見(jiàn)式(2)：

(2)

圖3 軸向溫度分布對(duì)比Fig.3 The comparison of axial temperature distribution

式中：ρsoot為碳煙的密度，kg/m3；wsoot為碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；prsoot為碳煙普朗特?cái)?shù)，1；Rsoot為碳煙成形凈速率,kg/(m2·s);μt為黏性系數(shù)，kg/(m·s)。

氣相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用乙烯燃燒的單步簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理。求解計(jì)算時(shí)，采用分離式求解器、隱式格式、有限體積法、SIMPLE算法。

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證該模型的可靠性，使用文獻(xiàn)[10]相同工況(燃料：CH4，流速70m/s；氧化劑：空氣，流速0.6m/s)進(jìn)行模擬，并對(duì)比二者軸向溫度分布情況，結(jié)果如圖3所示。該模型軸向溫度分布規(guī)律與文獻(xiàn)基本符合，最大誤差為12.9%，在工程允許范圍內(nèi)，故該模型可靠性得以保證。

2 工況與邊界條件

2.1 工況設(shè)計(jì)

氧化劑為常溫空氣，流速為0.5m/s，保持乙烯流量不變，控制過(guò)氧系數(shù)恒定，調(diào)節(jié)燃料的加濕率與流速，工況設(shè)置如表1所示。加濕率α計(jì)算式如下：

(3)

式中：α為加濕率，%;n(C2H4)為燃料中C2H4摩爾分?jǐn)?shù)，1；n(H2O)為燃料中水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)，1。

2.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件的設(shè)置如表2所示，燃料乙烯、空氣入口與燃燒反應(yīng)出口邊界設(shè)置為常溫300K，設(shè)置壁面為絕熱條件，壁溫設(shè)定為300K。

表1 工況設(shè)置

表2 邊界條件設(shè)置

3 模擬結(jié)果

3.1 火焰形狀與燃燒溫度

燃燒時(shí)火焰溫度較高會(huì)損害鍋爐質(zhì)量。不同加濕率下的溫度分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，燃燒時(shí)溫度沿軸向逐漸增大，高溫區(qū)域面積逐減少，反應(yīng)溫度隨加濕率增大而降低。由于空氣加濕燃燒的燃燒中心軸向速度比不加濕燃燒的大，回流區(qū)縮短，回流強(qiáng)度減弱[11]，因此燃燒時(shí)加濕空氣火焰的內(nèi)部流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)以及傳熱傳質(zhì)過(guò)程都發(fā)生了復(fù)雜的變化，致使火焰溫度降低。

圖5為不同加濕率下溫度沿軸向變化的對(duì)比圖，可以看出，當(dāng)加濕率為0%時(shí)，反應(yīng)的最高溫度最大且無(wú)下降趨勢(shì)；隨著加濕率增大,溫度下降趨勢(shì)增大,尤其在軸向距離靠近2m處，溫度急劇降低，說(shuō)明加濕率越大溫度越低。由此可以得出如下結(jié)論：乙烯在空氣加濕燃燒時(shí)可以有效降低燃燒時(shí)的火焰溫度。

圖4 不同加濕率下的溫度分布云圖 圖5 不同加濕率下的溫度軸向分布Fig.4 Cloud pictures of temperature distribution under different humidification rates Fig.5 Axial temperature distribution under different humidification rates

3.2 燃燒速率

燃燒速率指的是單位時(shí)間內(nèi)燃料的消耗速率，燃燒速率取決于可燃物與氧的化學(xué)反應(yīng)速度，以及氧和可燃物的接觸混合速度。由圖6不同加濕率下乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向分布可以看出,加濕率越大乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，反應(yīng)可燃物乙烯燃燒消耗越大，化學(xué)反應(yīng)速度越大。由圖7不同加濕率下流體運(yùn)動(dòng)速度軸向分布可以看出,加濕率增大流體運(yùn)動(dòng)速度增大，氧與可燃物乙烯的接觸混合速度增加，物理混合速度增加。由此得出結(jié)論：加濕率增加，乙烯燃燒速率加快。

圖6 不同加濕率下乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向分布 圖7 不同加濕率下流體運(yùn)動(dòng)速度軸向分布Fig.6 Axial distribution of ethylene mass fraction under different humidification rates Fig.7 Axial distribution of fluid motion velocity under different humidification rates

3.3 碳煙生成與排放

乙烯燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的碳煙，所謂碳煙是乙烯不完全燃燒產(chǎn)生的細(xì)微粉末和一部分二氧化碳，碳煙嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量并會(huì)對(duì)人類(lèi)身體健康造成危害。通過(guò)模擬，由圖8碳煙排放云圖對(duì)比可以看出加濕率越大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的區(qū)面積越大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的區(qū)面積隨著加濕率增加幾乎消失；在靠近出口處，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的區(qū)域面積逐漸增大，當(dāng)加濕率達(dá)到40%時(shí)，排放的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎下降到0.1以下。由圖9不同加濕率下碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比可以看出：①在加濕情況下沿著軸向線(xiàn)碳煙排放先增加后減少，在無(wú)加濕情況下，碳煙生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)只增不減；②隨著加濕率的增加，碳煙的軸向生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。由圖10出口截面碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以看出，隨著加濕率增加,出口截面碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少。由此得出加濕可以有效降低碳煙排放，且加濕率增大碳煙排放降低明顯。分析其原因，加濕導(dǎo)致火焰溫度降低會(huì)抑制碳煙的成核和生長(zhǎng)[12]，致使碳煙排放降低。加濕對(duì)碳煙的抑制主要體現(xiàn)在3個(gè)方面[13]：①加濕使—OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，增加碳煙的氧化速率，同時(shí)降低—H自由基質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而抑制脫氫反應(yīng)；②碳煙和水蒸汽會(huì)發(fā)生水煤氣反應(yīng)，抑制了碳煙的產(chǎn)生；③加濕使不同區(qū)域O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,加快了碳煙的氧化。因此，無(wú)論從加濕引起的O2濃度變化、火焰溫度變化，還是—H、—OH自由基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化來(lái)看，加濕均降低了碳煙的生成速率和碳煙的排放。

圖8 不同加濕率下碳煙排放云圖對(duì)比 圖9 不同加濕率下碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向分布Fig.8 Comparison of cloud pictures of soot emission under different humidification rates Fig.9 Axial distribution of soot emission mass fraction under different humidification rates

圖10 出口截面碳煙排放平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨加濕率的變化 圖11 不同加濕率下出口截面NO平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.10 Variation of soot emission mass fraction with humidification rates at the outlet section Fig.11 The average mass fraction of NO outlet section under different humidification rates

3.4 氮氧化物生成與排放

只由氮和氧組成的化合物稱(chēng)為氮氧化物。常見(jiàn)的氮氧化物有NO、NO2、N2O、N2O5等，其中NO、NO2是污染空氣的主要氮氧化物，化石燃燒產(chǎn)生大量的氮氧化物是污染空氣、形成酸雨中硝酸的重要物質(zhì)，也是形成大氣中光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)和消耗O3的一個(gè)重要因子。筆者研究工況的燃料、氧化劑中均不含N元素，但空氣中的N2在高溫下易與O2反應(yīng)生成氮氧化物，以熱力型NO為主。由圖11可以看出隨著加濕率增加NO出口截面平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。這是由于加濕會(huì)降低燃燒溫度，而高溫是熱力型NO形成的關(guān)鍵因素[14]。故加濕會(huì)減少氮氧化物的排放。

3.5 最佳加濕率的確定

通過(guò)以上模擬可以看出，隨著加濕率的增大，燃料的燃燒速率增大，燃燒溫度降低，氮氧化物生成量降低，碳煙排放減少，說(shuō)明加濕燃燒能提高燃燒效率、減少污染物排放。然而鍋爐燃燒時(shí)，有水壁面受熱不均會(huì)影響正常燃燒[15]，水蒸氣從湍流火焰回流區(qū)的大小和形狀兩方面影響火焰的穩(wěn)定性，所以加濕同樣會(huì)對(duì)燃燒器的穩(wěn)定工作造成影響，且碳煙排放在加濕率超過(guò)30%后趨于穩(wěn)定。為了保障燃燒器工作的安全性，加濕不宜過(guò)多。綜合考慮取加濕率30%為最佳。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)乙烯燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用FLUENT軟件模擬了加濕率α為0%、10%、20%、30%、40%工況下乙烯在空氣中的燃燒，分析對(duì)比了乙烯在不同加濕率下燃燒溫度、燃燒速率、氮氧化物和碳煙排放的變化，結(jié)合節(jié)能環(huán)保與工業(yè)的安全應(yīng)用，得出結(jié)論如下：

1)不同加濕率下乙烯燃燒的火焰溫度有明顯變化，隨著加濕率的增加，乙烯燃燒的火焰溫度明顯下降，流體的流動(dòng)速率增加，燃料的燃燒速率增大。

2)隨著加濕率增加，碳煙的排放明顯降低，在加濕率0%～30%之間影響尤為明顯，超過(guò)30%后碳煙排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。

3)隨著加濕率增加，能有效降低火焰溫度，從而抑制熱力型NO的生成，使得出口截面的氮氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，燃燒排放的氮氧化物減少。綜合考慮燃燒的清潔環(huán)保與工業(yè)的安全應(yīng)用，提出最佳加濕率為30%。