張井坤, 杜勇博, 于吉明, 劉雪敏, 鄧 磊,車得福, 笪耀東

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院,動力工程多相流國家重點實驗室,西安 710049;2.中國特種設備檢測研究院,北京 100029)

我國高海拔地區(qū)眾多,其中海拔超過2 000 m的地區(qū)占全國總面積的30%左右。隨著高海拔地區(qū)國民生活與經(jīng)濟水平的快速提升,燃氣灶、燃氣熱水器與燃氣鍋爐等燃氣設備數(shù)量急劇增加[1]。但高海拔低氣壓、低含氧量的環(huán)境特征導致燃氣設備普遍出現(xiàn)過高的CO排放問題,嚴重影響燃燒效率[2-4]。此外,高海拔地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,這也對NOx減排提出更高的要求。

目前已有一些學者開展低氣壓條件下天然氣燃燒CO和NOx排放特性研究。Zhou等[3]對同一臺燃氣灶在合肥與拉薩開展對比測試,發(fā)現(xiàn)拉薩地區(qū)氣壓降低,導致單位體積空氣氧質量降低,燃氣缺氧燃燒生成更多的CO。吳亢[5]在拉薩和重慶對同一臺天然氣灶具進行的實驗測試研究中也得到相同的結論。但以上學者均從宏觀實驗的角度去分析CO排放總量的變化趨勢,并未見相關學者從反應動力學角度去詳細分析氣壓降低對CO的生成與消耗關鍵反應的影響。Kim等[6]通過實驗研究了不同氣壓條件下甲烷預混燃燒特性,發(fā)現(xiàn)氣壓降低導致火焰溫度降低,進一步使NOx排放降低。曾永攀[7]在拉薩和重慶對燃氣壁掛爐開展對比測試,發(fā)現(xiàn)相比重慶地區(qū),拉薩地區(qū)壁掛爐煙氣中NO含量降低了25%左右。也有學者使用數(shù)值模擬方法來研究氮氧化物排放特性以及化學反應動力學[8]。董剛等[9]采用簡化的79機理模擬了不同當量比(0.8～1.2)下低壓(3.95 kPa) CH4/O2/N2預混火焰中NO摩爾分數(shù)分布,但在不同當量比條件下NO摩爾分數(shù)預測值與實驗值有較大偏差。Van Essen等[10-11]通過實驗和Chemkin數(shù)值模擬的方法研究低壓條件下甲烷貧氧預混燃燒特性,發(fā)現(xiàn)GRI Mech 3.0預測的NO摩爾分數(shù)高出實驗值的50%,但溫度和OH摩爾分數(shù)的預測值與實驗值吻合較好。Lamoureux等[12]對低壓(5.3 kPa)CH4/O2/N2火焰中CN、HCN和NO的摩爾分數(shù)分布進行了測量,發(fā)現(xiàn)甲烷燃燒詳細機理Konnov0.6對CN、HCN和NO摩爾分數(shù)的預測值與實驗值的吻合程度要優(yōu)于GRI Mech 3.0。然而這些化學反應動力學研究多是在10 kPa以下,且主要研究內容為燃燒機理的測試與修正。而我國高海拔地區(qū)的燃氣設備多處于在60～101 kPa條件下。同時,不同低氣壓條件下NO生成機理的對比研究還很缺乏,氣壓降低對NO生成路徑的影響以及基元反應的敏感性分析還有待補充。

輻射計算是甲烷預混燃燒模擬的關鍵,其關系到對溫度、CO與NO濃度的準確預測。而普朗克平均吸收系數(shù)的計算又是輻射計算的核心。目前,輻射計算中普朗克氣體平均吸收系數(shù)多采用由Grosshandler[13]基于30年前光譜數(shù)據(jù)擬合計算的方法。雖然采用舊的普朗克平均吸收系數(shù)計算方法在常壓與高壓甲烷燃燒特性的數(shù)值模擬中獲得了與實驗值較為接近的預測值[14-16],但其在低氣壓條件下的適用性有待研究,且有可能還需要修正。

筆者采用Python語言自編程序調用最新光譜數(shù)據(jù)計算普朗克平均吸收系數(shù),并導入Chemkin軟件中用于計算輻射傳熱,對比分析了不同機理與輻射模型在低氣壓條件下的適用性;進一步對低氣壓(60～101 kPa)條件下甲烷預混燃燒溫度分布、CO和NO排放特性及機理進行詳細數(shù)值模擬研究;通過敏感性分析的方法確定了氣壓降低對CO和NO生成過程中主要基元反應的影響,分析了氣壓降低對NO生成路徑的影響,這對高海拔地區(qū)燃氣設備降低CO和NOx排放具有重要的指導意義。

1 數(shù)值方法

1.1 數(shù)值模型

本文模擬低氣壓條件下McKenna燃燒器中甲烷與空氣預混燃燒,預混氣在直徑為6 cm的燃燒室內穩(wěn)定燃燒,計算域長度為10 cm,其物理模型如圖1所示。采用Chemkin中PREMIX模塊求解火焰模型的控制方程,計算時采用精度較高的迎風差分格式求解。網(wǎng)格參數(shù)設置中涉及基于解梯度和基于解曲率的網(wǎng)格自適應控制方法,兩者的參數(shù)均采用默認設置,分別為0.1和0.5,自適應網(wǎng)格節(jié)點數(shù)設置為10,在所有工況下均能獲得較好的收斂性。平均組分輸運模型用于計算各組分的擴散系數(shù)和擴散通量,守恒方程中考慮了熱力擴散項,從而更準確地描述小分子組分的擴散過程。此外,利用光學薄模型計算輻射傳熱,詳細計算公式[14]如下:

圖1 預混燃燒物理模型

(1)

α=p(XCO2αCO2+XH2OαH2O+XCOαCO+XCH4αCH4)

(2)

式中:Q為輻射換熱量,kJ/m3;σ為波爾茲曼常數(shù),J/K;T為火焰溫度,K;Tb為黑體溫度,K;α為總普朗克平均吸收系數(shù),m-1·kPa-1;p為壓力,kPa;XCO2、XH2O、XCO和XCH4分別為CO2、H2O、CO和CH4的摩爾分數(shù);αCO2、αH2O、αCO和αCH4分別為CO2、H2O、CO和CH4的普朗克平均吸收系數(shù),m-1·kPa-1。

同時,燃燒室壁面設定溫度為800 K,彌補光學薄膜型不考慮輻射的重吸收而導致的熱損失。壓力按照實際海拔高度處的氣壓設置。

式(2)中CO2、H2O、CO和CH4的普朗克平均吸收系數(shù)采用Python語言編寫程序調用實際光譜數(shù)據(jù)計算,計算流程如圖2[17]所示。表1給出了普朗克平均吸收系數(shù)(ap)與火焰溫度(T)的擬合關系式,適用溫度范圍為300～2 500 K。

表1 普朗克平均吸收系數(shù)與火焰溫度的關系式

圖2 普朗克平均吸收系數(shù)計算流程

1.2 模型驗證

為保證選用數(shù)值模型、輻射模型中普朗克平均吸收系數(shù)計算方法和化學反應機理的準確性,利用不同的普朗克平均吸收系數(shù)計算方法與2種詳細化學反應機理復現(xiàn)了Van Essen等[11]的實驗,并將預測結果與實驗值進行比較。圖3給出預測結果與實驗結果的對比,其中修正系數(shù)為表1中給出的函數(shù)關系式,原始系數(shù)為Grosshandler[13]提供的普朗克平均吸收系數(shù)。由圖3可知,GRI Mech 3.0機理+修正系數(shù)、Konnov0.6機理+修正系數(shù)與Konnov0.6機理+原始系數(shù)預測的溫度分布趨勢與實驗值一致,但從預測的溫度數(shù)值來看,Konnov0.6機理+修正系數(shù)的預測值與實驗值的吻合程度最高,兩者在大多數(shù)軸向位置的溫度相對誤差均在10%以內。此外,不同氣壓條件下,Konnov0.6機理+修正系數(shù)預測的NO生成量與實驗值的相對誤差均在5%以內,兩者數(shù)值上基本吻合;而不同氣壓條件下,GRI Mech 3.0機理+修正系數(shù)預測值與實驗值的相對誤差在27%～42%,Konnov0.6機理+原始系數(shù)的預測值與實驗值的相對誤差為15%～22%。同時,OH是CH4鏈式反應中關鍵中間組分,對CO與NO的生成均有重要影響,選取沿軸線位置的OH質量濃度分布進行對比。從圖3中OH質量濃度分布來看,GRI Mech 3.0機理+修正系數(shù)與Konnov0.6機理+修正系數(shù)的預測值與實驗值的變化趨勢一致,且兩者的相對誤差均在10%以內;而Konnov0.6機理+原始系數(shù)的預測值與實驗值有較大出入。綜合來看,Konnov0.6機理與本文提出的輻射模型中普朗克平均吸收系數(shù)的計算方法可以準確地預測低氣壓條件下甲烷燃燒的溫度與組分分布。

(a) 9.9 kPa氣壓,溫度

1.3 工況設置

我國高海拔地區(qū)眾多,但大多低于4 000 m,且大多數(shù)燃氣設備的當量比在0.9以下。因此,本文模擬的壓力范圍為60～101 kPa,當量比為0.8。此外,高原低氣壓、低含氧量的環(huán)境條件嚴重影響燃氣設備的空氣動力學參數(shù)。以燃氣鍋爐為例,風機如果不經(jīng)高原修正,送風量下降將會導致鍋爐出力不足、燃燒效率下降等問題。為保證送入爐內的氧質量不變且滿足燃料燃燒需要,燃燒器和鍋爐設計制造企業(yè)一般會增加風機功率和壓頭,故本文選擇相同質量流量的預混氣體開展研究,射流初速度按照壓力縮放的比例相應變化,詳細參數(shù)如表2所示。

表2 模擬工況

2 結果與分析

2.1 低氣壓對火焰溫度分布的影響

圖4給出了不同氣壓條件下的火焰溫度。由圖4可知,在不同低氣壓條件下,火焰溫度均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢,這主要是因為預混甲烷和空氣劇烈燃燒放熱,煙氣溫度升高,而爐膛后部燃料燃盡,煙氣與壁面換熱導致其溫度降低。當氣壓由101 kPa降至60 kPa時,燃料燃燒速率降低,熱釋放減少導致爐膛前部溫度降低。由輻射換熱量計算公式(1)與普朗克平均吸收系數(shù)計算公式(2)可知,普朗克平均吸收系數(shù)隨著氣壓降低而降低,煙氣與壁面輻射換熱量減少,這是爐膛后部煙氣溫度隨著氣壓降低而增加的主要原因。需要特別說明的是,爐膛后部是指燃燒室軸向方向2 cm以后的位置,此時預混氣中可燃成分已經(jīng)完全燃燒。

圖4 不同氣壓條件下的火焰溫度

2.2 低氣壓對污染物生成的影響

圖5給出了不同氣壓條件下單位質量煙氣中CO和NO質量分數(shù)。由圖5可知,隨著氣壓的降低,CO生成量增加,燃盡率降低,進一步導致燃燒效率降低。這與Zhou等[3]實驗得出的結論一致。Zhou等[3]認為氣壓降低,氧質量總量減少導致CO生成量增加。但本文模擬時預混氣體氧質量總量不隨氣壓變化,CO生成量仍然增加,仍需進一步對CO生成與消耗的關鍵化學反應進行分析。此外,還可以看出NO生成量隨氣壓降低而增加,這主要是氣壓降低導致燃燒室內高溫區(qū)域增加所致(見圖4)。因此,燃氣低氮燃燒器在高海拔地區(qū)應用時應重點關注NO排放是否超標。

圖5 不同氣壓條件下單位質量煙氣中CO和NO生成質量對比

2.3 低氣壓對CO生成的影響機理

為進一步分析氣壓對CO生成與消耗關鍵反應的影響,選取CO生成速率最大處的敏感性系數(shù)進行對比。圖6給出了不同氣壓條件下CO生成的敏感性系數(shù)。由圖6可知,在不同氣壓條件下,反應R38與R99的敏感性系數(shù)絕對值均為最大,表明這兩個反應在CO的生成過程中起主要作用。隨著氣壓的降低,反應R38的一階敏感性系數(shù)逐漸增大,且始終為正,這說明氣壓降低,該反應生成更多的O和OH自由基,對CH4氧化與CO生成的促進作用均增強。反應R99的敏感性系數(shù)絕對值隨著氣壓降低而減小,且敏感性系數(shù)始終為負,這表明隨著氣壓的降低,反應R99對CO生成的抑制作用降低。同時,反應R99也是CO消耗的主要反應,CO的消耗速率減小是CO生成量增加的主要原因之一。此外,從圖6也可以看出,直接參與CO生成的反應R166、R167與R342的敏感性系數(shù)均隨著氣壓的降低而增大,這說明CO生成速率隨著氣壓降低而增加。綜上所述,隨著氣壓的降低,CO生成速率增加與消耗速率減小共同導致CO生成量增加。

圖6 不同氣壓條件下CO生成的敏感性分析

2.4 低氣壓對NO生成的影響機理

NO的生成路徑主要有熱力型、快速型、N2O中間體型路徑和NNH型路徑[18]。需要特別說明的是,本文模擬所采用的Konnov0.6機理的快速型NO生成反應為CH+N2=NCN+H。為進一步分析氣壓變化對NO 4種生成路徑與重要反應的影響,選取NO生成速率最大處進行反應路徑分析和敏感性分析。

在CH4與空氣的預混燃燒過程中,NO中的N全部來自空氣中的N2,NO的生成路徑可以用N2的消耗路徑表示[19]?；赗OP分析法獲得了不同壓力條件下NO的生成路徑,如圖7所示,圖中3個數(shù)值分別表示60 kPa、80 kPa和101 kPa氣壓下各物質的轉化率,單位均為%。由圖7可知,不同壓力條件下,N2被消耗主要生成NCN和NNH,直接生成NO的占比較低。這說明在本文模擬工況下快速型和NNH型路徑是NO生成過程中最重要的路徑,而N2O中間體型和熱力型路徑對NO生成并不占主導地位。同時,還可以看出隨著氣壓降低,N2轉化成NCN和NNH的比例略有升高,N2O消耗N2的量略有降低,N2直接生成NO的比例也略有降低。

圖8給出了不同壓力條件下NO生成的敏感性系數(shù)。由圖8可知,反應R38仍是促進NO生成的關鍵反應,該反應為熱力型、N2O中間體型(圖中簡稱N2O型)和NNH型NO提供O和OH自由基。隨著氣壓的降低,反應R38的敏感性系數(shù)增大,這表明該反應對NO生成的促進作用增強。反應R10、R35和R125也是NO生成過程中的一步重要反應,且該反應敏感性系數(shù)為負,說明3個反應對NO生成的抑制作用隨著氣壓的降低而增加。這是由于隨著氣壓的降低,該反應消耗了更多的H、O和CH自由基,而這3種自由基又是NO生成路徑上的重要中間體。同時氣壓降低時,反應R178和R199的敏感性系數(shù)減小,反應R208和R240的敏感性系數(shù)增大,但數(shù)值變化不大。而反應R178、R199、R208和R240分別是熱力型、N2O中間體型、NNH型和快速型路徑的關鍵反應,這表明熱力型和N2O中間體型路徑的NO生成量略有降低,NNH型和快速型路徑生成的NO略有增加。這與圖5中NO的生成路徑分析結果一致。

圖8 不同氣壓條件下NO生成的敏感性分析

3 結 論

(1) 相比其他機理和輻射模型中普朗克平均吸收系數(shù)計算方法,采用Konnov0.6機理與本文提出的普朗克平均吸收系數(shù)計算方法可以預測低氣壓條件下甲烷燃燒的溫度、NO與OH質量濃度分布。

(2) 壓力對甲烷與空氣預混燃燒火焰溫度有顯著影響。隨著氣壓的降低,甲烷與空氣預混燃燒爐膛前部溫度逐漸降低,而爐膛后部溫度逐漸增加。

(3) 隨著氣壓的降低,CO生成速率增加且消耗速率減小,兩者共同作用導致CO生成量增加。同時,壓力降低主要影響CO生成過程中的重要反應R38和R99。

(4) 甲烷與空氣預混燃燒生成的NO主要來自快速型和NNH型,且快速型和NNH型路徑NO的生成量隨著氣壓降低略有增加。