过量空气系数对乙烯燃烧特性及碳烟生成的影响

王 珂

(长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 434023)

近年来，为满足我国经济社会的发展，需要持续的能源供应。伴随着化石能源使用所产生的是污染物的大量排放，其中碳烟是造成雾霾、PM2.5有毒颗粒的元凶。如何控制碳烟的排放是当下研究的重点课题，具有现实意义。大量学者就此课题展开了研究。Tan[1]、Andersson[2]通过实验和模拟验证的方法，对比研究了CO2对碳烟的抑制作用；钟北京等[3]研究碳烟机理，得出了碳烟的生长模型；刘畅[4]设计了富氧O2/CO2氛围影响碳烟生成的数值模拟，通过单一改变O2浓度设计工况，通过模拟对比，得出控制污染物排放的最佳O2浓度为30%；任昕[5]设计氧化剂氛围，以O2浓度设为定值，单一改变CO2浓度来设计工况，模拟得出了CO2浓度对污染物生成的影响规律；郭喆[6]针对二维C2H4/空气扩散火焰，用详细的化学反应机理和非灰辐射模型进行了模拟。结果表明O2浓度会加速碳黑成核，其体积分数呈现先增后减的规律。胡多多[7]对甲烷在O2/H2O氛围的碳烟生成进行了数值模拟，得出了“加湿燃烧对碳烟的生成具有较好的抑制作用”的结论。目前针对碳烟排放的研究主要在改变氧化剂的氛围方面，而针对过量空气系数的影响，尤其涉及机理分析的数值模拟还比较少。本文控制燃料流量不变，通过改变氧化剂的流速设计了过量空气系数在0.6～1.4的多种工况，进行了数值模拟。分析了过量空气系数在碳烟生成以及排放上所起到的作用，为碳烟排放的防治提供了一定的参考意见。

1 模型与控制方程的建立

1.1 物理模型的建立

实验燃烧器为伴流燃烧器，其出口主要由燃料管和氧化剂管组成。燃料从燃料管口流出，氧化剂从两管组成的同心圆环中间的区域流出。两股气体同向流动，发生燃烧反应，形成层流扩散火焰。燃烧器的尺寸见表1所示，其喷口处简化结构如图1(a)所示。为了模拟燃烧器出口处的燃烧反应情况，建立了250 mm×100 mm的计算区域，如图1(b)所示，接下来进行了网格的划分，靠近进口和轴线处的区域是反应的主要区域，采用加密网格，靠近壁面和出口处反应较为平缓，采用稀疏网格，总共生成网格数14 650个，网格面29 577个，节点14 928个，如图1(c)所示。

表1 燃烧器尺寸 mm

图1 计算区域与网格

1.2 选择控制方程

控制方程式(1)采用流体力学通用形式[8]：

(1)

式中：φ为流动物理量，kg/s；Гφ为有效扩散系数；Sφ为源项；x，r，θ为轴向、径向、周向坐标，m；u，v，w为轴向、径向、周向速度，m/s；ρ为气体密度，kg/m3。

湍流模型设置为标准k-ε模型，设置P-1辐射换热模型，打开涡耗散概念模型(EDC)对湍流化学反应进行模拟，预测碳烟(Soot)的生成采用单步Khan and Greeves模型[9]，方程见式(2)，为了分析燃烧的中间基元反应，导入乙烯燃烧23步简化CHEMKIN化学反应动力学机理[10]计算。

(2)

式中：Ysoot为烟黑质量分数；σsoot为普朗特数；Rsoot为烟黑生成净速率，kg/(m2·s)。

2 边界条件与工况设置

2.1 边界条件设置

在建模、划分好网格之后开始定义边界条件，其边界名称、类型以及相关的参数如表2所示。

表2 边界条件

2.2 工况设计

本文为研究过量空气系数对燃料燃烧碳烟生成的影响，以常用来进行碳烟生成研究的乙烯为燃料，以常规氛围的空气为氧化剂来进行研究。控制乙烯的流量恒定，通过单一调节氧化剂流速，使过剩空气系数α在0.6～1.4发生变化，共设计了包含贫氧条件到富氧条件的7组工况，如表3所示。过剩空气系数α的定义见式(3)：

(3)

式中：V为每立方米干燃气实际助燃空气量，m3/m3；V0为每立方米干燃气理论空气需求量，m3/m3。

表3 边界条件

3 模拟结果分析

3.1 燃烧火焰温度分析

对不同过量空气系数α的工况进行模拟，温度云图的对比如图2所示。分析图2可知，α<1时，火焰温度较低，峰值区在轴线两侧，且燃烧温度云图各区域显示的温度差异较小，主要集中在1 000～1 500 K。随着α值的增大，火焰温度明显增大且向轴线靠拢，火焰的各区域温度差异更清晰，出现明显的高温区。由此可判断，当过量空气系数较低时，燃料燃烧反应程度较为平缓，甚至接近“无焰燃烧”；但过量空气系数较大时，燃料燃烧反应剧烈，说明过量空气系数对燃烧反应的剧烈程度和燃烧温度有较大的影响。加大过量空气系数会促进燃料的充分燃烧，提高燃烧温度。

图2 温度分布云图对比

3.2 燃烧速率分析

对各工况下轴线上C2H4的浓度变化进行了对比和分析，图3中可以体现出当α<1时，出口处C2H4浓度不为0，说明有部分C2H4不充分燃烧，从出口处流出。而随着α值的增大，C2H4浓度沿轴线下降的速度变快，并且迅速降至0，说明燃料完全参与了反应，在计算区域的出口处没有剩余。表明当过量空气系数变大时，C2H4的燃烧速率会加快，说明其对C2H4的充分燃烧具有促进作用。

图3 C2H4浓度轴线分布

3.3 污染物碳烟(Soot)生成分析

碳烟分布的对比云图如图4所示，将碳烟生成的主要区域(Z=0.01～0.15 m)取截面体积分数进行比较，结果如图5所示。可以看出：①碳烟的峰值在轴线的两侧靠近燃料与氧化剂的交界面产生，当过量空气系数变大时，碳烟生成的区域趋于集中，且峰值先增大后减小；②碳烟浓度峰值的极大值出现在α=0.8附近，且峰值位置先远离入口后又向入口靠近；③α<1时，出口处碳烟有较大浓度，在α≥1时，浓度很小。说明过量空气系数会影响碳烟的产生。

图4 碳烟浓度云图对比

图5 截面碳烟浓度对比

碳烟的生成是碳烟聚集和氧化的过程，其中聚集过程和PAHS(多环芳烃)的浓度有关，H自由基在多环芳烃的形成过程之中起到反应的链接作用[11]；而在碳烟的氧化作用中则由氧化性强的OH自由基与O2浓度影响[12]。为综合分析碳烟的形成与氧化过程，需要同时分析H、OH自由基浓度。本文对不同工况下H、OH自由基团的轴向浓度分布进行了对比分析，如图6所示。由图6可以看出，当α值变大时，H、OH自由基的浓度在轴线各段均增加。说明过量空气系数通过影响H、OH自由基的浓度进而对碳烟的生成产生影响，H、OH自由基的浓度的增加同时促进了碳烟的形成与氧化反应的发生，两种作用相互耦合，最终反应为碳烟生成浓度的变化情况。为研究不同工况下的碳烟排放的差异，本文对出口处碳烟的平均浓度进行对比。从碳烟排放量的角度着眼并进行剖析，如图7所示。不难看出过量空气系数增大会导致碳烟排放量的下降，但在不同的区间下降幅度有所区别。在α<0.9区间下降幅度大，在α=0.9～1.4下降幅度小，在α=0.9附近时达到拐点。因此工业上可以通过控制过量空气系数α≥0.9来抑制碳烟的生成。α值越高，燃烧越充分，碳烟生成浓度越小，排放量越少。

图6 H、OH自由基浓度变化

图7 碳烟排放浓度变化

4 结 论

本文充分调研了国内外文献，基于FLUENT数值模拟，采用简化CHEMKIN化学反应动力学机理对乙烯在空气氛围下、过量空气系数为0.6～1.4的不同工况下的燃烧火焰及碳烟的生成进行了模拟。分析对比了燃烧火焰温度分布情况、燃料轴向浓度变化规律、碳烟生成状况、自由基团浓度变化等相关燃料燃烧特性。从机理的角度重点研究了在碳烟生成过程中，过量空气系数的作用以及其原理，得出了以下几点结论：

(1)过量空气系数增加时，燃料燃烧的温度会上升，燃烧速率会加快；α<1时，燃料的燃烧不充分，燃烧温度低，近似于“无焰燃烧”，高温区在燃烧轴线两侧；α≥1时燃料能完全燃烧，高温区集中，峰值在燃烧轴线上。

(2)过量空气系数α值增加时，H、OH自由基浓度会增加，从而同时促进碳烟的聚集与氧化反应，耦合作用下碳烟的生成浓度呈现先增大后减小的规律，并且在α=0.8附近时达到最大值。

(3)过量空气系数增加会导致碳烟排放量下降，在α=0.6～0.9期间浓度高、下降幅度大，在α=0.9～1.4期间浓度低、下降幅度小，在α=0.9时出现拐点。由此可得出，控制碳烟的排放要求过量空气系数不得小于0.9。