Oxy-steam气氛下天然气燃烧特性研究

王城景

(长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 434023)

传统富氧燃烧技术是提高助燃气体中的氧气浓度，提高燃烧强度和燃烧效率，继而实现节能降耗的目的，但也要考虑到燃烧温度过高容易达到燃烧器材料的承受极限，同时已有学者表明，富氧燃烧过程中氮氧化物排放浓度显著增加[1]。考虑到传统富氧燃烧存在的一系列问题，Oxy-steam燃烧技术于2007年由加拿大能源技术中心提出[2]，其原理是采用纯氧来中和水蒸气，区别于常规空气氛围。与O2/CO2烟气循环燃烧相比，Oxy-steam燃烧方式优势体现在：①没有烟气循环，从根源上防止高浓度CO2烟气的泄漏；②水蒸气调节燃烧温度，实现较低的NOx排放；③水分子具有高热辐射系数物理特性[3]，相对于CO2，它的热辐射效率和对流换热效果较优。同时，贾令博对富氧燃烧加热炉系统整体经济性进行多元线性回归分析，结论认为最优助燃气体氧浓度为31%[4]，本文在此基础上进行进一步研究。目前大多是研究集中于添加水蒸气对气体燃料燃烧特性的影响，Le[5]等进行了详细的化学动力学建模来研究了水蒸气对天然气燃烧动力学的影响，分析了水蒸气存在时燃料氧化反应路径，结论表明水蒸气影响了第三体反应效率，同时降低了火焰速度和绝热温度，NO排放的减少主要是由于稀释作用，N2浓度的降低以及热效应。Seepana S[6]等分析了甲烷在O2/H2O气氛下燃烧火焰结构，发现甲烷在φ(O2)=36%，φ(H2O)=64%气氛中燃烧火焰结构类似于传统空气气氛即φ(O2)=21%，φ(N2)=79%，然而国内外有关O2/H2O燃烧技术的研究并不多见，本文利用Fluent软件对O2/H2O氛围下天然气富氧燃烧进行数值模拟，选用涡耗散概念模型，耦合简化后的甲烷24步气相反应机理，对燃烧器内的富氧燃烧过程中的温度分布、关键组分分布、火焰长度以及氮氧化物的排放量进行较为准确的模拟，为Oxy-steam技术的工业应用提供一定的技术支持。

1 数值模拟方法

1.1 计算模型

燃烧器内的燃烧流动伴随剧烈的化学放热反应，包括组分输运，传质传热等相互作用，本文确定采用工程应用中使用最为广泛标准k-ε模型来模拟湍流流动，求解辐射换热方程选用p-1模型。流体力学基本控制方程[7]形式如下：

(1)

式中：φ为流动物理量；Γφ为有效扩散系数；Sφ为源项；x，r，θ分别为轴向、径向、周向坐标；u，v，w分别为轴向x、径向r、周向θ方向上的速度分量。

为了实现富氧燃烧过程中准确的数值模拟，需要将详细的甲烷燃烧机理与Fluent中燃烧模型进行耦合，目前最为详细的甲烷燃烧气相反应机理是GRI-mech 3.0，涉及325步反应，包括53种组分，由于其组分种类繁多，计算耗时长，难收敛，且存在计算“刚性”等问题[8]，因此本文选用的是精确性与可靠性已经得到验证的简化后的24步反应机理[9]，将Chemkin格式的机理文件包括反应方程与动力学参数导入Fluent。涡耗散概念模型[10]实现了细致化学反应在湍流流动中的应用，在湍流流动结构中包括详细的化学反应机理。它假定精细涡中发生着化学反应。化学反应本身需要的时间和小涡存在时间来协同控制反应时间。其中小涡的空间分辨率ξ由式2得到

(2)

式中：Cξ为容积比率常数，Cξ=2.137 7；ν为运动黏度，m2/s。

化学组分假设在式得出的时间内发生化学反应：

(3)

式中：Cτ为时间尺度常数，Cτ=0.408 2。

已有文献资料证明涡耗散概念模型对于描述燃烧过程及燃烧产物的准确性高于有限速率/涡耗散模型[11]。

1.2 边界条件和工况设置

燃料和助燃空气均采用速度入口，天然气组分简化成100%甲烷，燃料喷嘴直径为2 mm，助燃气体入口是直径为146 mm的环形入口，燃料以103 m/s的速度经喷嘴射入，助燃气体以0.15 m/s的速度从喷嘴外环形区域流入，混合形成湍流扩散火焰。燃烧器壁面设为等温恒定300 K，上边界采用压力出口边界条件。在整个模拟工况过程中，燃料流速保持一定，即参与反应的甲烷的量不变，改变助燃气体氛围，工况1助燃气体为φ(O2)=31%，φ(N2)=69%，工况2，3，4，5助燃气体中水蒸气体积分数逐步增加，逐步取代N2，工况6为φ(O2)=31%，φ(H2O)=69%H2O，从而实现Oxy-steam方式下燃烧。

1.3 实体建模

本模拟原本采用三维圆筒形燃烧器，考虑到为轴对称图形，且Fluent自带Axisymmetric的二维替代三维的计算模式，二维网格质量更高，所需要的网格数量相对三维较少，减少了计算量，将模型绕轴线旋转一圈便得到了圆柱型燃烧区域，如图1所示，燃烧区域网格的质量直接关系到模拟计算精确程度，利用Gambit软件对计算域划分四边形单元结构网格，11 450共计个网格，11 680个节点。喷嘴附近的气体流速较快、与助燃气体接触混合后反应较激烈，需加密网格，整体计算域从入口到出口，从中心轴线到两侧边界网格是渐变的。

图1 燃烧器结构及网格划分图

2 模拟结果讨论分析

2.1 温度分布特性

确定富氧浓度为31%的情况下，改变助燃气体气氛，其水蒸气体积分数由0%梯级增加到69%直至完全取代N2。图2为H2O体积浓度变化情况下温度等值线图，为了显示更加直观，轴线上侧为富氧空气气氛下燃烧温度分布云图，轴线下侧为不同H2O体积浓度下的温度分布图，可以明显看出，温度分布宏观特征分布一致，随着H2O的加入，火焰高温区形成区域缩短，将温度比例尺调成一致，可见峰值温度在下降。产生这一现象的原因在于：

(1)H2O的物理性质与N2不同，H2O(g)的定压比热容(1 000 K，0.1 MPa)是N2的1.262倍[12]，反应期间吸收了大量的热量，导致温度下降，同样H2O的热传导系数，热扩散系数均大于N2，物理性质的差异直接影响着燃烧流场。

图2 不同水蒸气浓度下温度对比云图

(2)H2O活跃的化学性质也影响着该气氛下的燃烧特性不同于富氧空气气氛。其表现在水蒸气会参与反应发生裂解，使反应基团发生改变，影响了反应路径；H2O的存在会影响三体反应的反应速率[13]，进而影响反应路径，最终使得燃烧特性有所改变。

同时可见，在燃料喷嘴附近，流场中心内温度较低，原因在于燃烧器出口处的甲烷处于初始裂解状态，还未来得及与助燃气体中的氧气发生反应，当裂解后扩散到燃烧器中程后，与氧气剧烈反应，造成温度上升梯度较大。

图3给出了不同H2O体积浓度下燃烧器出口平均温度，可以看出，燃烧器出口平均温度随着H2O体积浓度的增大而逐渐降低，富氧空气气氛时为1 137 K，φ(O2)=31%，φ(H2O)=69%时为1 058 K，约降79 K，原因在于参与反应的燃料一定，放出的热量一定，而添加的水蒸气逐步取代了N2，水蒸气的高比热吸收热量的能力增强，致使整体燃烧温度降低，因而出口平均温度也随之降低。

图3 不同水蒸气浓度下燃烧器出口平均温度

2.2 组分浓度分布特性

燃烧器中心轴线上甲烷的体积分数的变化代表着燃烧反应的进行，其体积分数变化率可表征燃烧反应速率，如图4所示，几种燃烧气氛下，甲烷消耗速率趋于一致，当喷嘴初射出甲烷，与助燃气体迅速混合，裂解并开始反应，此时甲烷体积分数下降幅度最大，然后下降速率趋于变缓直至消耗殆尽。当助燃气体中H2O体积浓度增加时，甲烷消耗速率更快，燃烧所需行程缩短。分析原因在于，H2O参与化学反应，导致OH+H2⟺H+H2O (R(15))正向反应受到抑制[14]，导致了OH基团的累积，从而加快了燃烧的速率[15]。

图4 不同水蒸气浓度下甲烷轴向体积分数

2.3 火焰长度

本文采用CO摩尔分数的轴向分布来表征火焰长度[16]，由图5可知，随着助燃气体中H2O体积浓度的增加，燃烧火焰长度逐渐缩短，分析原因在于水蒸气的物理特性，高热传导系数和热扩散系数促进了燃气与反应物间的传热，同时活跃的化学性质使原本的反应基团浓度发生改变[17]，二者均促进了燃烧，从而缩短了火焰长度。

图5 不同水蒸气浓度下火焰长度

2.4 污染物NOx的排放

湍流富氧燃烧排放的污染物氮氧化物中主要成分为NO[18](所占比例达95%)，因而氮氧化物排放浓度可通过燃烧器出口处NO的浓度来表征。从图6可以看出，随着助燃气体中H2O的体积浓度增大，平均出口处NO质量分数下降较为均匀，H2O体积浓度在0～15%下降幅度最大，随H2O体积浓度进一步加大，NO下降趋势愈加趋于平缓，分析原因在于，当初步有水蒸气加入时，温度下降趋势明显，极大地影响了热力型NO生成[19]，造成平均出口处NO下降幅度较大。

3 结 论

本文在调研了大量国内外文献的基础上，以计算流体力学软件Fluent为模拟平台，同时耦合简化后的甲烷24步气相反应机理，对Oxy-steam气氛天然气富

图6 不同水蒸气浓度下燃烧器平均出口NO质量分数

氧燃烧进行数值模拟，保证富氧浓度为一定，助燃气体中水蒸气体积浓度逐步增加，从0至69%，直至完全取代N2形成O2/H2O氛围，根据模拟结果对比分析燃烧特性差异，主要分析了燃烧温度分布，火焰长度，甲烷消耗速率以及出口污染物浓度。得到的结论如下：

(1)当助燃气体氛围发生改变，即H2O体积分数增大，天然气整体燃烧温度下降，平均出口温度也随着下降；

(2)燃烧火焰长度随助燃气体中水蒸气体积分数的增加而缩短；

(3)甲烷消耗速率随着助燃气体中水蒸气体积分数的增加而增加；

(4)Oxy-steam气氛下有利于降低污染物氮氧化物的生成。