多孔燃烧器中氨/空气燃烧特性数值研究

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-11-18 10:25 热度：

　　摘 要：氨具有氢密度高、生产成本低、基础设施完善等优点，作为一种潜在的可再生替代燃料受到了广泛的关注。目前，仅有少数研究关注氨气燃烧喷嘴的研究，针对氨气稳定燃烧喷嘴的研究尤其不足。为实现氨燃料的稳定燃烧和低污染物排放，本研究提出了一种氨用多孔介质燃烧器。对氨用多孔介质燃烧器建立了二维数值模型，并对预混氨/空气在多孔介质燃烧器中的燃烧性能进行了评价，考察了不同进口速度 u0、当量比 Φ 和多孔介质导热系数对氨/ 空气火焰特性和 NO 排放的影响。结果表明，多孔介质燃烧器能在 u0 = 3 ~ 7 m/s 和 Φ = 0.9 ~ 1.2 条件下稳定燃烧;随着多孔介质导热系数的增大，火焰最高温度下降且火焰位置向上游移动;减小进口速度和增大当量比能够显著降低 NO 的排放。

　　关键词：氨燃料;多孔介质;燃烧特性;NO 排放;数值仿真

　　0 引 言

　　随着社会的发展，各行业对能源的需求量不断增加，一系列能源与环境问题日益突出。寻找替代化石燃料的新燃料以及发展其燃烧技术成为了国内外学者重点研究的课题[1-2]。近年来，如氢气、氨气、生物柴油、乙醇、二甲醚等诸多替代燃料受到了广泛的关注和大量的研究[3-4]。其中，氨因具有较高的体积能量密度，储氢容量高达 17.7%，可作为一种潜在燃料于各种发电系统中应用[5]。此外，氨还具有储存成本低、安全性高、基础设施配套完善等优势，是一种具有前景的氢能源载体及潜在燃料[6]。

　　目前，氨已在内燃机和燃料电池中作为燃料应用[7]，然而较低火焰速度、可燃极限窄、生成氮氧化物等因素限制了其作为潜在燃料的应用和普及[8]。多孔介质燃烧作为一种高效且低污染的新型燃烧方式，具有耐高温、耐热震、蓄热能力强、传热性能好等优点，被广泛用于基础燃烧研究以及为纸张、油漆、纺织品、食品等材料的干燥和热加工提供热量[9]。燃烧时，预混气体流经多孔介质并在其中进行燃烧;反应所产生的热量通过多孔介质的导热和辐射作用对上游的预混气体进行预热，同时通过多孔介质本身的蓄热能力回收高温烟气余热，与自由火焰燃烧相比，大幅提高了气体燃烧速率及火焰速率[10]。NOZARI 等[11]研究了在标准温度和压力条件下的多孔介质 SiC 中预混氨/氢气体火焰，结果表明其在较大当量比范围(Φ = 0.9 ~ 1.5)及很高的氨浓度水平下(60% ~ 90%)，燃烧稳定且效率较高。

　　本文对氨在稳定燃烧当量比下的燃烧特性、NO 的生成和排放特性进行了研究，考察了不同当量比、进口速度、多孔介质的导热系数对氨燃料在多孔介质燃烧器上燃烧特性、火焰位置和排放物生成的影响，以期为氨用多孔介质燃烧器的设计和开发提供理论指导。

　　1 数值模拟方法

　　1.1 物理模型

　　对氨/空气的预混燃烧多孔介质燃烧器进行了设计，建立了氨燃料多孔介质燃烧模型，如图 1 所示。由于多孔介质燃烧器几何对称，为了提高计算效率，采用一半的燃烧室空间作为计算区域。整个燃烧室长度为 60 cm、直径为 20 cm，多孔介质燃烧器厚度为 8 cm、直径为 10 cm，材质为惰性 SiC 材料。为防止空气从侧面进入多孔火焰区，多孔块由厚度为 0.5 cm 的不锈钢外壳包围。

　　1.2 控制方程

　　采用 FLUENT 16.0 软件，对氨用多孔介质燃烧器燃烧过程中质量、动量、能量方程及传热过程模型进行了求解。为简化计算，引入了一些假设：①稳态燃烧;②不可压缩流动;③无气体辐射; ④惰性且各向同性、均质的多孔介质;⑤多孔介质与气体传热效率很高，因此多孔介质和内部流动气体的温度相等[12]。基于这些假设，采用稳态求解器求解的控制方程如下。

　　1.3 边界条件及求解方法

　　模型的入口和出口分别采用速度入口和压力出口。在入口处，设置了均匀速度剖面，这是由于均匀和充分发展的速度剖面所带来的差异已被证明是可以忽略的[13]。预混气体入口温度为 300 K，各当量比为 0.9 ~ 1.2。出口处的压力设置为 0。如图 1，进气管道壁面和燃烧室底部壁面设置为绝热壁面，燃烧室外壁设置为非绝热壁面，其热损失主要以自然对流和热辐射为主，其总热损失如式(6)所示。

　　考虑到模型的准确性以及计算的成本和时间，采用简化的 Konnov 机理[16]模拟氨气燃烧，其中包含 19 种组分和 80 步基元反应。该模型入口处雷诺数为 9 800 ~ 23 000，因此采用 k-ε 湍流有限速率模型求解。所有的控制方程均采用二阶迎风格式离散，并采用 SIMPLE 算法处理压力−速度耦合问题。运用 CHEMKIN 数据库[17]对混合物的热物性和扩散特性进行计算。利用分段多项式拟合法计算各组分的比热;分别用不可压缩理想气体定律和混合气体定律计算燃料和空气混合物的密度和比热;导热系数和黏度由质量加权混合定律计算;利用动力学理论计算质量扩散率。在迭代计算中，能量方程的收敛准则为 1×10−6 ，其他方程的收敛准则为 1×10−3 。

　　2 结果与讨论

　　2.1 数值模型验证

　　为了验证数值算法的可靠性和有效性，进行了详细的网格独立性测试和数据验证。通过将计算域划分为均匀的有限体积单元来检验网格独立性。因此，选择了 3 组不同网格(15 373、27 513 和 43 011)来检查网格的独立性。由图 2 可知，网格数为 27 513 的网格尺寸能够较好地表征多孔介质燃烧器的轴向温度分布，而增加网格数量并没有较为明显的改善。因此，为了节省计算时间并满足精度要求，采用网格数为 27 513 的网格尺寸进行计算。

　　为验证本研究采用模型的可靠性，根据实验模型[18]建立了相同数值模型，并按照与实验相同初始条件和边界条件进行模拟计算。如图 3 所示，对模拟结果与实验结果进行了对比，模拟与实验温度对比点为距离多孔体上表面 3 cm 处[18]。从图 3 可以看出，模拟结果与实验结果之间的最大相对误差小于 5%，且模拟结果与实验结果趋势一致。通过以上对比，验证了模型的可靠性。

　　2.2 温度分布特性

　　温度的分布情况能够较为直观地反映多孔介质燃烧器的燃烧特性。因此，本节将对多孔介质燃烧器在预混气体不同进口速度条件下的温度分布特性进行研究。图 4 给出了 ε = 0.9、孔隙密度 10 PPI、 Φ = 0.9、u0 = 3 m/s 条件下多孔介质燃烧器的轴向中心线温度和氧气质量分数分布情况。从图中可以看出，轴向中心线温度在多孔段(X = 0.05 ~ 0.13 m)达到峰值，同时大量 O2被消耗，且在多孔体内形成稳定火焰。

　　图 5 为归一化多孔介质的径向温度分布。由图可知，多孔介质内温度分布均匀，靠近壁面处温度下降。这是由于多孔介质通过热传导的方式将反应产生的热量向四周传递，使得多孔介质内的径向温度分布较为均匀。与此同时，两侧的壁面存在热量损失效应，因此越靠近壁面，热量损失越多。在 X = 0.06 m 处，中心轴线附近温度较低，预热气体仍未被点燃，而在 X = 0.07 m 处，已经形成了均匀的高温平面，因此可以判断，混合气体在 X = 0.06 ~ 0.07 m 间发生燃烧反应形成火焰。热量随着气体扩散向多孔介质下游传递，离开高温反应区后，多孔体的径向温度梯度向下游逐渐减小。

　　图 6 为不同进口速度下的温度分布。从图中可以看出，随着进口速度的增大，多孔介质内的高温区域变大。当进口速度从 3 m/s 增加到 7 m/s 时，火焰内部的最高温度从 1 833 K 上升到 1 990 K，多孔介质靠近不锈钢壁面处温度相对较低。这是由于进口速度的增大促进了化学反应速率，多孔介质内的扰动也随之增强。而在壁面附近，热量会随着对流和辐射作用通过侧壁散失到外部环境中。随着进口流速的增大，火焰逐渐向下游移动，多孔体上游附近的未燃预混气尚未达到可燃温度，导致火焰形状从平面被拉伸至圆锥状。

　　不同材料的多孔介质存在着较大的热物性差异，其中，导热系数作为最重要的热物性参数之一，是影响多孔介质燃烧器传热过程的重要因素。图 7 为不同导热系数对氨燃烧火焰中心温度分布的影响，从图中可以看出，随着多孔介质的导热系数增大，轴向中心线的温度有所下降，且火焰位置也随之往上游移动。这是由于导热系数较大的材料使得传热过程中具有更高的有效导热系数，使得火焰区的热量损失增大，导致温度降低;与此同时，较高的有效导热系数能使预热未燃的预混气体得到充分的预热，致使火焰位置往上游移动。

　　2.3 NO 排放特性

　　图 8a 为 u0 = 3 m/s、Φ = 1.0 ~ 1.2 条件下 NO 的质量分数分布，可从图中看出，NO 集中在高温区生成，其质量分数在多孔介质内沿着轴向明显下降，脱离多孔介质下表面后逐渐趋向平稳。根据详细的化学反应机理，NO 的形成主要来自 NH 和 OH 自由基的反应。在富燃料条件下(Φ = 1.0 ~ 1.2)，随着当量比的增大，NO 质量分数显著降低，当 Φ 从 1.0 增大到 1.2 时，燃烧室出口处的 NO 质量分数从 3.46 × 10−3 g/g 下降到 5.91 × 10−6 g/g，下降了 98.3%。这是由于在富燃料条件下，少部分未燃的 NH3 和 NO 发生了还原反应，导致 NO 浓度下降。由详细化学反应机理可知[16]，NO 和 NH2 自由基发生还原反应。在 Φ = 1.2 时，NO 基本能在多孔体下表面附近达到较低浓度的水平。

　　8b 为 Φ = 1.2、u0 = 3 ~ 7 m/s 时的 NO 质量分数分布。随着速度的减小，NO 的质量分数随之下降， u0从 7 m/s 下降到 3 m/s 时，燃烧室出口处 NO 质量分数从 3.39 × 10−4 g/g 下降到 5.91 × 10−6 g/g，降低了82.6%。当 u0为 3 m/s 时，NO 质量分数在多孔介质内迅速增加随后大幅下降，从峰值 6.36 × 10−3 g/g 下降到多孔介质下表面处的 1.44 × 10−3 g/g。这是由于进口速度的减小导致火焰温度有所下降，有效减少了热力型 NO 的生成;此外，较小的来流速度增加了生成物在多孔介质内的停留时间，有利于 NO 的还原反应。

　　3 结 论

　　对多孔介质燃烧器中预混氨/空气燃烧的基本火焰特性进行了模拟研究。通过改变各类参数，考察了进口速度和多孔介质的导热系数对火焰温度、火焰位置及 NO 排放特性的影响。结果表明：

　　(1)多孔介质燃烧器能在当量比(Φ = 0.9 ~ 1.2)和进口速度(u0 = 3 ~ 7 m/s)范围内稳定氨−空气火焰，且多孔介质内部的温度分布较为均匀。

　　(2)多孔介质导热系数的增大均能提高有效导热系数，使得火焰的最高温度有所下降，且火焰位置稍向上游移动。

　　(3)减小进口速度和增大当量比(Φ = 1.0 ~ 1.2)能够显著降低 NO 的排放。——论文作者：陈达南 1,2，李 军 2†，邓立生 2 ，黄宏宇 2 ，陈 颖 1

　　本文来源于：《新能源进展》将跟踪新能源热点领域,反映较新研究成果,主要报道我国新能源与可再生能源,包括太阳能,生物质能,风能,海洋能,地热能,天然气水合物等领域科学技术以及可再生能源,集成互补和相关配套技术的较新进展和研究成果.设有：研究报告、文献综述、简报、专题研究等栏目。

文章名称：多孔燃烧器中氨/空气燃烧特性数值研究

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