頁巖氣燃燒器燃燒特性的數(shù)值模擬

楊仲卿 郭名女 耿豪杰 鐘志剛 張 力

1．低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室·重慶大學 2．重慶科技學院機械與動力工程學院

近些年，非常規(guī)天然氣的開發(fā)和利用受到了廣泛的關注［1－4］。頁巖氣，主體上以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中，頁巖氣的成分比較復雜，主要化學成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)［5－7］。我國具有豐富的頁巖氣資源，探明的可采頁巖氣資源量超過26×1012m3，遠期預測儲量更是超過100×1012m3［6－7］。在我國頁巖氣還處于勘探開發(fā)階段，對頁巖氣開發(fā)后的清潔高效利用還未有相應的文獻報道及技術(shù)支撐。因此，有必要在頁巖氣大規(guī)模開發(fā)之前，弄清頁巖氣清潔燃燒特性并研發(fā)適合其燃燒的燃燒器，為頁巖氣的進一步應用提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 物理及數(shù)學模型

1．1 頁巖氣燃燒器的設計

由鉆井得到的頁巖氣中甲烷的體積分數(shù)比較高，一般可以達到70%～90%，四川盆地南部鉆井得到頁巖氣中的甲烷體積分數(shù)為86．5%，其余則主要是N2。為了便于模擬和研究頁巖氣的燃燒狀況，選用甲烷體積分數(shù)為85%、氮氣體積分數(shù)為15%的混合氣體作為燃氣，頁巖氣的低位熱值為30 520kJ／m3。筆者設計的頁巖氣主要針對小型工業(yè)鍋爐，額定熱負荷為200kW。

所設計的燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)包括燃氣中心管、空氣入口管，腔體和擴散孔。燃氣中心管和腔體的結(jié)構(gòu)尺寸可以通過氣體燃燒器設計手冊和有關文獻計算得出［8－11］，空氣入口管尺寸根據(jù)相關經(jīng)驗得出，燃燒器燃氣入口管徑為20mm，腔體直徑為64 mm，擴散孔直徑為8mm，燃氣中心管長為220mm。

圖1 頁巖氣燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖

1．2 數(shù)學模型

考慮燃燒器內(nèi)部有很多擴散孔和彎曲結(jié)構(gòu)，有漩渦形成，而且燃燒器出口也可能有較大的回流區(qū)形成，選用標準的k—ε模型作為湍流模型［12－15］；氣體的燃燒采用甲烷兩步反應模型；輻射選用P1輻射模型；頁巖氣中含有一定量的氮氣，對于氮氧化合物的生成考慮了熱力氮和快速氮的生成以及氮氧化合物的再燃效應，采用后處理的方法，在已知爐內(nèi)流場和溫度場的情況下，對氮氧化合物求解組分輸運方程。

1．3 求解方法及邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格來劃分燃燒器網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格來劃分爐膛區(qū)域，經(jīng)網(wǎng)格無關化驗證，網(wǎng)格總數(shù)選取23×104?？諝馊肟诤腿細馊肟诙x為速度型入口邊界，出口定義為壓力型出口邊界，燃燒器壁面以及燃燒區(qū)域外壁面為無滑移靜態(tài)邊界，采用SIMPLE算法求解。

2 結(jié)果及分析

通過數(shù)值分析的方法研究了過量空氣系數(shù)（α，為1．05～1．35）對頁巖氣燃燒的爐膛內(nèi)溫度分布、轉(zhuǎn)化率及污染物排放的影響規(guī)律［16］，并在燃燒器出口位置加裝鈍體對燃燒器進行優(yōu)化，提高燃燒效果。

2．1 頁巖氣燃燒器燃燒特性

在過量空氣系數(shù)（α）分別為1．05、1．15、1．25和1．35這4種工況下，爐膛燃燒區(qū)域溫度沿中心軸向距離（X）為0～2．0m（取燃燒器擴散噴口出口為X＝0的位置）的分布如圖2所示。

圖2 溫度沿中心軸向距離的分布圖

從圖2可以得出，α為1．05時的溫度峰值最大，達到2 465K；其次是α為1．25時，溫度峰值為2 313 K；再次是α為1．15時，溫度峰值為2 240K；α為1．35時，溫度峰值最小，為2 174K。α為1．35時的溫度峰值離燃燒器出口最近，且溫度上升很快，在X為0．60m處，溫度就達到了最大值，而α為1．05時的溫度峰值離燃燒器出口最遠，在X為1．08m時溫度才達到最大值。這主要是由于，α為1．35為所有模擬工況中的最大過量空氣系數(shù)，在空氣與燃氣混合燃燒時，氧氣含量充足，著火最快，溫度很快就達到最大值，而α為1．05時燃氣與氧氣混合相對不夠均勻，達到最高溫度的區(qū)域向后推遲。

爐膛內(nèi)的溫度上升太緩慢，會使得著火滯后，降低著火源的溫度，對燃氣的穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生負面影響，特別是對于頁巖氣，不同地方開采的頁巖氣中甲烷體積分數(shù)都不盡相同，甚至相差較大，在燃燒過程中，如果著火相對靠后，著火源溫度不高，將會使得爐膛燃燒不穩(wěn)定，影響燃燒效率。如果著火過于提前，燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)域會破壞燃燒器，不利于燃燒器的長期使用。

圖3反映了甲烷質(zhì)量分數(shù)沿中心軸向距離的分布情況。在爐膛的尾部，甲烷的質(zhì)量分數(shù)都幾乎為0，4種工況的甲烷轉(zhuǎn)化率都超過99．8%，其中，α為1．15、1．25、1．35這3種工況下的甲烷質(zhì)量分數(shù)變化最快，到X為0．60m處就幾乎燃盡，容易在燃燒器根部形成高溫區(qū)域；α為1．05時，甲烷質(zhì)量分數(shù)下降相對緩慢，在0．60m 處達到1．2%。

圖3 甲烷質(zhì)量分數(shù)沿中心軸向距離的分布情況圖

圖4為NO質(zhì)量分數(shù)沿中心軸向距離的分布情況，由圖4可知，α為1．05時，NO的峰值最大，其質(zhì)量分數(shù)達到0．11%，結(jié)合圖2的溫度分布可知，當α為1．05時，具有最高的溫度峰值，較高的溫度會促使熱力型NO的生成量增加；α為1．15時，NO的峰值為0．018%；α為1．25時，NO 的 峰 值 為0．039%；α為1．35時，NO的峰值為0．012%，可以看出NO的生成量與燃燒工況的溫度有較大的關系。NO的質(zhì)量分數(shù)隨著軸向距離的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，如α為1．05時，在X為1．0～1．6m區(qū)間NO的質(zhì)量分數(shù)最高，結(jié)合圖2可知該區(qū)間具有較高的溫度分布。4種過量空氣系數(shù)下爐膛出口處NO的質(zhì)量分數(shù)分別為0．042 7%，0．002 18%，0．000 996%，0．000 254%，從減少污染物排放的角度考慮，工況4（α為1．35）是最優(yōu)的，產(chǎn)生的NO含量最低。

圖4 NO質(zhì)量分數(shù)沿中心軸向距離的分布情況圖

2．2 鈍體對燃燒特性的影響及燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

增加鈍體可以有效增加燃燒器出口的回流區(qū)域，使燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣回流，增加燃燒的穩(wěn)定性，提高燃燒效率，同時還能有效提高爐膛溫度的均勻性。圖5為在燃燒器出口加裝鈍體后的中心軸線區(qū)域溫度分布情況，圖6為燃燒爐膛溫度分布云圖。

圖5 加裝鈍體后中心軸線區(qū)域溫度的分布情況圖

由圖5、6可知，加裝鈍體后，峰值溫度下降，平均溫度較沒加裝鈍體之前有所降低，X為0．8m后溫度相對均勻，燃燒穩(wěn)定，且有利于降低NO的生成量，可見加裝鈍體優(yōu)化后燃燒器的整體性能有所提高。同時從圖中還可以看出：α為1．05時，中心軸向距離0．22 m以后的溫度均高于α為1．15、1．25、1．35時的溫度。這主要是由于空氣與燃氣剛噴出時，α為1．15、1．25、1．35時的空氣量相對較足，反應進行迅速，溫度升高較快，致使3種工況在中心軸向距離0．22m以前具有較高的溫度，但由于頁巖氣中甲烷的濃度一定，燃燒放熱量一定，隨著過量空氣系數(shù)的增加，反應溫度有所降低，在X為0．22m以后較為明顯。

圖6 加裝鈍體后燃燒爐膛溫度分布云圖

數(shù)值研究結(jié)果表明，加裝鈍體后甲烷的質(zhì)量分數(shù)在出口處為0，加裝鈍體能夠?qū)崿F(xiàn)頁巖氣的完全燃燒。加裝鈍體優(yōu)化后，燃氣噴出后遇到鈍體擾流，產(chǎn)生一定的回流區(qū)域，使高溫煙氣回流，并加熱剛噴出的燃氣，使其迅速燃燒，減少了著火時間。圖7為加裝鈍體后NO質(zhì)量分數(shù)沿中心軸向距離的變化情況，與圖4中未加裝鈍體優(yōu)化前進行對比，加裝鈍體優(yōu)化后，在相同位置處NO的質(zhì)量分數(shù)明顯降低，主要是由于加裝鈍體后，爐膛溫度有所降低，同時爐膛溫度較均勻。因此NO的生成量較少。

圖7 加裝鈍體后NO質(zhì)量分數(shù)沿中心軸向距離的變化情況圖

由圖7可知，α為1．05、1．15、1．25和1．35時，NO質(zhì)量分數(shù)峰值均出現(xiàn)在X為1．2m處，分別為0．014 1%，0．003 10%，0．003 27%，0．000 902%。峰值出現(xiàn)在此區(qū)域的原因是著火熱源比較穩(wěn)定，燃氣與空氣混合均勻，燃燒充分，且輻射傳熱較少，溫度較高，熱力型NO生成量較大。結(jié)合圖5可知，α為1．05工況具有最高的溫度峰值，所以該工況下污染物NO的生成最大。綜合考慮流動特性、燃燒溫度及其均勻分布情況、燃燒效率、甲烷濃度場分布和NO的生成量等，增加鈍體優(yōu)化后的燃燒器過量空氣系數(shù)為1．25的工況性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

設計了小型工業(yè)爐使用的200kW的頁巖氣燃燒器，并采用數(shù)值分析的方法研究了其燃燒特性，分析了過量空氣系數(shù)和鈍體對頁巖氣燃燒特性的影響規(guī)律。

1）過量空氣系數(shù)為1．05、1．15、1．25、1．35這4種工況下，燃燒器的燃燒效率均可超過99．8%；隨著過量空氣系數(shù)增大，爐膛的峰值溫度降低；過量空氣系數(shù)較大時，容易在燃燒器根部形成高溫區(qū)域；未加裝鈍體時，NO的生成量較大，NO的生成量隨過量空氣系數(shù)的增加而減小。

2）在燃氣管出口處增加鈍體后，可實現(xiàn)甲烷的完全轉(zhuǎn)化；與未加裝鈍體相比，爐膛溫度峰值下降，鈍體后形成回流區(qū)，回流的高溫煙氣能夠有效預熱噴出的燃氣，減少了著火時間，溫度分布較均勻，燃燒狀況穩(wěn)定，NO的生成量較低。

3）綜合考慮流動特性、燃燒溫度及其均勻分布情況、燃燒效率、甲烷濃度場分布和NO的生成量等，增加鈍體優(yōu)化后燃燒器過量空氣系數(shù)為1．25的工況性能最優(yōu)。

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