等離子助燃高爐煤氣燃燒室模擬研究

楊天南，游濱川，楊家龍，李沛澤，劉 瀟

(1. 海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室， 沈陽 110043；2. 哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，哈爾濱 150001)

高爐煤氣屬于低熱值氣體燃料，是重要的二次能源，我國每年大約有20%的高爐煤氣約900萬噸無法燃燒而直接排放掉[1-2]。因此，高爐煤氣在我國的直接利用率不高，它的主要可燃成分是CO、CO2和H2，其中H2僅占1%～4%，不可燃成分主要有N2和CO2，占比約為16%～19%和58%～60%。因此，高爐煤氣中H2含量較低，導致其點火困難，燃燒不穩(wěn)定，尤其在燃氣輪機低工況時易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，燃燒不完全熄火現(xiàn)象。高爐煤氣中CO屬于有毒氣體，直接排放到周圍環(huán)境中會污染環(huán)境并浪費這種二次能源[3]。

為了有效地解決上述問題，有必要引入等離子體點火助燃技術。一方面，等離子體中因外界施加能量而產生大量的高能電子，高能電子與中性粒子的碰撞反應會產生離子、自由基團等活性粒子。這對于傳統(tǒng)燃燒提供一些新的反應途徑來增強燃燒的一些特性，如點火延遲時間、燃燒穩(wěn)定性等。另一方面，由于等離子體產生時間尺度非常小，一般為毫秒或者納秒尺度，這將導致放電時的能量釋放較為集中，在放電瞬間的溫度與壓力的急劇上升會增加空氣與高爐煤氣燃料的摻混，對燃氣輪機燃燒室內的流場也會施加強力的擾動[4]。

Kosarev等[5]對納秒脈沖放電點火在高壓條件下進行了動力學研究，研究結果證明：等離子體中氧原子是影響點火延遲時間的重要活性粒子。Sun等[6]建立了包含納秒脈沖點火器與逆流燃燒器的非平衡等離子體強化燃燒系統(tǒng)，以研究等離子體強化燃燒機理，并將研究結果總結為化學輸運強化、熱力學強化和化學動力學強化。Starikovskiy等[7]將等離子體助燃的作用機理分為熱效應和非熱效應兩種，也就是熱力學強化與輸運強化，研究表明，這兩種助燃效應可以單獨或者共同作用與燃燒反應過程。Ju等[8]首先討論了等離子體化學的動力學途徑以增強低溫燃料燃燒?；邳c火和熄火S曲線,分析了等離子體化學對低溫條件下燃料氧化途徑的影響,大大提高了點火可靠性和火焰穩(wěn)定性。劉燕燕[9]耦合了流體力學基本流動方程、麥克斯韋方程、增加洛倫茲力項、電場源項來模擬等離子體的流動特征，結果表明：在點火器工作溫度范圍內，射流區(qū)域內的高溫空氣電離產生的氧原子成分有助燃作用。

綜上所述，等離子體可以改善燃燒不穩(wěn)定，這對于低熱值燃料高爐煤氣燃燒十分重要，等離子體中活性粒子的濃度不同對助燃效果的影響有顯著差異。本文基于等離子體中活性粒子氧原子對高爐煤氣燃燒室的燃燒流場的影響進行數(shù)值模擬研究，對比分析不同濃度的活性粒子對燃燒流場溫度、速度和燃燒效率的影響，并分析其影響機理。

1 數(shù)學模型

1.1 燃燒模型

工程應用與數(shù)值模擬中常用EDC、ED和非預混PDF模型等燃燒模型來模擬燃料燃燒反應[10]，其中EDC模型中包含詳細的化學反應機理，這可以很好地模擬燃燒室熱態(tài)場的流場特性與燃燒反應過程[11]。因此,本文選用EDC模型來研究等離子體助燃對燃氣輪機燃燒室的熱態(tài)場影響規(guī)律。

EDC模型認為化學反應只發(fā)生在細微結構中，細微結構的容積比率為ε*，在經過一個時間尺度τ*開始反應。

(1)

式中：Cε=2.137 7，Cτ=0.408 2，υ為運動粘性系數(shù)。

化學反應速率按照Arrihenius公式計算[12]。Arrihenius公式：

(2)

式中：kf,r為反應速率常數(shù)；Ar為指數(shù)前因子；βr為溫度指數(shù)；Er為反應活化能，J/kmol；R為氣體常數(shù)，J/(kmol·K)。

1.2 湍流模型方程

由于湍流粘性應力項的引入導致方程不能封閉，因此，引入湍流模型來確保方程封閉。Realizable k-ε模型在標準的k-ε模型基礎上為湍流耗散率添加了新的傳輸方程，在研究強湍流流動時，Realizable k-ε更能反映真實的流動情況[13]，因此本文選用Realizable k-ε模型。其方程如下:

(3)

(4)

2 計算模型與邊界條件

2.1 計算模型

如圖1(a)所示，本文的物理模型是某燃氣輪機燃燒室，燃料采用高爐煤氣，該燃燒室是單筒逆流式的燃燒室[14]。燃燒室總體長度約為574 mm，燃燒室徑向長度約為242 mm?？諝庋趸瘎┩ㄟ^入口進入到燃燒室外機匣內，后經過旋流器進氣孔、主燃孔、冷卻孔和摻混孔等進入到燃燒室火焰筒中與高爐煤氣燃料進行摻混燃燒。如圖1(b)所示，采用非結構化網格，計算收斂精度達到10-5，分別繪制了237萬、408萬、626萬三種網格數(shù)量進行數(shù)值模擬。當網格數(shù)量大于408萬時，燃燒室內中軸線上的速度與溫度變化差距較小,這說明數(shù)值模擬的結果已經與網格數(shù)量無關。在現(xiàn)有計算能力的要求下，本文數(shù)值模擬采用的網格數(shù)量為408萬。

(a) 幾何結構

(b) 網格無關性驗證圖1 高爐煤氣燃燒室

2.2 邊界條件

入口空氣流量為0.98 kg/s，溫度為430 K，壓力為3.131 MPa。燃料組分摩爾分數(shù)由某鋼鐵廠提供的高爐煤氣成分表，如表1所示，高爐煤氣質量流量0.12 kg/s。壁面邊界條件應用絕熱無滑移壁面。

表1 高爐煤氣燃料組分(摩爾分數(shù))

圖2為高爐煤氣的空氣預混層流火焰速度的實驗值和Chemkin計算值的對比。其中實驗數(shù)據(jù)取自翁武斌[15]等人采用熱流量法測得，模擬計算采用了GRI-mech 3.0 機理、USC 機理[16]和Davis機理[17]三種機理。其中，GRI-mech3.0機理包含325 個基元反應和53 種組分，USC機理包含784 個基元反應和111 種組分，Davis機理包含了30 個基元反應和14 種組分。

注：柱狀圖為模擬值與實驗值的相對誤差圖2 高爐煤氣機理驗證

可以看出，隨著當量比由0.7 到2.1，三種機理模型都可以較好地模擬出低熱值燃料層流火焰速度的變化趨勢，且模擬值與實驗值的相對誤差在8.4%以內。其中GRI-mech3.0機理的平均相對誤差最小在3.1%，這是由于GRI-mech3.0機理所包含的物種與基元反應最多，對反應過程的描述就更為準確，因此，本文采用GRI3.0機理進行模擬。

3 計算結果與分析

3.1 燃燒室熱態(tài)場分析

從圖3(a)可知，燃燒室頭部均有一個穩(wěn)定的對稱回流區(qū)，可以看出，空氣從機匣上的主燃孔進入火焰筒時，對燃料噴嘴出來的旋流高爐煤氣有強烈的截流作用，從而形成回流區(qū)。回流區(qū)的存在對高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒有重要作用[16]。

燃燒室頭部的回流區(qū)氣流結構增加了高爐煤氣在燃燒室內的停留時間，提高了高爐煤氣燃燒的穩(wěn)定性。由圖3(b)可知，在燃燒室的頭部燃料噴嘴附近形成高溫區(qū)，在主燃孔后有少部分的高溫區(qū)，高溫區(qū)內最高溫度達到1 712 K，隨著主燃孔、冷卻孔和摻混孔等空氣的進入，接近燃燒室出口，燃燒室內溫度逐漸降低至1 200 K。

(a) 速度流線圖

(b) 溫度云圖圖3 高爐煤氣燃燒室熱態(tài)場

圖4(a)為高爐煤氣燃料中可燃成分CO的云圖分布，可以看出，高爐煤氣燃料濃度呈U字形分布，高爐煤氣經過旋流噴嘴噴出旋流進入燃燒室，燃料氣向燃燒室壁面擴散，中軸線附近較少，近壁兩側較多。高爐煤氣沿燃燒室徑向范圍分布越大，越利于形成回流區(qū)，但太大的徑向范圍易使燃燒室壁面溫度過高燒毀燃燒頭部。由圖4(b)可知，隨著燃燒室的軸向距離的增加，高爐煤氣可燃成分CO的徑向分布越來越均勻，這表明高爐煤氣在燃燒室中與空氣摻混更加充分，更有利于燃燒室組織高爐煤氣的燃燒。

(a) CO摩爾分數(shù)分布云圖

(b) CO截線摩爾分數(shù)分布圖4 燃燒室CO分布圖

3.2 等離子體助燃特性研究

本文的等離子體助燃實質是在空氣進入燃燒室之前通過等離子發(fā)生器對其進行放電[18]，從而產生大量的具有化學活性的粒子，這些粒子會對流場產生擾動，提高燃燒化學反應速率，增強燃燒的穩(wěn)定性。Starikovskiy[19]的研究結果表明等離子體中活性粒子氧原子的摩爾分數(shù)在1%左右。

因此本文在模擬等離子體助燃的過程中，在空氣進口增加0.5%，1%，1.5%，2%的活性粒子氧原子(圖中用O表示)四種邊界條件來探究不同濃度的活性粒子助燃高爐煤氣燃燒室特性。如圖5所示，等離子體中的氧原子隨著主燃孔、冷卻孔和摻混孔的空氣進入到燃燒室火焰筒進行助燃。

圖5 助燃氧原子進入燃燒室示意圖

3.2.1 溫度分布

如圖6所示，在燃燒室內頭部燃料噴嘴后回流區(qū)內的燃燒劇烈形成高溫區(qū)，并且在主燃孔后部有少量的燃燒劇烈區(qū)域，在等離子體助燃條件下，燃燒室頭部的高溫區(qū)體積增大，逐漸向燃燒室出口方向增長，這表明等離子體活性粒子的加入使高爐煤氣燃燒的更加充分，燃燒釋放出更多熱能，火焰筒內部的組織燃燒過程朝著有利的方向發(fā)展。如圖6(e)所示，可以看出，隨著活性粒子的增加，主燃孔后的高溫區(qū)逐漸增大，在火焰筒中部匯合，最后影響到燃燒室出口，燃燒室出口最高溫度存在1 300～1 400 K，過高的燃燒室出口溫度對于燃燒室后的渦輪使用壽命有著重大損害，為避免這種情況發(fā)生，應增大火焰筒上的摻混孔與冷卻孔的孔徑，增大空氣流量以降低燃燒室的出口溫度，為燃氣輪機渦輪提供較好的工作環(huán)境。

(a) O=0%

(b) O=0.5%

(c) O=1%

(d) O=1.5%

(e) O=2%圖6 燃燒室子午面溫度分布

圖7為等離子體助燃條件下的火焰筒中軸線溫度分布，不同濃度的等離子活性粒子條件下的燃燒室頭部的高溫區(qū)位置不變。隨著助燃原子的加入，高溫區(qū)后移，與無等離子體助燃相比，采用等離子體助燃高爐煤氣燃燒室的燃料噴嘴更加安全，不易出現(xiàn)回火導致燃料噴嘴被燒蝕現(xiàn)象。五種濃度的等離子活性粒子工況下的燃燒室中軸線上的平均溫度分別為1 002.09 K，1 050.80 K，1 091.19 K，1 122.08 K，1 146.47 K，結論同燃燒室云圖吻合。隨著等離子活性粒子濃度的增加，燃燒室中軸線上的平均溫度呈增加趨勢，但不同工況之間的相對增量逐漸減少，這意味著等離子活性粒子濃度的逐漸增加，活性粒子對高爐煤氣的助燃效果逐漸降低。

圖7 燃燒室中軸線溫度分布

3.2.2 速度分布

圖8是高爐煤氣燃燒室內的速度分布。對比結果圖可以發(fā)現(xiàn)，一方面，隨著等離子活性粒子濃度的增加，高爐煤氣燃燒室內的速度最大值由傳統(tǒng)燃燒室的43 m/s增大到72 m/s，且燃燒室火焰筒內的回

(a) O=0%

(b) O=0.5%

(c) O=1%

(d) O=1.5%

(e) O=2%圖8 燃燒室內速度分布

流區(qū)速度更加均勻，燃燒室頭部的回流區(qū)隨著活性粒子濃度的增加，速度逐漸增大，且空氣進入燃燒室火焰筒上的主燃孔、摻混孔、冷卻孔的氣流速度也逐漸增大，這表明等離子活性粒子的加入使高爐煤氣燃燒室內的速度流場產生影響，增加了空氣進入燃燒室火焰筒的氣流速度，提高了高爐煤氣燃燒室內的燃燒效率。另一方面，傳統(tǒng)燃燒室出口附近存在很大的速度梯度，而等離子體輔助燃燒的空氣動力學效應可以使燃燒室出口的速度分布更均勻，這有利于改善燃氣輪機燃燒室與其他部件之間的匹配。

3.2.3 燃燒效率

燃燒效率是直接體現(xiàn)燃燒室對燃料化學能的轉換效率，是考察燃燒室性能的關鍵指標之一，其定義為[20]:

(5)

表2為進口空氣無活性粒子與增加0.5%，1%，1.5%，2%的活性粒子五種工況下的燃燒效率對比，我們可以看出，在目前燃燒室結構和流場組織情況下，燃料的燃燒效率均較高。五種情況下所得燃燒效率均在95%以上，隨著助燃原子的加入，燃燒室出口平均溫度增加，燃燒效率逐漸增加。

表2 五種工況下燃燒效率對比

4 結論

本章基于Fluent軟件,利用真實燃燒室模型對等離子體助燃低熱值燃料進行數(shù)值模擬，通過對燃燒室溫度分布、速度分布、燃燒效率的分析，研究等離子體對低熱值燃料的助燃特性。通過對比分析可以得到如下結論:

(1) 燃燒室內高爐煤氣燃料濃度呈U字形分布。高爐煤氣沿燃燒室徑向范圍分布越大，越有利于形成回流區(qū)，但太大的徑向范圍易使燃燒室壁面溫度過高燒毀燃燒頭部。在燃燒室的頭部燃料噴嘴附近形成高溫區(qū)，在主燃孔后有少部分的高溫區(qū)。

(2) 通過在空氣入口加入等離子活性粒子氧原子來模擬等離子體助燃效果，隨著活性粒子的加入，高爐煤氣燃燒室頭部高溫區(qū)范圍增大，火焰筒內的回流區(qū)速度更加均勻，燃燒效率由97.38%增加到99.65%。活性粒子濃度越高，等離子助燃高爐煤氣燃料燃燒強化效果會逐漸減弱。