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天然气富氧燃烧特性及污染物生成研究

范文

任昕

摘? ? ? 要：面对CO2减排的迫切需要和新能源发展受限的挑战，集于节能减排于一体的富氧燃烧技术应运而生。该前沿技术可通过对温室气体进行系统控制，从而创造低碳环保及增产创收的双赢的局面。利用FLUENT软件对O2/CO2氛围下天然气富氧燃烧进行数值模拟，在最优氧气浓度30%，助燃气体温度为300 K的条件下，选取不同的O2/CO2配比，即设置CO2的浓度分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，对比分析这八组实验的燃烧温度分布特性、组分浓度分布特性、出口平均速度分布特性、污染物NOx的排放水平，从而确定不同的燃烧条件对燃烧特性的影响规律，找出最佳O2/CO2配比浓度范围，并对结果进行拟合总结分析，最终得到天然气最佳的燃烧条件，使天然气燃烧效率最高，达到减少污染物的排放、节约能源目的。

关? 键? 词：天然气;富氧燃烧;燃烧特性

中图分类号：TF 055? ? ? ?文献标识码： A? ? ? ?文章编号： 1671-0460（2019）09-2083-04

Abstract： In response to the urgent need for carbon dioxide emission reduction and the challenge of limited development of new energy， oxy-fuel combustion technology emerges as the times require， which integrates energy-saving and emission-reduction. This cutting-edge technology can be used to systematically control greenhouse gases， thereby creating a win-win situation for low-carbon environmental protection and increasing production and income. In this paper， FLUENT software was used to simulate the oxy-fuel combustion of natural gas in O2/CO2 atmosphere. Under the conditions of optimum oxygen concentration of 30% and combustion-supporting gas temperature of 300 K， different O2/CO2 ratios were selected， i.e. the concentration of CO2 was respectively 5%， 10%， 15%， 20%， 25%， 30%， 35%， 40%. The combustion temperature distribution characteristics， component concentration distribution characteristics， outlet average velocity distribution and pollutant NOx emission level of these eight groups of experiments were compared and analyzed. The effect of different combustion conditions on the combustion characteristics was investigated， and the optimum range of O2/CO2 concentration ratio was determined， and a fitting summary and analysis of the results was carried out to obtain the optimum combustion conditions of natural gas， which can make the combustion efficiency of natural gas be the highest， and the emission of pollutants be lowest.

Key words： Oxygen; Enriched combustion; Combustion characteristics

富氧燃燒又称为空气分离/烟气再循环技术，该技术采用比常规空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，用燃烧生成的CO2代替空气中的N2反复循环使用，通过调整助燃空气与循环烟气的比例控制O2/CO2配比以适应不同的燃烧要求[1，2]。富氧燃烧排烟中富含高浓度CO2，便于后续碳捕集的顺利进行。相较于传统燃烧，其优越性体现在：

（1）降低NOx的排放量[3]：Sun[4]等分析富氧燃烧中温度对NOx排放水平的影响，随着温度升高及CO2浓度增加，NOx生成量显著降低;

（2）提高火焰温度、加快燃烧速度、促进燃烧反应完全[5]：钟孝蛟[6]等利用Chemkin软件模拟O2/CO2，O2/N2，O2/CO2/Ar三种气氛下直链烷烃燃烧的火焰传播速度，结果表明在相同条件下，甲烷在O2/CO2气氛中燃烧火焰传播速度约为O2/N2气氛中燃烧火焰传播速度的1/18，乙烷约为1/7;

（3）增强烟气的传热能力及降低烟黑污染物排放水平：梁军辉[7]分析富氧程度的提高对扩散火焰中烟黑生成规律的影响，得出氧浓度升高会促进燃烧温度的升高从而抑制烟黑生成量的结论。

本文利用FLUENT软件进行O2/CO2氛围下天然气燃烧的数值模拟，在最优氧气浓度30%，助燃气体温度为300K的条件下，设置CO2的浓度分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，选取这八组实验的燃烧温度分布特性、组分浓度分布特性、出口平均速度分布特性、污染物NOx的排放水平等进行对比分析，确定不同的燃烧条件对燃烧特性的影响规律，找出最佳O2/CO2配比浓度范围，对结果进行拟合总结分析，最终得到天然气最佳的燃燒条件，使天然气燃烧效率最高，达到减少污染物的排放、节约能源目的。

1? 数值模拟方法

1.1? 几何模型及网格划分

本模拟采用平面图如图1所示的轴对称圆筒形燃烧器：燃烧器壁面温度保持在300 K，中心处有一长为10 mm的喷嘴，其外径为12 mm。天然气以60 m/s的速度经喷嘴进入燃烧器，助燃气体则以0.6 m/s的速度从喷嘴周围进入燃烧器，二者边混合边燃烧，产生均匀的湍流扩散火焰。燃烧器每间隔0.5 m设置一个厚度为5 mm、高为0.1 m的挡环，可有效加速燃烧进程。从喷嘴进入的天然气在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气进行混合。

燃烧器网格的精确度和质量直接关系到模拟计算精确与否，利用GAMBIT软件对燃烧器划分四边形单元结构网格，共生成13 882个节点，27 436个网格。燃烧器喷嘴及挡板附近的气体流速较快、反应进行较激烈，故采用细密网格。在燃烧器的其他区域，气体流速较低、反应进行相对平缓，故采用稀疏网格（图2）。

1.2? 控制方程及边界条件

本文选用的天然气气质条件：CH4 94.48%、C2H6 3.87%、C3H8 0.58%、CO2 0.52%及N2 0.55%。采用流体动力学基本控制方程[9]，其普遍形式如下：

定义燃烧模型为轴对称模型，采用标准k-epsilon模型[10]模拟湍流扩散运动，选择Volumetric反应、甲烷-空气组合Mixture Material和Eddy-dissipation（涡流—耗散模型）进行化学反应动力学数值模拟，并对边界条件进行如表1所示的设置。

2? 数值模拟结果对比分析

2.1? 燃烧温度分布特性

在O2浓度为30%，助燃气体温度为300 K的富氧燃烧条件下，以每5%为一个区间，将CO2的浓度范围从5%调整至40%，燃烧器的喷嘴处的平均温度基本上都低于600 K。由于本模型为非预混燃烧，在喷嘴处助燃气体与天然气刚开始混合，燃烧还未快速放热。在距离喷嘴约为10 mm的位置温度开始急剧上升，其原因在于助燃气体与天然气开始快速混合并发生燃烧反应，反应持续放热（图3）。

图3（a）至图3（e）为变CO2浓度条件下的主要温度等值线，可以看出，随着CO2的浓度升高，温度等值线图中的高温区的形成部位略微缩小，温度梯度总体变化不大。

图4为CO2浓度变化对燃烧器平均出口温度的影响规律分布图，在O2浓度一定的情况下，随着CO2的浓度升高，天然气的平均出口温度呈下降趋势。

产生这一现象的原因在于：

（1）助燃气体中的CO2浓度增加，O2浓度不足，使天然气燃烧不完全，导致燃烧器出口处温度下降;

（2）CO2的比热大，吸收的热量多，因此随着CO2浓度的升高，散热逐渐变缓，出口处的温度下降。

2.2? 组分浓度分布特性

燃烧器出口处的CO2质量分数随着助燃气体中的CO2浓度的升高而升高，并且升高趋势十分明显。在助燃气体中CO2浓度为40%时，燃烧器的出口处CO2质量分数接近于50%。

说明助燃空气中CO2的配比越高，在燃烧反应中生成的CO2浓度也越高便于富集和封存，故富氧燃烧采用液化回收大部分的烟气及少部分烟气与富氧空气成比例混合后循环利用的方法，以实现CO2的资源化利用（图5）。

2.3? 速度分布特性

选取O2浓度为30%时候的天然气燃烧的速度矢量图来研究天然气的速度分布特性（图6）。

由于挡板的存在，形成了明显的回流区，整个圆筒燃烧器内的流动可看成是二维不可压缩流动，其流动规律可由伯努利方程和二维连续性方程进行描述。当气体流经挡板时，根据连续性方程可以推出，空气的流速增加，同时由伯努利方程得到此时静压力将会减少，压力差由此产生，从而导致空气加速流动，故产生了回流区，加速了气体流动，增加氧气分子与燃料分子的碰撞概率，从而加快燃料气体与助燃气体的混合速度，更好的促进燃烧反应的进行。

图7为不同CO2浓度下燃烧器出口平均速度分布图。

可此看出，随着CO2的浓度升高，燃烧器面积平均出口速度呈下降趋势。CO2的摩尔质量比O2大，因此CO2的浓度上升使气体流动速度变缓，导致平均出口速度减小。

2.4? 污染物NOx的排放水平

燃烧排放的污染物NOx中主要成分为NO（至少占比95%），因此NOx排放量可通过燃烧器出口处NO的浓度来替代表示。随着助燃气体中CO2浓度增加，燃烧器出口NO质量分数逐渐降低，且下降梯度较为均匀。为降低NOx的生成量，应该尽量使CO2与助燃气体混合，且在富氧程度一定时，助燃气体所占百分比越大，NOx的生成量越少，对环境越有益[11]，同时验证了富氧燃烧技术是一种能综合控制污染物排放的新型洁净节能燃烧技术（图8）。

3? 结论

本文在阅读了大量现阶段国内外文献的前提下，以fluent模拟燃烧为基础，对O2/CO2氛围下天然气燃烧进行数值模拟分析，在最优氧气浓度30%，助燃气体温度为300 K的富氧燃烧条件下，改变CO2的浓度分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，对天然气进行燃烧模拟，进而分析其燃烧特性。主要分析了对天然气燃烧产生的CO2及NOx的生成量、燃烧平均温度和出口速度的影响，得出以下结论：

（1）在O2浓度一定的情况下，随着CO2的浓度升高，天然气的平均出口温度及出口处的速度都呈下降趋势。

（2）出口处的CO2质量分数随着助燃气体中的CO2浓度的升高而升高，并且升高趋势十分明显。

（3）NOx的生成量随着助燃气体中CO2与氧气配比的增加而降低，且下降梯度较为均匀。

参考文献：

[1]郑楚光，赵永椿，郭欣.中国富氧燃烧技术研发进展[J].中国电机工程学报，2014，34（23）：3856-3864.

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[3]游卓.富氧燃烧过程中的NOx控制及其系统效率研究[D].浙江大学， 2013：12-14.

[4]刘宏卫.气氛下炉内燃烧过程数值模拟研究[D].保定华北电力大学，2009：35-37.

[5]Chen R， Axelbaum R. L.Scalar. Dissipation rate at extinction and the effects of oxygen-enriched combustion[J]. Combust flame， 2005， 142： 62-71.

[6]钟孝蛟，刘豪，赵然，王子剑，胡翰，闫志强，邱建荣.O2/CO2气氛下火焰传播速度影响因素分析[J].2011.

[7]梁军辉.氧浓度对扩散火焰中烟黑的生成及分布特性的影响研究[D]. 杭州：浙江大学，2012：47-48.

[8]韩占忠. fluent流体工程仿真计算实例与应用[M]. 北京：北京理工大学出版社， 2004： 233-236.

[9]次英. 流体力学与传热学基础[M]. 北京：科学出版社，2016：16-20.

[10]刘方，翁庙成，龙天渝. CFD基础及应用[M].重庆：重庆大学出版社.2015：36-40.

[11]刘畅.天然气富氧燃烧特性分析[J].当代化工，2018，47（04）：854-857.

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