CO2稀释及合成气构成对预混燃烧特性的影响

第17卷第5期燃烧科学与技术Vol 17 No 52011年10月Journal of Combustion Science and TeclOct 2011CO2稀释及合成气构成对预混燃烧特性的影响安江涛,蒋勇,邱榕,李山岭,胡勇(中国科技大学火灾科学国家重点实验室,合肥230026)摘要:用CO2代替N2作氧化剂的稀释气体不但可以减少NO2的排放,还能有效回收利用CO2.CO2具有与N2不同的物理、化学性质,通过对合成气与不同CO2稀释程度氧化剂的预混燃烧计算发现,CO2体积分数的增加会降低火焰温度进而降低燃烧速度,增加化学反应滞留时间.通过对贫燃拉伸火焰的硏究发现,在CO2稀释氧化剂环境下,合成气中H2比例的增加可以有效增加火焰面的健壮性.对 Karlovizt数的分析发现,H2比例的增加可以降低Karlovizt数,而 Karlovizt数的局部表达形式能更好地体现拉伸极限的物理本质关键词:二氧化碳;合成气;层流燃烧速度;数值模拟中图分类号:TK16文献标志码:A文章编号:1006-87402011)05-0437-06Effect of COr-Diluted Oxygen and Syngas Compositionon characteristics of premixed FlameAN Jiang-tao, JIANG Yong, QIU Rong, LI Shan-ling, HU YongState Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)Abstract: In order to reduce the emission of nitrogen oxides (No, )and reuse the carbon dioxide(co producedthrough combustion, numerical simulation was conducted on the premixed flame of COx-diluted oxygen and differentsyngas composition under non-stretched and stretched conditions. It was found that increasing of the proportion ofCO2 in the oxidant can reduce the adiabatic temperature and slow down the burning velocity of freely propagatingpremixed flames, and then indirectly increase the characteristic residence time, especially in lean flames. Higher Hcomposition in the syngas can improve the robustness of the flame front under different stretched factors. The Karlovitt number and local Karlovizt number were also considered in this paper. Higher H2 composition obviously decrease the value of the Karlovizt number and local Karlovizt number, and the local Karlovizt number presents a bettertendency for the previous conclusions.Keywords: carbon dioxide; syngas; laminar burming velocity; numerical simulation随着气候问题的日益严重,对CO2排放和再利NOx,现在的IGCC发电厂主要以CO2作为O2的稀用的硏究逐渐增多,由于在CO2捕捉方面的优势,释气体,形成适应燃烧炉温度的氧化剂来替代空气IGCC技术在能源行业有着广大的发展前景.与此同在煤电燃烧循环中,采用新的稀释气体必然会时,石油资源日益短缺、价格不断上涨促进了生物质导致燃料的燃烧特性发生变化,一些燃烧技术环节需燃料和水煤气等新能源开发技术的发展,一些大型的要针对这些变化做相应调整,因此,研究新稀释气体燃烧发电厂对以H2、CO为主要成分的合成气的利用和不同混合气的燃烧特性对燃烧器的改进和相关配日渐重视起来.H2、CO的燃烧相对于煤和石油是环套设施的设计十分重要.在针对燃烧特性的基础性保、高效的,但是以空气为氧化剂会产生大量的研究中,大多分析的料为甲棕专门针对合成气火中国煤化工收稿日期:201103-11蕙金项目:国家自然科学基金资助项目(51176181);国家重点基础研究发展计划(973CNMHG作者简介:安江涛(1984-),男,博上研究生, ajta mail ustc. edu.cn.通讯作者:蒋勇,yulang@ustc.edu.cn438燃烧科学与技术第17卷第5期焰的各种特性的系统研究还比较缺乏成为研究拉伸火焰的主要模型:12.本文研究的是由于C02在热力学性质、分子输运性质、化学性预混气的燃烧特性,所以两个喷口均是可燃预混气质方面与N2都有明显差异,比如CO2的等压比热是体,火焰面两侧对称,其模型见图2本文计算了在N2的1.6倍左右叫,虹红外辐射吸收能力较强,在三体对冲火焰模块下不同H2CO比的混合气在不同喷口反应中的伴随效应比N2强2,因此用CO2替代N2作速度下的局部拉伸率、火焰厚度、燃烧速度等重要燃为氧化剂的主要稀释气体必然会带来一些燃烧特性烧特性的变化的变化在进行预混燃烧模块计算时,混合气的出口温度近些年随着对环境问题的关注、IGCC等新技术在各算例中均为298K.在对冲火焰模块计算时,两需求的推动,国内外开展了一些针对性的研究34,如个喷口间距设定为1cm,出口温度298Kchen等研究了cO2作稀释气体下辐射吸收对甲烷火焰国燃烧速度和可燃性极限的影响, Williams等研究了涡旋稳定燃烧器下cO2稀释和不同合成气预混燃烧的特性以及NO2CO排放的变化,而 Andersson等旦燃气体未燃气体的研究指出,低碳烷烃在O2CO2环境下燃烧辐射能图1层流预灑火焰传播示意力的提高不仅是由于CO2的增加提高了燃烧气的发射系数,而且还和火焰前端碳颗粒浓度增加有关预混气体预混贫油燃烧具有燃烧效率髙、污染物排放低的火焰面优点6,现在已经成为涡轮燃机设计的主要燃烧方式.但是预混贫油燃烧不稳定,通过增加燃料中氢气的含量来增强贫油燃烧情况下的稳定性研究在近几停滞面年一直是热点10.CO2作稀释气体的情况下混合气预混气体的贫油燃烧特性也需要重新进行分析研究图2对冲火焰示意本文首先针对不同CO2浓度的氧化剂与不同H2含量的合成气形成的预混自由传播燃烧进行了系统12合成气与氧化剂构成的燃烧速率、火焰厚度等燃烧特性的研究及其贫油燃为了分析不同CO2稀释程度与不同H2含量合成烧特性的分析然后在对冲火焰模型下,研究分析了气的燃烧特性,根据合成气的成分特征,设计了几种燃料中氢气比例的增加对火焰拉伸系数的影响,并引有针对性的氧化剂和燃料,分别见表1和表2.为了入 Karlovitz数对火焰稳定性进行了讨论方便表达,氧化剂和燃料的名称分别用其O2的体积分数和H2的体积分数作为首要区分符.1数值模拟衰1氧化剂及其详细构成氧化剂名称化剂的构皮体积分数)/%02与CO21.1燃烧模型和化学动力学机理体积分数比计算时,采用了 CHEMKIN软件的层流预混火空气217921%O2CO22780269焰模块和对冲火焰模块,其燃烧化学反应机理采用的0435是 GRI-Mech3.0机理2. GRI-Mech3.0机理是目前国34%O2CO2340523际上描述低碳烷烃火焰的代表性详细机理,此机理和40%On-CO400.678CHEMKIN软件相结合可以详细计算分析燃料在特衰2燃料及其详细构成定火焰模型下的温度、速度、组分等参数的分布情况图1为层流预混火焰传播示意,其火焰传播速度燃料名称燃料的构成(体积分数)H2与CO体积分数比是表征预混燃烧特性的重要参数,也是研究预混气可35%H: co( slurry feed0700燃性极限的主要判定依据.笔者通过此模型对预混气的燃烧速度、绝热火焰温度、火焰厚度和化学滞留28%Ha-CO(Dry feed28I64s30438时间进行了系统分析20%中国煤化工140308对冲火焰模型因为其简洁明了的拉伸流场结构50%HCNMHG1414292011年10月安江涛等:cO2稀郸及合成气构成对预混燃烧特性的影响439火焰的化学反应滞留时间为火焰厚度和燃烧速2结果与分析度之比14分析图3d)和图4(d)不同cO2体积分数下合成气在不同当量比下的化学反应滞留时间可以21不同CO稀释环境和含H比对预灑燃烧特性发现,在恰当化学当量比10附近,虽然其火焰传播的影响速度和火焰厚度差异都比较明显,但不管是35%H2首先针对 Slurry feed syngas(图3)和 Dry feedcO气体还是28%H2CO气体,在不同CO2稀释程syngas(图4)在不同CO2稀釋程度、不间当量比下进度下,其预混燃烧火焰的化学反应滞留时间很小,都行了系统的预混燃烧计算,并分析了其燃烧速度绝在10-6的量级上.而在贫燃区不间混合气的化学反应滞留时间随着化学当量比的降低而差异变大,这预混燃烧速度SL0的定义川为种差异的变大也正说明,在贫燃区CO2体积分数的(1)增加使得火焰厚度增加而燃烧速度降低,进而增加了式中:M6为质量流率;p为气体密度;A为燃烧管道化学反应滞留时间横截面积。层流预混火焰的燃烧速度一般主要受温Williams等的预混气实验结果表明,35%H2度和活跃反应分子控制4,温度和活跃反应分子浓C气体分别在和空气、30%O2CO2、34%02CO2三度的提高都能够有效提高火焰传播速度而温度的种氧化剂混合条件下在当量比等于07时,其绝热提高和活跃反应分子浓度的提高是两个相互影响的火焰温度分别为198K、1990K和2118K.而本因素,因为大多活跃反应分子都是在一些高温反应产文中同样情况下的计算结果为186K、1864K和生的,活跃反应分子的增多又有利于反应的加快进历1978K,虽然由于试验和模拟计算存在边界条件的增加放热,提高火焰温度.在CO2体积分数增加的情差异,导致温度具体数值上有差别,但其变化的趋势况下,由于CO2有较高的比热,因此必然会增加混合十分近似,都表明合成气在空气和30%O2-CO2环境气的平均比热降低火焰的温度,进而影响到火焰传下绝热火焰温度近似,而在34%O2CO2环境下略播速度.同样在CO2体积分数降低、O2体积分数增高.这种合成气在空气环境和30%O2-CO2,34%O2加的情况下,不但会因为CO2体积分数降低而提升cO2两种环境下燃烧特性的近似,同样可以在图3和温度,同样也会因为O2体积分数的增加而提高O、图4关于燃烧速度、绝热火焰温度、火焰厚度和化学OH、H等活跃反应分子的含量,进而提高反应速率反应滞解时间的计算结果中发现.这些数据都表明增加火焰传播速度.这一特性可以从图3图4中关的于CO2的高比热,O2CO2氧化剂中O2的浓度必须于燃烧速度和绝热火焰温度的图中得到验证提高到30%34%左右,其与合成气预混燃烧的效果预混火焰厚度是火焰形态的一个重要指标,其才能达到和空气近似定程度上体现了燃烧中能量物质交换的强度.火进一步分析图3和图4中绝热火焰温度和燃烧焰厚度过厚和过薄的都是会导致熄火.火焰厚度有速度可以发现燃料与空气混合的绝热火焰温度与燃多种不同的定义,本文中层流预混火焰的厚度0的料和30%O2CO2混合的绝热火焰温度是十分近似定义为的,而其燃烧速度却与34%O2-CO2混合的情况下相近似.这种温度类似而火焰速度却有差异的情况再式中:为绝热火焰温虔;为未燃气体温度;的含量有老逮度不只决定于温度而且跟活跃分(dT/dr)(drdx)mx为最大温度梯度.从图3(c)与图4(c)两为了分析不同H2CO体积分数比的混合气在CO2个火焰厚度的图中可以看出,在相同当量比下,随着稀释氧化剂情况下的层流预混燃烧特性,选取34%CO2在预混气体中含量的增加,火焰厚度是增加0:CO2作为典型CO2稀释环境的氧化剂对表2中的由于未燃气体温度T是相同的,并且随着co2几种不同H2CO体积分数比的燃料进行了不同当量含量的增加,绝热火焰温度zu降低,因此火焰厚度比下的预混燃烧计算其计算结果见图5.从图中可的增加只能说明最大温度梯度(dTd)m比绝热火焰以看出,随着HyCo体积分数比的增加其燃烧速度温度降低得更多这也从侧面说明了由于cO体积有明显的增加增加的质固眼前面分析的类似,分数的增加,使得火焰区气体比热增加,进而减缓了体积分数的中国煤化工度,而且会增加火焰中温度场的梯度HoOH等活CNMHG速度增加440燃烧科学与技术第17卷第5期2550O/40%35%H=/21%O-C(02040.60.81.0102040.6081.0121.4当量比当最比(a)燃烧速度(b)绝热火焰温度0.135%H,421%0:CO,046%8C0.0小2040.60.81.01.2141.6当最比当量比(c)火焰厚度(d)化学反应滞留时间图3 Slurry feed syngas在不同氧化剂、不同当量比情况下预混燃烧特性16028%10080950150028%H:CO/40%0CO213500.2040.602040.60.81.01.214当量比当量比(a)燃烧速度(b)绝热火焰温度0035%HCO/40%0:CO2002528%当量比(c)火焰厚度(d)化学反应滞留时间图4 Dry feed syngas在不同氧化剂、不同当量比情况下预混燃烧特性1402.2CO2稀释环境下 Karlovizt数的讨论到目前为止,有大量的文献讨论拉伸对火焰作用以及拉伸极限的规律.其中研究的重点大多是关于极限拉伸下 Karlovizt数的规律. Karlovizt数的定义14为0.20.40.60.81.0Ka=,.化学反应滞留时间(3)当比中国煤化工图5不同H/CO体积分数比的混合气在34%O2CO氧化剂式中x为局CNMHG混合下的燃烧速度2011年10月安江涛等:CO3稀释及合成气构成对预混燃烧特性的影响I d(da)1 daH::O/34%O30050A dr50%H:CO/34%0:CO3式中A为火焰面面积.在对冲火焰拉伸实验时,为了0.045表征不同出口速度下流场全局拉伸程度,常常引入0.04个全局拉伸系数κ=2a0/L,其中为喷口出口速度,L为喷口间距离大量的实验表明,在式(3)的定义下,拉伸熄火200300400600700800900极限时Ka在相当广的当量比范围内是一个常数,其局部拉伸率s值因为燃料的不同而有差异,但都在0.03~20范围图7拉伸火焰厚度随局部拉伸率的变化内6. Chung等曾指出如果将式(3)中无拉伸下的按照式(3)的定义,由于其化学反应滞留时间是火焰厚度和燃烧速度So换为拉伸下对应的火焰定的,因此 Karlovizt数会随着局部拉伸率的增加厚度和燃烧速度S4将得到一个局部Ka数而线性增加,直至达到拉伸极限图8中的(a)和(b)( local Karlovizt number)·并且他们的研究表明,很均表明在相同局部拉伸率情况下,Ka和局部Ka均多燃料在相当宽泛的当量比区间中,其拉伸熄火时的会随着燃料中H2比例的增加而减小并且图8a)中局部Ka均在0附近.拉伸作用下的燃烧速度有多Ka变化的趋势也表明,随着燃料中H2比例的增加,种定义方式,Tien等曾研究讨论过不同拉伸火焰Ka的变化率是降低的图8(b)中局部Ka的变化逐燃烧速度定义的特点本文采用流场中速度最低点为渐变缓趋势也符合 Chung等的研究结论,进一步证拉伸火焰的燃烧速度的定义方式拉伸火焰厚度的明了H2比例的增加可以增强燃烧稳定性.计算和式(2)相同采用对冲火焰模型计算了不同H2CO体积分数3%H(8/48:50%H:CO/34%O2CO2比合成气与34%O2-CO2的氧化剂混合,在当量比为0.6时,不同喷口出口速度下其Ka和局部Ka的变化见图6.燃料采用不同H2CO体积分数比,目的是对照分析在CO2为稀释气体情况下H2对燃烧稳定性的影响.00300400500600700800900局部拉伸率s062352095020025030035040045050050600图6局部拉伸率随全局拉伸率的变化局部拉伸率s1从图6可以看出,随着全局拉伸率的增加,几种(b)局部Ka混合气的局部拉伸率差异变大,并且随着燃料中H2图8 Karlovizt数和局部 Karlovizt数随局部拉伸率的变化比例的增加,其局部拉伸率降低.由图7可以发现,各种燃料的拉伸火焰厚度均随着局部拉伸率的增加3结论而变窄,这体现了流场拉伸对火焰的作用,当火焰厚度降低到一定程度就会出现熄火从图7中也可以看(1)由于CO2具有较高的比热,因此预混气体出,随着燃料中H2比例的增加,其火焰厚度随拉伸率中CO2体积分数的增加会降低火焰温度进而降低火变化的斜率变缓,这一特性和图6中局部拉伸率降低焰燃烧速度酒计从燃格违度绝执火焰温度、火焰的特性均说明,H2比例的增加有利于火焰的稳定性,厚度等几个中国煤化工,提高O2-CO即在相同的拉伸流场中火焰面的相对变化率要小氧化剂中OCNMHG时,合成气的442燃烧科学与搜术第17卷第5期燃烧才能与在空气中相当这一计算结果与Wi|umn[6】 Sierens R., RomMel e. ariable composition hydroger等的实验结论相近,并且合成气与O2-CO2氧化剂natural gas mixtures for increased engine eficiency and混合燃烧在达到和空气燃烧相间温度时其燃烧速度decreased emissions [J]. J Eng Gas Turbines Power要低于空气情况,这是因为其中有利于增加燃烧速度2000,122:135-140的自由基也受到了抑制.从尾气比热高和火焰燃烧7] Dagaut Philippe, Dayma Guillaume Hydrogen-enriched速度低的角度看,采用合成气与O2CO2氧化剂混合natural gas blend oxidation under high-pressure condl.燃烧吏有利于提高涡轮机的热效率,tions: Experimental and detailed chemical kinetic mod.(2)从计算结果也可以看出,CO2体积分数的增eling[J]. Proceedings af the Combustion Institute加降低了温度梯度,使火焰厚度增加,并且导致化学2005,3012631·2638反应滞留时间在贫燃区明显增加[8]Kim Han S, Arghode Vaibhav K, Gupte Ashwani K.(3)合成气中氢气体积分数的增加可以提高火Flame cheracteristics of hydrogen-enriched methane-air焰温度和活跃分子的含量,进而增强燃烧速度,并且premixed swirling flames[J]. International Journal of定程度上降低了贫燃区化学反应滞留时间,有利于Hydrogen Ene,2009,34:1063-1073降低火焰面在流场拉伸作用下的变化率,增强火焰面9] Sankaran Ramanan, Im Hong G Effects of hydrogenaddition on the Markstein length and flammability limit的健壮性ofstretchedmethane/airpremixedflames[j].combus-(4)对 Kerlovizt数的计算分析表明,H2比例的tion Sclence and Technoloyy, 2006. 178: 1585-1611增加不但会减小 Karloviz数和局部 Karloviz数,而I 10] Schefer R W. Hydrogen enrichment for improved lean且会降低其变化率,这从基础理论的角度解释了合成flame stability [J], International Journal af Hydrogen气中H2比例的增加是如何増强合成气燃烧稳定性的Enen,2003,28:1131-1141问题11] Vagelopoulos C M, Egolfopoulos FN, Law CK. Fur参考文獻her considerations on the determination of laminar flamespeeds with the counterflow twin-flame technique [J][1] Law C K. Combustion Physics[M]. New YorkProceedings af the Combustion Institut, 1994, 25Cambrige University Press, 2006.1341-13472] Smith G P, Golden D M, Frenklach M, et al. GRI- [12] Takagi Toshimi, Nakajima Isao, Kinoshita Shinichi.Mech3.0[eb/ol].http://www.me.berkeleyedwgn_mech/,Structure and propagation of strain-controlled H,/Ny/ai1999-07-30.diffusion edge flames[J]. Proceedings of the Combustion[3]Chen Zheng, Qin Xiao, Xu Bo, et al. Studies of radia-institut,2002,29:1573-1579tion absorption on flame speed and flammability limit of [13 Tien JH, Matalon M. On the burning velocity ofCOz diluted methane flames at elevated pres-stretched flames [J]. 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