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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·重慶大學(xué) 2．重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

近些年，非常規(guī)天然氣的開(kāi)發(fā)和利用受到了廣泛的關(guān)注［1－4］。頁(yè)巖氣，主體上以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁(yè)巖及粉砂質(zhì)巖類(lèi)夾層中，頁(yè)巖氣的成分比較復(fù)雜，主要化學(xué)成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)［5－7］。我國(guó)具有豐富的頁(yè)巖氣資源，探明的可采頁(yè)巖氣資源量超過(guò)26×1012m3，遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)儲(chǔ)量更是超過(guò)100×1012m3［6－7］。在我國(guó)頁(yè)巖氣還處于勘探開(kāi)發(fā)階段，對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)后的清潔高效利用還未有相應(yīng)的文獻(xiàn)報(bào)道及技術(shù)支撐。因此，有必要在頁(yè)巖氣大規(guī)模開(kāi)發(fā)之前，弄清頁(yè)巖氣清潔燃燒特性并研發(fā)適合其燃燒的燃燒器，為頁(yè)巖氣的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 物理及數(shù)學(xué)模型

1．1 頁(yè)巖氣燃燒器的設(shè)計(jì)

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

所設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)包括燃?xì)庵行墓堋⒖諝馊肟诠?，腔體和擴(kuò)散孔。燃?xì)庵行墓芎颓惑w的結(jié)構(gòu)尺寸可以通過(guò)氣體燃燒器設(shè)計(jì)手冊(cè)和有關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算得出［8－11］，空氣入口管尺寸根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得出，燃燒器燃?xì)馊肟诠軓綖?0mm，腔體直徑為64 mm，擴(kuò)散孔直徑為8mm，燃?xì)庵行墓荛L(zhǎng)為220mm。

圖1 頁(yè)巖氣燃燒器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1．2 數(shù)學(xué)模型

考慮燃燒器內(nèi)部有很多擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)模型；輻射選用P1輻射模型；頁(yè)巖氣中含有一定量的氮?dú)?，?duì)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(yīng)，采用后處理的方法，在已知爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的情況下，對(duì)氮氧化合物求解組分輸運(yùn)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(lái)劃分燃燒器網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格來(lái)劃分爐膛區(qū)域，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證，網(wǎng)格總數(shù)選取23×104?？諝馊肟诤腿?xì)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(wú)滑移靜態(tài)邊界，采用SIMPLE算法求解。

2 結(jié)果及分析

通過(guò)數(shù)值分析的方法研究了過(guò)量空氣系數(shù)（α，為1．05～1．35）對(duì)頁(yè)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(duì)燃燒器進(jìn)行優(yōu)化，提高燃燒效果。

2．1 頁(yè)巖氣燃燒器燃燒特性

在過(guò)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(kuò)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(shí)的溫度峰值最大，達(dá)到2 465K；其次是α為1．25時(shí)，溫度峰值為2 313 K；再次是α為1．15時(shí)，溫度峰值為2 240K；α為1．35時(shí)，溫度峰值最小，為2 174K。α為1．35時(shí)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(dá)到了最大值，而α為1．05時(shí)的溫度峰值離燃燒器出口最遠(yuǎn)，在X為1．08m時(shí)溫度才達(dá)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(guò)量空氣系數(shù)，在空氣與燃?xì)饣旌先紵龝r(shí)，氧氣含量充足，著火最快，溫度很快就達(dá)到最大值，而α為1．05時(shí)燃?xì)馀c氧氣混合相對(duì)不夠均勻，達(dá)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(huì)使得著火滯后，降低著火源的溫度，對(duì)燃?xì)獾姆€(wěn)定燃燒產(chǎn)生負(fù)面影響，特別是對(duì)于頁(yè)巖氣，不同地方開(kāi)采的頁(yè)巖氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)都不盡相同，甚至相差較大，在燃燒過(guò)程中，如果著火相對(duì)靠后，著火源溫度不高，將會(huì)使得爐膛燃燒不穩(wěn)定，影響燃燒效率。如果著火過(guò)于提前，燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)域會(huì)破壞燃燒器，不利于燃燒器的長(zhǎng)期使用。

圖3反映了甲烷質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)都幾乎為0，4種工況的甲烷轉(zhuǎn)化率都超過(guò)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?jǐn)?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(shí)，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降相對(duì)緩慢，在0．60m 處達(dá)到1．2%。

圖3 甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿中心軸向距離的分布情況圖

圖4為NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿中心軸向距離的分布情況，由圖4可知，α為1．05時(shí)，NO的峰值最大，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0．11%，結(jié)合圖2的溫度分布可知，當(dāng)α為1．05時(shí)，具有最高的溫度峰值，較高的溫度會(huì)促使熱力型NO的生成量增加；α為1．15時(shí)，NO的峰值為0．018%；α為1．25時(shí)，NO 的 峰 值 為0．039%；α為1．35時(shí)，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(guān)系。NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著軸向距離的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，如α為1．05時(shí)，在X為1．0～1．6m區(qū)間NO的質(zhì)量分?jǐn)?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(guò)量空氣系數(shù)下?tīng)t膛出口處NO的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)沿中心軸向距離的分布情況圖

2．2 鈍體對(duì)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?zé)煔饣亓?，增加燃燒的穩(wěn)定性，提高燃燒效率，同時(shí)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(méi)加裝鈍體之前有所降低，X為0．8m后溫度相對(duì)均勻，燃燒穩(wěn)定，且有利于降低NO的生成量，可見(jiàn)加裝鈍體優(yōu)化后燃燒器的整體性能有所提高。同時(shí)從圖中還可以看出：α為1．05時(shí)，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(shí)的溫度。這主要是由于空氣與燃?xì)鈩倗姵鰰r(shí)，α為1．15、1．25、1．35時(shí)的空氣量相對(duì)較足，反應(yīng)進(jìn)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(yè)巖氣中甲烷的濃度一定，燃燒放熱量一定，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，反應(yīng)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?jǐn)?shù)在出口處為0，加裝鈍體能夠?qū)崿F(xiàn)頁(yè)巖氣的完全燃燒。加裝鈍體優(yōu)化后，燃?xì)鈬姵龊笥龅解g體擾流，產(chǎn)生一定的回流區(qū)域，使高溫?zé)煔饣亓鳎⒓訜釀倗姵龅娜細(xì)?，使其迅速燃燒，減少了著火時(shí)間。圖7為加裝鈍體后NO質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行對(duì)比，加裝鈍體優(yōu)化后，在相同位置處NO的質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)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?jǐn)?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(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?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?xì)馀c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(dòng)特性、燃燒溫度及其均勻分布情況、燃燒效率、甲烷濃度場(chǎng)分布和NO的生成量等，增加鈍體優(yōu)化后的燃燒器過(guò)量空氣系數(shù)為1．25的工況性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了小型工業(yè)爐使用的200kW的頁(yè)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(guò)量空氣系數(shù)和鈍體對(duì)頁(yè)巖氣燃燒特性的影響規(guī)律。

1）過(guò)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(guò)99．8%；隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大，爐膛的峰值溫度降低；過(guò)量空氣系數(shù)較大時(shí)，容易在燃燒器根部形成高溫區(qū)域；未加裝鈍體時(shí)，NO的生成量較大，NO的生成量隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而減小。

2）在燃?xì)夤艹隹谔幵黾逾g體后，可實(shí)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?zé)煔饽軌蛴行ьA(yù)熱噴出的燃?xì)?，減少了著火時(shí)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(dòng)特性、燃燒溫度及其均勻分布情況、燃燒效率、甲烷濃度場(chǎng)分布和NO的生成量等，增加鈍體優(yōu)化后燃燒器過(guò)量空氣系數(shù)為1．25的工況性能最優(yōu)。

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