陳達(dá)南，李 軍，鄧立生，黃宏宇，陳 穎

多孔燃燒器中氨/空氣燃燒特性數(shù)值研究*

陳達(dá)南1,2，李 軍2?，鄧立生2，黃宏宇2，陳 穎1

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510006；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

氨具有氫密度高、生產(chǎn)成本低、基礎(chǔ)設(shè)施完善等優(yōu)點(diǎn)，作為一種潛在的可再生替代燃料受到了廣泛的關(guān)注。目前，僅有少數(shù)研究關(guān)注氨氣燃燒噴嘴的研究，針對(duì)氨氣穩(wěn)定燃燒噴嘴的研究尤其不足。為實(shí)現(xiàn)氨燃料的穩(wěn)定燃燒和低污染物排放，本研究提出了一種氨用多孔介質(zhì)燃燒器。對(duì)氨用多孔介質(zhì)燃燒器建立了二維數(shù)值模型，并對(duì)預(yù)混氨/空氣在多孔介質(zhì)燃燒器中的燃燒性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，考察了不同進(jìn)口速度0、當(dāng)量比和多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)氨/空氣火焰特性和NO排放的影響。結(jié)果表明，多孔介質(zhì)燃燒器能在0= 3～7 m/s和= 0.9～1.2條件下穩(wěn)定燃燒；隨著多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的增大，火焰最高溫度下降且火焰位置向上游移動(dòng)；減小進(jìn)口速度和增大當(dāng)量比能夠顯著降低NO的排放。

氨燃料；多孔介質(zhì)；燃燒特性；NO排放；數(shù)值仿真

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)能源的需求量不斷增加，一系列能源與環(huán)境問(wèn)題日益突出。尋找替代化石燃料的新燃料以及發(fā)展其燃燒技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的課題[1-2]。近年來(lái)，如氫氣、氨氣、生物柴油、乙醇、二甲醚等諸多替代燃料受到了廣泛的關(guān)注和大量的研究[3-4]。其中，氨因具有較高的體積能量密度，儲(chǔ)氫容量高達(dá)17.7%，可作為一種潛在燃料于各種發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用[5]。此外，氨還具有儲(chǔ)存成本低、安全性高、基礎(chǔ)設(shè)施配套完善等優(yōu)勢(shì)，是一種具有前景的氫能源載體及潛在燃料[6]。

目前，氨已在內(nèi)燃機(jī)和燃料電池中作為燃料應(yīng)用[7]，然而較低火焰速度、可燃極限窄、生成氮氧化物等因素限制了其作為潛在燃料的應(yīng)用和普及[8]。多孔介質(zhì)燃燒作為一種高效且低污染的新型燃燒方式，具有耐高溫、耐熱震、蓄熱能力強(qiáng)、傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于基礎(chǔ)燃燒研究以及為紙張、油漆、紡織品、食品等材料的干燥和熱加工提供熱量[9]。燃燒時(shí)，預(yù)混氣體流經(jīng)多孔介質(zhì)并在其中進(jìn)行燃燒；反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量通過(guò)多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱和輻射作用對(duì)上游的預(yù)混氣體進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)通過(guò)多孔介質(zhì)本身的蓄熱能力回收高溫?zé)煔庥酂幔c自由火焰燃燒相比，大幅提高了氣體燃燒速率及火焰速率[10]。NOZARI等[11]研究了在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下的多孔介質(zhì)SiC中預(yù)混氨/氫氣體火焰，結(jié)果表明其在較大當(dāng)量比范圍（= 0.9～1.5）及很高的氨濃度水平下（60%～90%），燃燒穩(wěn)定且效率較高。

本文對(duì)氨在穩(wěn)定燃燒當(dāng)量比下的燃燒特性、NO的生成和排放特性進(jìn)行了研究，考察了不同當(dāng)量比、進(jìn)口速度、多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)氨燃料在多孔介質(zhì)燃燒器上燃燒特性、火焰位置和排放物生成的影響，以期為氨用多孔介質(zhì)燃燒器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

對(duì)氨/空氣的預(yù)混燃燒多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立了氨燃料多孔介質(zhì)燃燒模型，如圖1所示。由于多孔介質(zhì)燃燒器幾何對(duì)稱，為了提高計(jì)算效率，采用一半的燃燒室空間作為計(jì)算區(qū)域。整個(gè)燃燒室長(zhǎng)度為60 cm、直徑為20 cm，多孔介質(zhì)燃燒器厚度為8 cm、直徑為10 cm，材質(zhì)為惰性SiC材料。為防止空氣從側(cè)面進(jìn)入多孔火焰區(qū)，多孔塊由厚度為0.5 cm的不銹鋼外殼包圍。

圖1 模型示意圖

1.2 控制方程

采用FLUENT 16.0軟件，對(duì)氨用多孔介質(zhì)燃燒器燃燒過(guò)程中質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程及傳熱過(guò)程模型進(jìn)行了求解。為簡(jiǎn)化計(jì)算，引入了一些假設(shè)：①穩(wěn)態(tài)燃燒；②不可壓縮流動(dòng)；③無(wú)氣體輻射；④惰性且各向同性、均質(zhì)的多孔介質(zhì)；⑤多孔介質(zhì)與氣體傳熱效率很高，因此多孔介質(zhì)和內(nèi)部流動(dòng)氣體的溫度相等[12]?；谶@些假設(shè)，采用穩(wěn)態(tài)求解器求解的控制方程如下。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

組分輸運(yùn)方程：

1.3 邊界條件及求解方法

模型的入口和出口分別采用速度入口和壓力出口。在入口處，設(shè)置了均勻速度剖面，這是由于均勻和充分發(fā)展的速度剖面所帶來(lái)的差異已被證明是可以忽略的[13]。預(yù)混氣體入口溫度為300 K，各當(dāng)量比為0.9～1.2。出口處的壓力設(shè)置為0。如圖1，進(jìn)氣管道壁面和燃燒室底部壁面設(shè)置為絕熱壁面，燃燒室外壁設(shè)置為非絕熱壁面，其熱損失主要以自然對(duì)流和熱輻射為主，其總熱損失如式（6）所示。

建立了多孔介質(zhì)模型，多孔介質(zhì)設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1[14]。根據(jù)修正的半經(jīng)驗(yàn)歐拉方程關(guān)聯(lián)式[15]可計(jì)算出黏性阻力系數(shù)1和慣性阻力系數(shù)2分別為5.14 × 105m?2和204.05 m?1，見(jiàn)式（7）和式（8）。

表1 多孔介質(zhì)參數(shù)[14]

注：PPI為單位英寸長(zhǎng)度上的平均孔數(shù)（pores per linear inch）。

考慮到模型的準(zhǔn)確性以及計(jì)算的成本和時(shí)間，采用簡(jiǎn)化的Konnov機(jī)理[16]模擬氨氣燃燒，其中包含19種組分和80步基元反應(yīng)。該模型入口處雷諾數(shù)為9 800～23 000，因此采用-湍流有限速率模型求解。所有的控制方程均采用二階迎風(fēng)格式離散，并采用SIMPLE算法處理壓力?速度耦合問(wèn)題。運(yùn)用CHEMKIN數(shù)據(jù)庫(kù)[17]對(duì)混合物的熱物性和擴(kuò)散特性進(jìn)行計(jì)算。利用分段多項(xiàng)式擬合法計(jì)算各組分的比熱；分別用不可壓縮理想氣體定律和混合氣體定律計(jì)算燃料和空氣混合物的密度和比熱；導(dǎo)熱系數(shù)和黏度由質(zhì)量加權(quán)混合定律計(jì)算；利用動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算質(zhì)量擴(kuò)散率。在迭代計(jì)算中，能量方程的收斂準(zhǔn)則為1×10?6，其他方程的收斂準(zhǔn)則為1×10?3。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值算法的可靠性和有效性，進(jìn)行了詳細(xì)的網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試和數(shù)據(jù)驗(yàn)證。通過(guò)將計(jì)算域劃分為均勻的有限體積單元來(lái)檢驗(yàn)網(wǎng)格獨(dú)立性。因此，選擇了3組不同網(wǎng)格（15 373、27 513和43 011）來(lái)檢查網(wǎng)格的獨(dú)立性。由圖2可知，網(wǎng)格數(shù)為27 513的網(wǎng)格尺寸能夠較好地表征多孔介質(zhì)燃燒器的軸向溫度分布，而增加網(wǎng)格數(shù)量并沒(méi)有較為明顯的改善。因此，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間并滿足精度要求，采用網(wǎng)格數(shù)為27 513的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算。

為驗(yàn)證本研究采用模型的可靠性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚18]建立了相同數(shù)值模型，并按照與實(shí)驗(yàn)相同初始條件和邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算。如圖3所示，對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，模擬與實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)比點(diǎn)為距離多孔體上表面3 cm處[18]。從圖3可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的最大相對(duì)誤差小于5%，且模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。通過(guò)以上對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下軸向溫度分布圖

圖3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 溫度分布特性

溫度的分布情況能夠較為直觀地反映多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒特性。因此，本節(jié)將對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器在預(yù)混氣體不同進(jìn)口速度條件下的溫度分布特性進(jìn)行研究。圖4給出了= 0.9、孔隙密度10 PPI、= 0.9、0= 3 m/s條件下多孔介質(zhì)燃燒器的軸向中心線溫度和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。從圖中可以看出，軸向中心線溫度在多孔段（= 0.05～0.13 m）達(dá)到峰值，同時(shí)大量O2被消耗，且在多孔體內(nèi)形成穩(wěn)定火焰。

圖4 多孔介質(zhì)燃燒器軸向中心線溫度和O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖5為歸一化多孔介質(zhì)的徑向溫度分布。由圖可知，多孔介質(zhì)內(nèi)溫度分布均勻，靠近壁面處溫度下降。這是由于多孔介質(zhì)通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量向四周傳遞，使得多孔介質(zhì)內(nèi)的徑向溫度分布較為均勻。與此同時(shí)，兩側(cè)的壁面存在熱量損失效應(yīng)，因此越靠近壁面，熱量損失越多。在= 0.06 m處，中心軸線附近溫度較低，預(yù)熱氣體仍未被點(diǎn)燃，而在= 0.07 m處，已經(jīng)形成了均勻的高溫平面，因此可以判斷，混合氣體在= 0.06～0.07 m間發(fā)生燃燒反應(yīng)形成火焰。熱量隨著氣體擴(kuò)散向多孔介質(zhì)下游傳遞，離開(kāi)高溫反應(yīng)區(qū)后，多孔體的徑向溫度梯度向下游逐漸減小。

圖5 歸一化多孔介質(zhì)徑向溫度分布

圖6為不同進(jìn)口速度下的溫度分布。從圖中可以看出，隨著進(jìn)口速度的增大，多孔介質(zhì)內(nèi)的高溫區(qū)域變大。當(dāng)進(jìn)口速度從3 m/s增加到7 m/s時(shí)，火焰內(nèi)部的最高溫度從1 833 K上升到1 990 K，多孔介質(zhì)靠近不銹鋼壁面處溫度相對(duì)較低。這是由于進(jìn)口速度的增大促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)速率，多孔介質(zhì)內(nèi)的擾動(dòng)也隨之增強(qiáng)。而在壁面附近，熱量會(huì)隨著對(duì)流和輻射作用通過(guò)側(cè)壁散失到外部環(huán)境中。隨著進(jìn)口流速的增大，火焰逐漸向下游移動(dòng)，多孔體上游附近的未燃預(yù)混氣尚未達(dá)到可燃溫度，導(dǎo)致火焰形狀從平面被拉伸至圓錐狀。

圖6 Φ = 0.9條件下，不同進(jìn)口速度的溫度云圖：（a）u0 = 3 m/s；（b）u0 = 5 m/s；（c）u0 = 7 m/s

不同材料的多孔介質(zhì)存在著較大的熱物性差異，其中，導(dǎo)熱系數(shù)作為最重要的熱物性參數(shù)之一，是影響多孔介質(zhì)燃燒器傳熱過(guò)程的重要因素。圖7為不同導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)氨燃燒火焰中心溫度分布的影響，從圖中可以看出，隨著多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)增大，軸向中心線的溫度有所下降，且火焰位置也隨之往上游移動(dòng)。這是由于導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料使得傳熱過(guò)程中具有更高的有效導(dǎo)熱系數(shù)，使得火焰區(qū)的熱量損失增大，導(dǎo)致溫度降低；與此同時(shí)，較高的有效導(dǎo)熱系數(shù)能使預(yù)熱未燃的預(yù)混氣體得到充分的預(yù)熱，致使火焰位置往上游移動(dòng)。

圖7 導(dǎo)熱系數(shù)的影響（Φ = 0.9，u0 = 3 m/s）

2.3 NO排放特性

圖8a為0= 3 m/s、= 1.0～1.2條件下NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，可從圖中看出，NO集中在高溫區(qū)生成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在多孔介質(zhì)內(nèi)沿著軸向明顯下降，脫離多孔介質(zhì)下表面后逐漸趨向平穩(wěn)。根據(jù)詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，NO的形成主要來(lái)自NH和OH自由基的反應(yīng)。在富燃料條件下（= 1.0～1.2），隨著當(dāng)量比的增大，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，當(dāng)從1.0增大到1.2時(shí)，燃燒室出口處的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.46 × 10?3g/g下降到5.91 × 10?6g/g，下降了98.3%。這是由于在富燃料條件下，少部分未燃的NH3和NO發(fā)生了還原反應(yīng)，導(dǎo)致NO濃度下降。由詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可知[16]，NO和NH2自由基發(fā)生還原反應(yīng)。在= 1.2時(shí)，NO基本能在多孔體下表面附近達(dá)到較低濃度的水平。

圖8b為= 1.2、0= 3～7 m/s時(shí)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。隨著速度的減小，NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之下降，0從7 m/s下降到3 m/s時(shí)，燃燒室出口處NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.39 × 10?4g/g下降到5.91 × 10?6g/g，降低了82.6%。當(dāng)0為3 m/s時(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在多孔介質(zhì)內(nèi)迅速增加隨后大幅下降，從峰值6.36 × 10?3g/g下降到多孔介質(zhì)下表面處的1.44 × 10?3g/g。這是由于進(jìn)口速度的減小導(dǎo)致火焰溫度有所下降，有效減少了熱力型NO的生成；此外，較小的來(lái)流速度增加了生成物在多孔介質(zhì)內(nèi)的停留時(shí)間，有利于NO的還原反應(yīng)。

3 結(jié) 論

對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器中預(yù)混氨/空氣燃燒的基本火焰特性進(jìn)行了模擬研究。通過(guò)改變各類參數(shù)，考察了進(jìn)口速度和多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)火焰溫度、火焰位置及NO排放特性的影響。結(jié)果表明：

（1）多孔介質(zhì)燃燒器能在當(dāng)量比（= 0.9～1.2）和進(jìn)口速度（0= 3～7 m/s）范圍內(nèi)穩(wěn)定氨?空氣火焰，且多孔介質(zhì)內(nèi)部的溫度分布較為均勻。

（2）多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的增大均能提高有效導(dǎo)熱系數(shù)，使得火焰的最高溫度有所下降，且火焰位置稍向上游移動(dòng)。

（3）減小進(jìn)口速度和增大當(dāng)量比（= 1.0～1.2）能夠顯著降低NO的排放。

符號(hào)表：

1—黏性阻力系數(shù)，m?2

2慣性阻力系數(shù)，m?1

p—多孔介質(zhì)當(dāng)量孔徑，m

m—組分的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

、—分別為焓值和組分的焓值，J/kg

n—對(duì)流熱損失系數(shù)，W/(m2?K)

—質(zhì)量，kg

—壓力，Pa

—壁面熱量損失，W/m2

、w、∞—分別為溫度、壁面溫度、環(huán)境溫度，K

0—進(jìn)口速度，m/s

—軸向速度，m/s

—徑向速度，m/s

—組分的摩爾質(zhì)量，kg/mol

—組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，kg/kg

、g—分別為密度、氣體密度，kg/m3

—孔隙率

w—壁面的發(fā)射率

—當(dāng)量比

—斯特藩?玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67 × 10?8W/(m2?K4)

g、s—分別為氣體和多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)

—黏性應(yīng)力張量

—組分的生成速率，kmol/(m3?s)

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Numerical Study on Ammonia/Air Combustion Characteristics in a Porous Burner

CHEN Da-nan1,2, LI Jun2, DENG Li-sheng2, HUANG Hong-yu2, CHEN Ying1

(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Ammonia has the advantages of high hydrogen density, low cost, and complete infrastructure, making it a potential renewable alternative fuel that has received extensive attention. At present, there are only a few studies focusing on the research of ammonia combustion nozzles, and the research on ammonia stable combustion nozzles is particularly insufficient. In order to achieve stable combustion of ammonia fuel and low pollutant emissions, a porous medium burner for ammonia was proposed in this study. A two-dimensional numerical model was established for a porous medium burner for ammonia, and the combustion performance of premixed ammonia/air in a porous medium burner was evaluated. The effects of different inlet velocities, equivalent ratios and thermal conductivity of porous media on ammonia/air flame characteristics and NO emissions were investigated. The results showed that the porous medium burner can stably burn at inlet velocity (0) of 3-7 m/s and equivalent ratio () of 0.9-1.2. As the thermal conductivity of the porous medium increased, the maximum flame temperature decreased and the flame position moved upstream. Reducing the inlet velocity and increasing the equivalence ratio can significantly reduce NO emissions.

ammonia fuel; porous media; combustion characteristics; NO emission; numerical simulation

TK16

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.04.005

2095-560X（2021）04-0294-06

2021-04-12

2021-04-24

中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDY-SSW-JSC038）

李 軍，E-mail：lijun@ms.giec.ac.cn

陳達(dá)南（1995-），男，碩士研究生，主要從事氨燃燒方面的研究。

李 軍（1985-），男，博士，研究員，主要從事燃燒、化學(xué)蓄熱等方向的研究。