王鵬濤，賈 楠，劉鵬中，崔豫泓，牛 芳

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

多孔介質(zhì)燃燒(Porous Media Combustion，PMC)技術(shù)是基于超焓燃燒理論的一種新型燃燒技術(shù)[1]。研究表明，與常規(guī)燃燒相比，多孔介質(zhì)中穩(wěn)定的火焰具有功率密度高、可燃性極限寬、燃燒速率高和污染物排放少等優(yōu)點(diǎn)。PMC的主要特征是固體基質(zhì)的傳導(dǎo)系數(shù)和輻射系數(shù)高于氣體混合物，因此，在多孔介質(zhì)中存在由于熱傳導(dǎo)和熱輻射而引起的熱循環(huán)現(xiàn)象，即在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)形成了一種自組織的熱循環(huán)過(guò)程[2]。其主要原因有3點(diǎn)：① 多孔介質(zhì)孔隙發(fā)達(dá)，內(nèi)表面積極高，氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)具有較大的渦結(jié)構(gòu)和高摩擦因數(shù)，使氣體和固相之間發(fā)生了廣泛的動(dòng)量和能量交換，一方面可以擴(kuò)大燃燒反應(yīng)區(qū)，另一方面可以強(qiáng)化氣相介質(zhì)與多孔介質(zhì)骨架之間的熱傳遞；② 多孔介質(zhì)優(yōu)良的傳熱特性，可以預(yù)熱反應(yīng)物，實(shí)現(xiàn)更高的燃燒速度，同時(shí)利用冷反應(yīng)物對(duì)燃燒區(qū)進(jìn)行“冷卻”，有利于降低NOx排放；③ 多孔介質(zhì)高熱容量確保了燃燒過(guò)程熱負(fù)荷和過(guò)量空氣比變化時(shí)的高穩(wěn)定性[3]。

PMC火焰面形狀研究始于1982年KORZHAVIN等關(guān)于多孔介質(zhì)中火焰?zhèn)鞑C(jī)理研究，后續(xù)針對(duì)火焰?zhèn)鞑C(jī)理的試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究較多，并建立了多孔介質(zhì)燃燒模型。研究表明，多孔介質(zhì)中的燃燒存在5種穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，包括低速燃燒(LVR)、高速燃燒(HVR)、聲速燃燒(SVR)、低速爆轟(LVD)和常規(guī)爆轟(ND)，火焰?zhèn)鞑C(jī)制不同[4-6]。針對(duì)多孔介質(zhì)燃燒，HVR和RCR對(duì)其實(shí)際應(yīng)用最為重要。KI等[7]研究發(fā)現(xiàn)，與自由火焰相比，多孔介質(zhì)燃燒器中的火焰可以在更大的燃燒速率和當(dāng)量比范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。SATHE等[8]對(duì)多孔燃燒器進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。前人研究表明固體基質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)控制高孔隙率介質(zhì)中火焰的速度和穩(wěn)定性。WANG等[9]研究了預(yù)熱空氣對(duì)低熱值燃?xì)?LCFG)燃燒火焰前沿穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，并在填充Al2O3泡沫陶瓷的燃燒器中進(jìn)行了研究。KIM等[10]研究了加熱多孔砂層中貧甲烷-空氣混合物的燃燒特性。

在PMC污染物排放研究方面，除上述反應(yīng)物對(duì)燃燒反應(yīng)區(qū)的“冷卻”可以降低NOx生成外，PMC在降低NOx方面還表現(xiàn)為：在燃燒器出口，由固相向周?chē)h(huán)境的熱輻射降低了固相溫度，而氣相與固相溫度通過(guò)體積對(duì)流傳熱相耦合，故氣相溫度在后火焰區(qū)也會(huì)降低。同時(shí)，NOx很大程度上取決于氣體混合物的溫度，因此，后火焰區(qū)的氣相溫度降低減少了燃燒器出口平面NOx排放。GHAROSHI等[11]測(cè)量了新型多孔自由火焰燃燒器的污染物排放，并與多孔燃燒器進(jìn)行了比較，分析了多孔介質(zhì)的孔密度、燃速和多孔介質(zhì)材料對(duì)污染物排放的影響，結(jié)果表明，多孔自由火焰燃燒器的CO濃度低于多孔燃燒器，中心孔徑的增大使CO排放量減小。CHEN等[12]發(fā)現(xiàn)使用多步反應(yīng)機(jī)制,大大增加了計(jì)算成本,因此通過(guò)只考慮一個(gè)能量方程來(lái)實(shí)現(xiàn)局部熱平衡假設(shè)，發(fā)現(xiàn)火焰的峰值溫度低于全局機(jī)制，當(dāng)量比在0.6～0.9的NO排放量小于自由火焰燃燒器的NO排放量。SHI等[13]對(duì)填充2.5 mm氧化鋁顆粒的平面平行填充床中的氣體擴(kuò)散燃燒進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，特別關(guān)注床層長(zhǎng)度(h)對(duì)不同過(guò)量空氣比(a)和混合氣速度下CO和NOx排放的影響。鄭成航等[14]建立二維氧化鋁(Al2O3)小球堆積床多孔介質(zhì)燃燒器，研究了低熱值氣體在多孔介質(zhì)燃燒器中的火焰面特性。低濃度煤層氣因濃度低、不易利用而直接排放[15]，不僅造成能源浪費(fèi)，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的溫室效應(yīng)[16-19]。

筆者建立3D多孔介質(zhì)燃燒器模型，并基于詳細(xì)的GRI-Mech 3.0機(jī)理[20-22]，開(kāi)展甲烷預(yù)混多孔介質(zhì)燃燒火焰面形狀、反應(yīng)速率及污染物排放特性的研究。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型

建立三維圓柱形多孔介質(zhì)燃燒器物理計(jì)算模型，物理模型長(zhǎng)度440 mm，直徑90 mm，圓柱內(nèi)均勻密布直徑6 mm的氧化鋁堆積小球，其外觀結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，圓柱體表示燃燒器的外殼，灰色小球?yàn)檠趸X小球。多孔介質(zhì)燃燒器的空腔率為0.41，隱藏圓柱體外殼，可以得到多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)部氧化鋁小球堆積情況(圖1(b))。

圖1 氧化鋁小球堆積床多孔介質(zhì)燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of porous medium burner

設(shè)置1 300 K時(shí)氧化鋁小球密度為3 707 kg/m3，定壓比熱容1 298 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)6.13 W/(m·k)，并設(shè)置燃燒器邊壁的熱損失為600 W/m2。

1.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

采用ICEM軟件，基于幾何拓補(bǔ)學(xué)理論，利用O型網(wǎng)格技術(shù)對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器模型進(jìn)行幾何拓補(bǔ)分塊。圖1(c)為多孔介質(zhì)燃燒器計(jì)算域網(wǎng)格示意。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邊上節(jié)點(diǎn)數(shù)不同，生成的網(wǎng)格數(shù)量大小不一。為了排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。分別劃分了網(wǎng)格數(shù)量為10萬(wàn)、20萬(wàn)以及30萬(wàn)3種網(wǎng)格，并對(duì)同一種工況進(jìn)行了冷態(tài)數(shù)值計(jì)算檢驗(yàn)。提取并對(duì)比多孔介質(zhì)燃燒器中心軸線(xiàn)上10個(gè)點(diǎn)的速度值，結(jié)果表明3個(gè)網(wǎng)格的冷態(tài)速度計(jì)算結(jié)果偏差小于0.5%。這是由于本計(jì)算模型尺寸較小，且本物理模型直徑與高度的設(shè)計(jì)在理論上避免了燃燒器結(jié)構(gòu)對(duì)氣流發(fā)展的影響，故3種網(wǎng)格下氣流發(fā)展均較充分。為了降低計(jì)算成本，本研究選用10萬(wàn)網(wǎng)格。

2 計(jì)算方法

針對(duì)多孔介質(zhì)的計(jì)算流體力學(xué)控制方程是由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程組成。

1)連續(xù)性方程:

(1)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為x、y、z方向上u、v、w的速度矢量，m/s。

2)動(dòng)量方程:

多孔介質(zhì)模擬方法是將流動(dòng)區(qū)域中固體結(jié)構(gòu)的作用看做附加在流體上的分布阻力，在數(shù)學(xué)模型中體現(xiàn)為，在動(dòng)量方程中增加一個(gè)源項(xiàng)Si來(lái)進(jìn)行模擬，該源項(xiàng)由2部分組成：黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)。

x-動(dòng)量方程：

(2)

y-動(dòng)量方程：

(3)

z-動(dòng)量方程：

(4)

式中，μ為黏度，N·s/m2。

對(duì)于簡(jiǎn)單的、各項(xiàng)同性的多孔介質(zhì)，各個(gè)方向的阻力特性相同，故將源項(xiàng)Si表達(dá)為

(5)

其中，α為各方向上的滲透率，m-2；C2為慣性損失系數(shù)，m-1。計(jì)算式分別為

(6)

(7)

其中，DP為粒子平均直徑，m；ε為空腔率。

3)能量方程:

(8)

式中，T為溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；c為比熱容，J/(kg·K)；ST為流體內(nèi)熱源及流體機(jī)械能耗散轉(zhuǎn)化的熱能，J。

湍流模型采用Realizablek-ε雙方程湍流模型，選擇P1輻射模型計(jì)算多孔介質(zhì)燃燒場(chǎng)的熱輻射。同時(shí)，在連續(xù)相方程中添加組分輸運(yùn)方程求解反應(yīng)流。

選擇組分輸運(yùn)模型(Species Transport Model)研究甲烷多孔介質(zhì)燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。組分輸運(yùn)模型中用于描述湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用的模型包括渦耗散模型(Eddy-dissipation Model)、有限速率模型(Finite Rate Kinetic Model)、有限速率/渦耗散模型(Finite Rate/Eddy Dissipation Model)。其中渦耗散模型假設(shè)氣相化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于湍流作用下氣相物質(zhì)之間的混合時(shí)間尺度，認(rèn)為氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制步驟為擴(kuò)散；有限速率模型考慮溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，但忽略湍流對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響；有限速率/渦耗散模型分別基于層流有限速率模型和渦耗散模型發(fā)展而來(lái)。該模型根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)比分別由有限速率和渦耗散計(jì)算出的2個(gè)反應(yīng)速率，選用較小者作為反應(yīng)速率。本文采用有限速率/渦耗散模型，并考慮甲烷的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，基于GRI-Mech 3.0機(jī)理開(kāi)展針對(duì)甲烷的燃燒數(shù)值分析。

3 燃燒模擬結(jié)果分析

3.1 燃燒火焰形狀分析

為研究多孔介質(zhì)燃燒器的輻射和換熱問(wèn)題，探究多孔介質(zhì)內(nèi)氣固兩相之間的傳熱機(jī)理，分析多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)火焰形狀。圖2為甲烷/空氣預(yù)混氣體入口速度0.4 m/s，當(dāng)量比為0.833、1.000 和1.250時(shí)，多孔介質(zhì)燃燒器中心截面溫度分布云圖。由圖2可知，多孔介質(zhì)燃燒器入口附近預(yù)混氣體溫度快速上升，并呈現(xiàn)倒V字型，燃燒器中心軸線(xiàn)上溫度上升速率小于燃燒器邊壁附近區(qū)域，這是由于中心軸線(xiàn)上預(yù)混氣體不受邊壁的黏滯阻力影響，中心軸線(xiàn)附近氣流速度快，預(yù)混氣停留時(shí)間短，多孔介質(zhì)向預(yù)混氣流的傳熱量小于邊壁處。當(dāng)溫度大于1 800 K，燃燒器內(nèi)溫度分布趨于均勻。

圖2 多孔介質(zhì)燃燒器中心截面溫度分布云圖Fig.2 Temperature distribution in central section of porous medium burner

圖3為不同當(dāng)量比下多孔介質(zhì)燃燒器中心截面CH4體積分?jǐn)?shù)分布云圖。對(duì)比圖2和圖3可知，預(yù)混氣體進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器后，CH4體積分?jǐn)?shù)同樣近似呈倒V字型，相同高度處，由于中心軸線(xiàn)附近溫度低于外側(cè)，燃燒反應(yīng)速率低，CH4消耗速率低，故中心軸線(xiàn)處CH4體積分?jǐn)?shù)高于燃燒器壁面處。隨著反應(yīng)進(jìn)行和高度增加，CH4消耗很快，而隨化學(xué)當(dāng)量比的增加，預(yù)混氣內(nèi)CH4體積分?jǐn)?shù)增加，CH4耗盡的距離也有所增加。

圖3 多孔介質(zhì)燃燒器中心截面CH4體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.3 CH4 distribution in central section of porous medium burner

3.2 燃燒化學(xué)反應(yīng)速率特性

圖4 多孔介質(zhì)燃燒器中心軸線(xiàn)上溫度、組分及反應(yīng)速率變化Fig.4 Variation of temperature,composition and reaction rate along the central axis of porous medium burner

對(duì)比圖4不同化學(xué)當(dāng)量比下甲烷/空氣多孔介質(zhì)燃燒特性的差異可知，基于本文的3個(gè)研究工況下，在當(dāng)量比為1.0時(shí)，燃燒溫度峰值及最大化學(xué)反應(yīng)速率均最高。

3.3 燃燒污染物組分分布特性

多孔介質(zhì)燃燒還具備污染物排放濃度低的特性，圖5為Φ=1.0時(shí)多孔介質(zhì)燃燒器中心軸線(xiàn)上溫度計(jì)NO質(zhì)量濃度變化曲線(xiàn)。由圖5可知，隨著反應(yīng)的發(fā)生，燃燒區(qū)溫度上升，有NO生成，且溫度及NO質(zhì)量濃度達(dá)到峰值前，NO生成速率與溫度上升速率基本一致，即該燃燒區(qū)內(nèi)生成的NO主要以熱力型NO為主，當(dāng)溫度達(dá)到峰值2 520 K時(shí)，NO質(zhì)量濃度也達(dá)到了峰值0.011 3 mg/m3。隨后，隨著甲烷的消耗，燃燒反應(yīng)速率不斷下降，多孔介質(zhì)燃燒區(qū)域溫度仍舊保持在2 000 K以上，但NO質(zhì)量濃度顯著下降，在燃燒器出口處僅為0.006 81 mg/m3。

圖5 多孔介質(zhì)燃燒器中心軸線(xiàn)上溫度、NO質(zhì)量濃度(Φ=1.000)Fig.5 Temperature and NO concentration on the central axis of porous medium burner (Φ=1.000)

圖6 多孔介質(zhì)燃燒器中心軸線(xiàn)上溫度、NO生成與還原反應(yīng)速率(Φ=1.000)Fig.6 Temperature,NO formation and reduction reaction rate (Φ=1.000) on the central axis of porous medium burner

4 結(jié) 論

1)CH4/空氣多孔介質(zhì)燃燒經(jīng)歷了預(yù)熱—燃燒—燃盡3個(gè)階段，在預(yù)熱區(qū)，燃燒反應(yīng)未發(fā)生，溫度迅速上升，溫度場(chǎng)分布近似倒V字型分布。主燃區(qū)形成了一個(gè)溫度峰值和化學(xué)反應(yīng)速率峰值，這是由于多空介質(zhì)骨架強(qiáng)傳熱和強(qiáng)蓄熱特性增加了該區(qū)域燃燒反應(yīng)焓值，強(qiáng)化了燃燒反應(yīng)過(guò)程。隨反應(yīng)發(fā)生，溫度分布逐漸趨于均勻。

2)化學(xué)當(dāng)量比對(duì)CH4/空氣多孔介質(zhì)燃燒整體特性的影響不存在線(xiàn)性關(guān)系，主要表現(xiàn)為相比本文的Φ=0.833和Φ=1.200工況，化學(xué)當(dāng)量比Φ=1.000 時(shí)，均出現(xiàn)了燃燒溫度和化學(xué)反應(yīng)速率的最高值。

3)多孔介質(zhì)燃燒場(chǎng)內(nèi)NO質(zhì)量濃度先迅速上升后逐漸下降，且上升過(guò)程與主燃區(qū)溫度上升速率基本一致，這與熱力型NO生成模型密切相關(guān)，而后下降過(guò)程主要與GRI-Mech3.0機(jī)理中還原氣氛下NO的還原反應(yīng)有關(guān)。