李 云，樊夢芳，劉亮德

（中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北任丘062550）

地熱能在開采時按照其儲存介質(zhì)不同大體可分為水熱型和巖熱型兩種[1-2]。其中開采水熱型地熱能時往往會出現(xiàn)伴生氣，在我國，伴生氣主要由氮氣，甲烷和二氧化碳組成，另含有少量其他可燃氣體和稀有氣體[3]。若伴生氣不予以處理便直接排放，一是會加重溫室效應；二是在排放時如果出現(xiàn)甲烷聚集現(xiàn)象，會引起爆炸，存在巨大的安全隱患[4]；三是未能利用可燃氣的熱值，造成了能量浪費。因此，如何合理利用伴生氣中的可燃性氣體成為地熱能開發(fā)技術中的關鍵問題。

為了讓伴生氣能夠得到合理利用，達到節(jié)能減排的效果，趙忠等人[4]設計了簡易分離器，將地熱水和伴生氣分離，發(fā)現(xiàn)僅氣水分離后，整個換熱系統(tǒng)的換熱效率便得以提升。MORIDIS 和PANG 等人[5-6]通過仿真和實驗研究發(fā)現(xiàn)，在開采地熱能的過程中采用回灌熱水的方法（熱刺激法）能夠有效提高熱采率，但是LUI Y 等[7]在研究中指出，目前制約熱刺激法的關鍵問題是實現(xiàn)經(jīng)濟性，即找到廉價且穩(wěn)定的熱源[7]，而含有較高濃度甲烷的地熱水伴生氣就是一種廉價且穩(wěn)定的熱源，如何將其穩(wěn)定燃燒，釋放其熱能是目前亟待解決的難題。

前文指出，地熱伴生氣中主要可燃氣體為甲烷，針對甲烷燃料在工業(yè)中的燃燒利用問題，張曉宇等[8]設計了一種同軸噴嘴點火器，工質(zhì)為純甲烷和空氣，該設備有結(jié)構(gòu)緊湊，點火范圍較寬的優(yōu)點。ZHU Y 等[9]設計了一種多個燃料噴嘴搭配旋流片的燃燒器，工質(zhì)為降低了甲烷濃度的天然氣（甲烷濃度82.89%），該燃燒器能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且均勻的低溫火焰并長時間運行。由此可知，同軸噴嘴構(gòu)型能夠很好的簡化結(jié)構(gòu)，旋流葉片的加入可以強化燃料與氧化劑的摻混[10]，擴大著火區(qū)間。

綜上所述，將同軸噴嘴與旋流葉片相結(jié)合，設計一種同軸-旋流燃燒器能夠?qū)崿F(xiàn)對地熱水伴生氣的合理利用，釋放其熱值，達到節(jié)能減排的效果。同時，為了提高經(jīng)濟性，采用空氣作為氧化劑。由于伴生氣中甲烷的濃度，流量等參數(shù)并不穩(wěn)定，所以本文基于上述設計方案，采用數(shù)值仿真的方法模擬實際情況中的參數(shù)變化，分析其對燃燒穩(wěn)定性和污染物生成的影響，旨在為后續(xù)工程應用提供理論指導。

1 研究對象與物理模型

同軸-旋流燃燒器主要由燃料噴嘴、空氣噴嘴和燃燒室構(gòu)成。圖1 給出了燃燒器噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，空氣噴嘴由兩個部分構(gòu)成：一個是與燃料噴嘴較近，與其噴嘴外壁組合而成的同軸環(huán)縫，環(huán)縫間距0.5 mm；另一個是離燃料噴嘴較遠的旋流噴嘴，其螺旋角為45°，共12 道，切割面為1.6 mm×1.6 mm 的矩形。燃料噴嘴直徑1.1 mm，共4 個，沿軸向均勻分布。

圖1 同軸-旋流燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

伴生氣作為燃燒器的燃料，其甲烷體積濃度為50%~60%，其余為氮氣，流量為5 m3/h，為保證可燃氣完全燃燒，設計燃燒器當量比為0.9。以甲烷濃度為50%設計燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)，然后保持構(gòu)型和其他運行參數(shù)不變，通過調(diào)節(jié)甲烷濃度和流量的變化，分析其對燃燒器工作性能和污染物生成量的影響。

根據(jù)燃燒器構(gòu)型，建立流體計算域，采用polyhexcore 混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對點火區(qū)、核心反應區(qū)及旋流噴嘴區(qū)域進行了局部加密和平穩(wěn)過渡，如圖2 所示。

圖2 物理模型與網(wǎng)格劃分示意圖

2 計算方法與網(wǎng)格無關性驗證

采用CFD 對燃燒器的工作過程進行仿真計算，采用適合于旋流燃燒的Realizablek-ε 湍流模型[11]；化學反應方面，采用公認為基準的甲烷Gri Mech 3.0多步反應機理[12]和非預混燃燒模型。數(shù)值模擬方法驗證在文獻[13]中有詳細說明，這里不再贅述。

設定燃料供氣壓力為305 221.70 Pa，空氣供氣壓力為294 781.81 Pa，以達到所需要的速度和燃燒室壓力，本文所用的其余主要邊界條件見表1，設計下列工況的目的詳見下一節(jié)。

表1 主要邊界條件設置

為在確保結(jié)果正確的同時節(jié)省計算資源，共繪制了三套網(wǎng)格，其網(wǎng)格數(shù)量分別是96 萬（Coarse），510 萬（Medium）和740 萬（Dense），用于網(wǎng)格無關性驗證。在計算收斂后，對比燃燒室中心線的總溫和總壓（見圖3）發(fā)現(xiàn)，Medium 和Dense 的結(jié)果吻合較好，Coarse 的結(jié)果與另兩個差別較大，故采用Medium 尺寸的網(wǎng)格進行后續(xù)計算。

圖3 網(wǎng)格無關性驗證結(jié)果圖

3 結(jié)果與討論

為了更接近實際情況，分別分析了甲烷濃度變化（工況1~ 3），燃氣總流量降低為4.5 m3/h，即降低燃燒器功率（工況4）和構(gòu)型變化（工況5）對燃燒產(chǎn)生的影響。

3.1 甲烷濃度對火焰結(jié)構(gòu)的影響

圖4 給出了工況1~ 3 的OH 摩爾分數(shù)云圖，由于OH 的分布能夠很好地反映火焰結(jié)構(gòu)，因此可以看出，工況1 的火焰結(jié)構(gòu)整體較為對稱，隨著甲烷濃度的上升，火焰面開始逐漸收縮，并在尾部開始變得不對稱。產(chǎn)生這種情況的原因主要有以下兩點：

圖4 工況1~3 的OH 摩爾分數(shù)云圖

（1）隨著甲烷濃度上升，燃氣的平均摩爾質(zhì)量會降低，在其他條件不變的情況下，根據(jù)下列氣體動力學公式[14]可知，燃氣出口的速度會小幅度升高，這會在一定程度上改變點火區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)。

（2）為了恒定燃燒器的當量比，當甲烷濃度升高時，空氣流量也會隨之升高，但是，環(huán)縫與旋流噴嘴的尺寸并未發(fā)生變化，所以此時空氣可能會發(fā)生節(jié)流，其流場結(jié)構(gòu)相比設計流場結(jié)構(gòu)存在較大的差異；使火焰結(jié)構(gòu)變得不對稱。

3.2 燃氣流量對火焰結(jié)構(gòu)的影響

圖5 給出了工況4 的OH 摩爾分數(shù)云圖，對比圖4 可發(fā)現(xiàn)工況4 的火焰結(jié)構(gòu)與工況1 相似，其火焰的對稱度明顯高于工況2~3，這是由于燃氣流量降低，空氣流量也隨之降低，且空氣噴嘴不會發(fā)生節(jié)流，旋流噴嘴噴出的空氣對火焰結(jié)構(gòu)影響程度明顯低于工況2 和工況3，由此說明，引起火焰結(jié)構(gòu)不對稱的主要因素來自空氣旋流噴嘴噴出空氣量的大小。

圖5 工況4 的OH 摩爾分數(shù)云圖

3.3 構(gòu)型對火焰結(jié)構(gòu)的影響

已有文獻表明，部分預混結(jié)構(gòu)能夠有效降低甲烷燃燒過程中NOx的產(chǎn)生[15]，因此，本文設計了一種部分預混的噴嘴構(gòu)型（見圖6），預混噴嘴共4 個，周向均布；除構(gòu)型外，其余參數(shù)與工況1 相同，構(gòu)成工況5，用于分析構(gòu)型對火焰結(jié)構(gòu)的影響。

圖6 預混噴嘴構(gòu)型剖視圖

圖7 給出了工況5 的OH 摩爾分數(shù)云圖，從中可看出該構(gòu)型的火焰結(jié)構(gòu)與另外四種構(gòu)型明顯不同，并且在計算過程中發(fā)現(xiàn)該構(gòu)型的火焰結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。為分析其原因，圖8 給出了工況1 和工況5 的噴嘴局部溫度與流線云圖。

圖7 工況5 的OH 摩爾分數(shù)云圖

圖8 工況1 和5 的噴嘴局部溫度與流線云圖

可以發(fā)現(xiàn)預混噴嘴構(gòu)型的空氣環(huán)縫內(nèi)流道因為渦流的形成，產(chǎn)生了局部高溫區(qū)，并嚴重影響了下游穩(wěn)焰區(qū)域的形成，導致該構(gòu)型的火焰結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

此外，對比圖7 與圖4（a）燃燒室上游的OH 分布情況可發(fā)現(xiàn)，預混噴嘴OH 分布面積明顯小于非預混構(gòu)型。筆者分別對比了兩個構(gòu)型空氣環(huán)縫和旋流噴嘴的質(zhì)量流量（見表2），可以看出，預混構(gòu)型由于燃料進入環(huán)縫中，導致環(huán)縫處空氣質(zhì)量流量驟減，大量空氣只能從旋流噴嘴噴出，從而壓縮了前端火焰的發(fā)展，這是引起工況5 與工況1 火焰結(jié)構(gòu)不同的主要原因。

表2 兩種工況空氣噴嘴流量（g/s）

3.4 燃燒效率與NOx 的產(chǎn)生

本文為簡化模型，設定空氣僅由摩爾分數(shù)為21%的O2與79%的N2組成。通過對燃燒室出口CO2、NO 和NO2的監(jiān)測，可以得到該燃燒器的燃燒效率φ 和NOx生成量，其燃燒效率φ 的計算公式如下：

圖9 給出了所有工況下該燃燒器的燃燒效率與NOx的生成量。總的來看，該燃燒器在工況變化的條件下，燃燒效率能夠達到86%以上，其效率較高。此外，對比工況1~3 可知，隨著甲烷濃度逐漸升高，燃燒效率逐漸降低，NOx生成量逐漸升高；降低燃燒器功率能夠減小NOx的生成，且對燃燒效率影響較?。徊糠诸A混結(jié)構(gòu)雖然能夠一定程度降低NOx的生成，但是同時也會降低燃燒器的燃燒效率。

圖9 不同工況的燃燒效率和NOx 產(chǎn)量對比圖

4 結(jié)論

本文針對如何合理利用開采水熱型地熱能產(chǎn)生的可燃伴生氣，設計了一款同軸-旋流燃燒器，通過改變甲烷濃度，燃氣流量和噴嘴構(gòu)型對該燃燒器的性能進行了分析，結(jié)論如下：

（1）旋流噴嘴噴出的空氣會對火焰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響，雖然一定程度的旋流能夠強化摻混，但若旋流噴嘴處流量過大可能會使得火焰結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

（2）在本文的設計條件下，燃料中甲烷濃度與燃燒效率呈負相關，與NOx生成呈正相關。當流量低于設定工況時，會減少NOx生成且對燃燒效率影響較小。

（3）局部預混結(jié)構(gòu)能夠一定程度降低NOx的生成，但是會明顯降低環(huán)縫處空氣的流量，使得大量空氣從旋流噴嘴噴出，導致火焰結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；此外后續(xù)設計中應避免預混區(qū)產(chǎn)生渦流，以降低預混結(jié)構(gòu)對著火穩(wěn)焰區(qū)的影響。