程 康，王 平，毛晨林，Valera-Medina Agustin，王永倩，楊證淳，劉文鋒，田 飛

(1.江蘇大學(xué)能源研究院，鎮(zhèn)江 212013；2.英國卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院，卡迪夫 CF24 3AA，英國；3.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

氫氣作為一種理想燃料，在儲存運輸上存在著一些困難.另一種利用氫的方式是用化學(xué)方法將氫儲存在氨中，氨是一種良好的氫能載體，其中氫的質(zhì)量百分比為 17.8%[1]，氨更容易液化(在室溫下約0.85 MPa)，更容易儲存運輸.然而，目前氨氣還不能直接應(yīng)用于現(xiàn)代燃氣輪機或其他燃燒系統(tǒng)中，這主要是因為氨層流火焰速度低[2]，化學(xué)計量比條件下約為甲烷火焰的五分之一，這使得穩(wěn)定純氨火焰比較困難[3]；燃燒后的氮氧化物排放很高.

日本東北大學(xué)的Hayakawa 等[4]的實驗研究表明，在一定范圍的當(dāng)量比和入口流速條件下，氨-空氣預(yù)混火焰可以在旋流下穩(wěn)定.更多研究則集中在了氨與其他反應(yīng)性更強的燃料的混合燃燒上[5-10].氨-甲烷混合物作為其中的一種，受到了廣泛的關(guān)注和研究.然而，與甲烷或其他碳氫燃料摻混均會引入碳元素，燃燒后還是會產(chǎn)生大量的二氧化碳，這會降低“零碳經(jīng)濟”的收益.

氫氣化學(xué)性質(zhì)活潑，在氨氣中加入氫氣可以大大改善氨氣的燃燒特性，如提升燃燒速度，減小著火延遲期等，并且氨-氫混合燃燒不產(chǎn)生二氧化碳.因此，氨-氫摻混燃燒有很好的應(yīng)用前景，近年來受到廣泛的關(guān)注.英國卡迪夫大學(xué)的Valera-Medina 等[9，11]通過實驗研究證明，燃料混合物中氨-氫的體積比為7∶3 時，富燃、貧燃狀態(tài)下模型燃氣輪機燃燒室內(nèi)的火焰均可以穩(wěn)定，且當(dāng)量比大于1.3 時，NO 的排放量顯著降低.

大渦模擬(LES)方法可以準確描述湍流場的變化，在湍流燃燒的研究中得到了廣泛應(yīng)用.Somarathne 等[12]采用詳細化學(xué)機理結(jié)合LES 方法對一個旋流燃燒器中的氨氣-空氣火焰和氨氣-氫氣火焰進行了詳細計算.目前的三維數(shù)值模擬主要集中在純氨燃燒和氨氣混合氣的貧燃燃燒上[13]，針對富燃下氨-氫的LES 計算研究不多.氨氣的燃燒復(fù)雜，包含很多的基元反應(yīng)，氨氣摻混其他氣體時中間的交叉反應(yīng)更多，然而目前還沒有一個公認的簡化機理能準確預(yù)測氨-氫在貧燃和富燃狀態(tài)下NO 的生成.

Valera-Medina 等[7]在研究氨-氫體積比為1∶1的完全預(yù)混燃燒時發(fā)現(xiàn)，火焰只在很低的當(dāng)量比(0.41～0.56)下穩(wěn)定.為了研究更高的當(dāng)量比對燃燒狀態(tài)及排放特性的影響，就必須采用更加合適的氫氣進氣方式，減小回火的風(fēng)險.本文采用動態(tài)增厚火焰(DTF)燃燒模型[14-15]對卡迪夫大學(xué)開發(fā)的一新型旋流燃燒器進行大渦模擬，分析氨-氫火焰的流場和NO的生成及影響因素.此外還采用CHEMKIN-PRO 軟件包對該火焰進行層流火焰計算和化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)(CRN)分析，分析在當(dāng)量比為1.2、氨-氫體積比為1∶1 時NO 的生成及排放特性.

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

本文所建立的卡迪夫大學(xué)旋流燃燒器模型如圖1 所示.主要包括預(yù)混合段，徑向旋流器，6 個沿周向均勻布置的氫氣入口，一個圓柱形燃燒室.氨氣和空氣在燃燒器的預(yù)混合段充分混合后進入旋流器，徑向旋流器包含9 個相同的進氣通道，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流動有助于穩(wěn)定火焰.旋流數(shù)S 代表旋流運動的強度，計算公式[16]如下：

圖1 燃燒器示意Fig.1 Photograph of the combustor

式中：Ga和Gr分別為角動量和徑向動量；r1為旋流器管腔的半徑.狹縫處的速度ws＝Q/(nstsLs)，其中Q是總體積流量，ns、ts和Ls分別是狹縫數(shù)量、厚度和每個狹縫的長度.預(yù)混氣體單位體積的角動量為ρws(r1-ts/2)，(r1-ts/2)是中心軸和狹縫中心之間的距離，總角動量Ga表示為Ga＝ρQws(r1-ts/2)＝Q2ρ(r1-ts/2)/nstsLs.平均軸向速度U 定義為U＝Q/πr12，總徑向動量 Gr＝ρQU＝ρQ2/πr12，因 此 S＝π(r1-ts/2)r1/nstsLs.本文中r1＝16 mm，ns＝9，ts＝4.6 mm，Ls＝15.8 mm，S＝1.05.氫氣則是由位于旋流器下游的6 個沿周向均勻布置的圓孔射入旋流器通道內(nèi)，圓孔的直徑為1.5 mm，氫氣的射入角斜向下游呈45°，這樣的進氣方式可以減小回火的風(fēng)險.燃燒室的直徑為84 mm，高為314.6 mm.

1.2 數(shù)值方法和化學(xué)反應(yīng)機理

采用LES 方法進行數(shù)值模擬研究，LES 是對大尺度的渦直接模擬，小尺度的渦則采用亞網(wǎng)格應(yīng)力模型進行封閉.LES 通過空間過濾的方法，對質(zhì)量、動量和能量進行求解，空間濾波后的Navier Stokes 方程在文獻[17]中有詳細介紹.采用DTF 燃燒模型對火焰進行求解，在前期工作中Wang 等[18-20]已經(jīng)驗證了DTF 模型在求解旋轉(zhuǎn)湍流甲烷、氫氣火焰時具有的良好性能.

在CHEMKIN-PRO 平臺上建立了預(yù)混層流火焰模型和CRN 模型，對NH3/H2/空氣富預(yù)混燃燒進行計算研究.CRN 模型的示意圖如圖2 所示，本文所使用的CRN 由兩種理想反應(yīng)器組成：完全攪拌反應(yīng)器(PSR)和塞流反應(yīng)器(PFR).PSR 反應(yīng)器是一種假定流場完全紊流，混合速率高的理想反應(yīng)器.PFR 是假定理想氣體穩(wěn)定、一維、無黏流的理想反應(yīng)器.反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)采用PSR 表示入口附近的混合區(qū)、中央回流區(qū)、主火焰區(qū)；采用PFR 表示火焰后區(qū)域.在旋轉(zhuǎn)湍流燃燒室的主區(qū)域，由于回流區(qū)較強，反應(yīng)物和溫度分布較均勻，選擇PSR 可以保持足夠的停留時間和高湍流水平[21].進氣條件與三維模擬相一致，中央循環(huán)區(qū)的再循環(huán)率分別設(shè)定為最大值65.3%，平均值16%.

圖2 CRN模型示意Fig.2 The CRN model of the combustor

一個良好的化學(xué)動力學(xué)機制，對理解火焰的燃燒特性和化學(xué)反應(yīng)特性很重要.對于含氨火焰，不僅要研究火焰的結(jié)構(gòu)，更要能準確預(yù)測各個狀態(tài)下各種組分的生成和消耗過程，這對控制污染物的排放十分重要.過于復(fù)雜的機理對于計算資源的要求很高，但過于簡化的機理會忽略中間重要的反應(yīng)導(dǎo)致預(yù)測精度不夠.毛晨林等[22]通過Cantera 程序?qū)σ痪S層流火焰開展了系統(tǒng)性的分析，對比了3 種(Xiao，UT-LCS，Li-II)不同的機理，發(fā)現(xiàn)Xiao 機理在計算NH3/H2/air的層流火焰速度和預(yù)測NO 的排放上表現(xiàn)較好，且Xiao 機理最節(jié)省計算資源.因此，本研究選擇Xiao等提出的 28 組分和 91 步反應(yīng)機理用于三維NH3/H2/air 湍流火焰模擬[23].

1.3 一維層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)

模擬在T＝288 K、p＝0.1 MPa 條件下進行，當(dāng)量比為1.2，空氣的流量為254 L/min，NH3和H2的體積流量均為51 L/min.

使用CHEMKIN-PRO 軟件中的預(yù)混火焰模型分別計算了當(dāng)量比為1.2 的甲烷非拉伸層流火焰和當(dāng)量比為1.2 的氨-氫(體積比為1∶1)非拉伸層流火焰.甲烷的絕熱火焰溫度為2 136 K，層流火焰速度為0.342 m/s，層流火焰厚度為0.43 mm，氨-氫的絕熱火焰溫度為2 080 K，層流火焰速度為0.420 69 m/s，層流火焰厚度為0.5 mm.對比兩種火焰，發(fā)現(xiàn)氨-氫層流火焰厚度略厚于甲烷火焰，層流火焰速度大于甲烷火焰.從圖3 的層流火焰結(jié)構(gòu)可以看出除NO 的不同外，甲烷火焰和氨-氫火焰的結(jié)構(gòu)是相似的，DTF模型[15]可用于計算當(dāng)前狀態(tài)下的氨-氫火焰.

圖3 當(dāng)量比為1.2時甲烷和氨-氫的層流火焰結(jié)構(gòu)Fig.3 Laminar flame structures of CH4 and NH3-H2 when R＝1.2

1.4 LES計算網(wǎng)格

數(shù)值域由圓柱形燃燒室和帶鈍體的噴嘴、徑向旋流器、進氣管道等組成.設(shè)定進氣管壁、旋流器為絕熱、無滑移條件，在燃燒室壁面上設(shè)置了850 K 的恒定溫度.網(wǎng)格劃分上使用全結(jié)構(gòu)化分塊網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為217 萬，圖4 所示為網(wǎng)格局部視圖，在氫氣的入口處布置了足夠數(shù)目的網(wǎng)格，在火焰區(qū)域，網(wǎng)格的大小約為0.4 mm.參考前期的湍流火焰LES 計算算例[19]及上述的層流火焰數(shù)據(jù)，本文采用的網(wǎng)格是可以滿足LES 計算要求的.

圖4 全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意Fig.4 Schematics of global grid and local grid

2 結(jié)果與分析

2.1 流場結(jié)構(gòu)特征

燃燒室下游的溫度場如圖5 所示.從圖中可以看出靠近旋流器出口處存在一個大的中央回流區(qū)(CRZ)，CRZ 內(nèi)的氣體溫度高，氣體流動方向與來流方向相反，這有利于點燃剛進入燃燒室的新鮮反應(yīng)氣，提高燃燒的穩(wěn)定性.由于燃燒室壁面的存在，旋轉(zhuǎn)而出的氣流在與壁面碰撞后在燃燒室底部產(chǎn)生了外部回流區(qū)(ORZ).

圖5 瞬時溫度分布(白線：Ux＝0，黑線：流線)Fig.5 Instantaneous distribution of temperature(white lines：Ux＝0，black lines：streamlines)

研究發(fā)現(xiàn)旋流有助于摻氨火焰的穩(wěn)定燃燒[9,18]，這得益于回流區(qū)的存在，其中回流區(qū)的強度或者氣體質(zhì)量流量再循環(huán)率(逆流氣體質(zhì)量流量與綜合的順流氣體質(zhì)量流量)對流場存在較大的影響.在CRN 分析中需要預(yù)先設(shè)置此再循環(huán)率，但是目前許多的研究將再循環(huán)率設(shè)為固定值，如20%.再循環(huán)率無疑與特定的燃燒器構(gòu)造、旋流數(shù)等因素有關(guān)，有必要根據(jù)不同的狀態(tài)設(shè)定更準確的再循環(huán)率.為了從旋流產(chǎn)生再循環(huán)的角度理解燃燒的穩(wěn)定特性，計算了燃燒器沿軸向方向的不同截面處的順流質(zhì)量流量和回流質(zhì)量流量，結(jié)果如圖6 所示，其綜合順流氣體質(zhì)量流量約為定值6 g/s.從圖中可以看出順流和回流的流量呈現(xiàn)相同的特征，即先增大后減小，在x 等于0.1 m 左右時(以進氣截面中心點為原點，鈍體與燃燒室接觸面中心點的x 等于0.088 m)，順流和回流的流量均達到最大值，此時再循環(huán)率也達到最大值約為65.3%.而在0.088 m＜x＜0.2 m 區(qū)間，再循環(huán)區(qū)的平均再循環(huán)率約為16%.繼續(xù)向下游流動，回流的流量等于0，再循環(huán)率也降為0，順流流量等于6 g/s，這和設(shè)定的入口條件是一致的.

圖6 質(zhì)量流量和再循環(huán)率分布Fig.6 Distributions of mass flow rate and recycle fraction

2.2 LES計算得到的NO分布

從圖7 中NH3和H2的瞬時質(zhì)量分數(shù)云圖中可以看出，噴嘴下游至出口氣體的混合是不均勻的，這是受氫氣的進氣方式影響的結(jié)果.氫氣以45°噴入空氣流中，在渦流的作用下，氫氣更靠近中央鈍體側(cè)，所以中間區(qū)域氫氣的質(zhì)量分數(shù)略高于外側(cè)，且氫氣的濃度大于氨氣的濃度.新型的進氣方式實現(xiàn)了卡迪夫大學(xué)之前的構(gòu)想，更多的氫氣在氨之前燃燒，以幫助分解NH3.火焰后區(qū)域沒有NH3但存在未燃燒的H2，其中一部分就來自于NH3的分解.H2O 和N2的分布圖顯示燃燒室下游的主要組分是N2和H2O.

圖7 NH3、H2、H2O 和N2 的瞬時質(zhì)量分數(shù)分布Fig.7 Instantaneous mass fraction distributions of NH3，H2，H2O and N2

NO 的平均和瞬時質(zhì)量分數(shù)分布如圖8(a)和8(b)所示.平均場顯示鈍體附近生成了少量的NO，在火焰頂端和壁面附近觀察到大量NO 的生成，沿著該區(qū)域大部分NO 聚集向燃燒室的下游流動，下游的NO 被稀釋后濃度有一定的降低.NO 瞬時場捕捉了存在于火焰頂端和沿著燃燒室壁面的NO 氣團的脫離.瞬時場還顯示旋渦結(jié)構(gòu)和高濃度NO 區(qū)域相對應(yīng)，NO 生成受停留時間影響，當(dāng)流體在漩渦內(nèi)的停留時間增加時，漩渦區(qū)局部NO 的生成量較高.

圖8 NO 的平均質(zhì)量分數(shù)分布及NO 和OH 的瞬時質(zhì)量分數(shù)分布Fig.8 Time averaged mass fraction of NO，instantaneous mass fraction distributions of NO and OH

對于含氨燃料的燃燒，NO 主要產(chǎn)生于兩種途徑，熱力型NO 和燃料型NO.圖5 的溫度圖中顯示，主燃區(qū)的溫度高于1 900 K，會通過Zeldovich(1946)機制產(chǎn)生更多的NO，即熱力型NO.富燃狀態(tài)下，H2先被氧化，釋放出大量的OH，OH 自由基會促進其他自由基的產(chǎn)生，如NH2等，通過NHi＋OX→NO＋HiX，OX 是一種含氧組分(例如OH)，生成大量的NO，即燃料型NO.由于燃料不停向下游運動，反應(yīng)持續(xù)發(fā)生，火焰頂端和壁面附近出現(xiàn)更高濃度的NO.對比8(c)的OH 圖發(fā)現(xiàn)高濃度NO 對應(yīng)的區(qū)域OH 濃度也很高，這表明當(dāng)?shù)氐母逴H 濃度是燃燒室內(nèi)局部NO 水平升高的主要原因.

為了進一步研究NO 和OH 質(zhì)量分數(shù)與溫度的關(guān)系，圖9(a)、(b)中分別顯示了圖8(b)中黑框區(qū)域中各點的OH、NO 對溫度的散點圖.可以看出隨著溫度的升高，OH 和NO 的質(zhì)量分數(shù)也隨之增加，外循環(huán)區(qū)及壁面附近溫度較低，導(dǎo)致一定區(qū)域的NO 濃度降低.當(dāng)溫度大于2 000 K，OH 的質(zhì)量分數(shù)最大時，NO 的質(zhì)量分數(shù)最高.這說明，NO 的生成與溫度和OH 之間存在著正相關(guān).圖9(c)、(d)中顯示的是NH 對N 的散點圖，可以看出N 來自于NH 的氧化.圖9(c)中當(dāng)N 的量趨近于0 時NO 存在兩種情況，趨近于最高值或最低值，這是由于N 在火焰面上存在著兩個反應(yīng)，通過N＋OH→NO＋O，促進了熱力型NO 的生成；通過N＋NO→N2＋O，將NO 還原成N2，減少了NO 的生成.

圖9 火焰區(qū)OH-T、NO-T 和NH-N 的散點圖Fig.9 Scatter plots of OH-T，NO-T and NH-N in flame zone

圖10 為DTF 模型中動態(tài)增厚因子F 和亞網(wǎng)格尺度褶皺因子E 的云圖分布，對照圖8(c)的OH 云圖可以看到F 和E 都是在火焰面處進行加厚和褶皺.在火焰外側(cè)，網(wǎng)格尺寸大，所以F 和E 值大，此處的F 和E 的最大值分別為8.07 和2.在燃燒室的大部分區(qū)域F 和E 為1，代表LES 準確判斷出此處沒有燃燒反應(yīng)，火焰增厚效應(yīng)自動消減為0，此處的湍流擴散作用得以準確描述.

圖10 DTF模型的動態(tài)加厚因子F 和亞網(wǎng)格褶皺因子EFig.10 Dynamic thickening factor F and sub-grid scale wrinkling factor E of DTF model

2.3 低維數(shù)值分析

一維預(yù)混層流火焰模擬結(jié)果(1D)和CRN 模擬的結(jié)果均顯示NH3在火焰區(qū)域已經(jīng)消耗完全，而在火焰的下游有部分未燃的H2，這和LES 的結(jié)果是對應(yīng)的.圖11(a)中顯示了一維層流預(yù)混火焰模型中的部分組分的變化情況.為了分析LES 模擬和一維模擬下的NO 的排放，將4 種數(shù)值計算結(jié)果進行了對比，如圖11(b)所示.通過對比可以看出，1D 情況下NO 的排放最高，兩種不同再循環(huán)率的CRN 結(jié)果不相同，說明再循環(huán)區(qū)的存在和大小對NO 的排放是有影響的.對比LES 和CRN 的結(jié)果，三者有一定的差異，這是由于旋轉(zhuǎn)湍流情況下的三維流場更加復(fù)雜，再循環(huán)率在各個位置并不是均勻分布的，且由于局部當(dāng)量比和燃料組分體積比的變化，NO 的生成情況更加復(fù)雜，而這些是CRN 模擬所不能反映出來的.

圖11 一維預(yù)混火焰的組分變化和NO排放的對比Fig.11 Schematics of compositions change and comparison of four NO value

為了進一步揭示NO 的生成機理，分析了在絕熱條件下，當(dāng)量比為1.2，氨-氫體積比為1∶1 時燃燒的反應(yīng)路徑，重點關(guān)注關(guān)鍵組分的反應(yīng).該項工作是在上述的CRN 計算中進行的，CRN 中的PSR 即零維反應(yīng)器可以用來表示主火焰區(qū).結(jié)果如圖12 所示，可以看出，N 對NO 的生成貢獻最大，HNO 次之，N和 HNO 分別來源于 NH，NH2的氧化.而 N＋NO ?N2＋O，NH ＋NO ?N2＋OH 和 NH2＋NO ?NNH＋OH 反應(yīng)對NO 的消耗起著重要作用.

圖12 NO的生成速率和反應(yīng)路徑Fig.12 Absolute rate of production of NO at the flame and the reaction path analysis related to NO concentration.

3 結(jié)論

本文用LES 方法結(jié)合DTF 模型研究了富燃狀態(tài)下氨-氫體積比為1∶1 時的旋轉(zhuǎn)湍流火焰，重點分析了流場和NO 的形成及影響因素.結(jié)果表明：

(1)燃料中含氮成分的含量決定了總的高NO 排放水平，NO 主要生成于火焰面上，流場結(jié)構(gòu)對NO的排放有影響，旋渦與NO 分布之間存在一定的相關(guān)性.

(2)NO 的生成與溫度、OH 之間存在著正相關(guān)，燃燒室中的NO 主要由熱力型NO 組成，即通過反應(yīng)N＋OH ?NO＋H 生成，HNO 等組分的氧化也貢獻了一部分，而N，NH 和NH2對NO 的消耗起著重要作用.

(3)通過比較1D，CRN，LES 結(jié)果發(fā)現(xiàn)三者存在差異，而造成這種差異的主要原因是回流區(qū)的存在及大小，以及氣體在局部混合程度的不同.相較于一維模擬和CRN 分析，LES 方法可以描述實時流場的變化情況.