不同壓力下層流對沖C2H4擴散火焰中碳煙生成的數值模擬研究

王生福,席劍飛,顧中鑄,蔡 杰

(南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210023)

碳氫燃料在燃燒過程中產生的微小顆粒物稱為碳煙,這些微小顆粒物在空間中構成不同尺度的團聚體. 我國70%左右的能源來自煤等化石燃料的燃燒,燃燒過程中產生的碳煙使得燃料的熱量無法完全釋放,降低燃料的利用效率,同時也是形成PM2.5的重要原因,不僅對大氣產生污染同時也嚴重影響著人類的健康. 國內外學者對碳煙的生成機理及其控制方式進行了大量的研究,但由于碳煙生成的復雜性,其在不同的火焰溫度、燃料種類、燃燒壓力等條件下有著不同的生成特性,加之碳煙生成過程中有著復雜的表面反應,使得目前碳氫燃料燃燒火焰中碳煙的生成機理仍然未被完全掌握. 大多數動力燃燒設備(如燃氣輪機、內燃機等)中的燃料是在高壓下進行燃燒的,所以研究不同壓力下碳煙的生成特性對于實際燃燒過程中碳煙的形成預報和排放控制具有重要意義.

國內外學者對碳煙在不同條件下的生成特性進行了大量研究. Seong等[1]的研究顯示不同燃料種類、燃燒氣氛會導致不同的碳煙形態、生長和凝聚過程. Bento等[2]通過實驗研究了0.1～0.73 MPa的壓力范圍內火焰結構和溫度對碳煙生成的影響,發現碳煙體積分數隨著溫度的增加而增大,且壓力越高時,火焰的橫截面積越小. Sato等[3]的實驗研究結果表明,當溫度處于1 500～1 700 K時,碳煙的生成速率達到峰值. Tree等[4]對不同燃料燃燒時碳煙的生成特性進行了研究,發現燃料中碳元素的含量對碳煙生成的影響很大,碳煙體積分數隨著燃料中碳元素質量分數的增加而增大. Kim等[5]研究了1.0～8.0 atm下乙烯層流擴散火焰中碳煙的生成特性,并應用HACA機理預測了碳煙的表面生長速率,發現實驗結果與HACA機理的預測結果吻合得很好.

國內學者在碳煙研究領域也取得了大量成果. 王思文等[6]研究了甲烷/空氣擴散火焰中碳煙顆粒的三維形貌演變,發現碳煙顆粒的碳化程度及粒子大小和火焰高度相關. 顧晨等[7]研究了溫度對預混乙烯火焰中碳煙生成的影響,發現碳煙生成對火焰溫度非常敏感,火焰溫度約在1 650～1 750 K范圍內對碳煙生成更有利. 梅俊宇等[8]研究了乙烯與乙烷層流預混火焰中碳煙的生成特性,發現兩種燃料生成的碳煙粒徑分布隨高度的變化規律一致. 羅旻燁等[9]研究了滯止平板對乙烯射流擴散火焰中碳煙生成的影響,結果表明壁面作用使碳煙顆粒在滯止平板表面呈同心圓分布.

實際燃燒設備大多是在高壓下運行的,壓力對火焰溫度、碳煙體積分數和碳煙顆粒數密度等參數有著很大的影響. 目前已有一些高壓下碳煙生成特性的實驗研究,本文進一步從數值模擬角度探討了碳煙及其前驅物在不同壓力條件下的生成特性和機理. 采用了對沖擴散火焰模型研究了乙烯火焰中的碳煙生成特性,通過改變燃燒過程中的壓力,探究火焰溫度和火焰中氣相小分子與碳煙前驅物的濃度變化情況,同時關注碳煙數密度和體積分數的變化,分析不同壓力對碳煙生成的影響機理.

1 數值模型

1.1 碳煙模型

本文采用ABF碳煙生成反應機理[10]. Wang等[11]對乙烯/乙炔在空氣中的燃燒特性開展了一系列研究,提出了燃燒過程中多環芳香烴(PAHs)的詳細生成機理. Appel等[10]在多環芳香烴詳細生成機理的基礎上,加入碳煙的成核、生長等動力學演化過程,形成ABF碳煙生成機理,該機理由546步基元反應構成,包含101種化學組分. ABF機理詳細描述了碳煙生成過程的主要步驟:多環芳香烴的生長、碳煙的成核、表面增長、顆粒凝并團聚、顆粒的氧化. 這幾個過程不是獨立存在而是同時發生、相互影響的. 對于多環芳香烴的生長和成核的描述是文獻[11-12]提出的HACA機理,即脫去氫原子與添加乙炔分子機理. 具體表現為下面兩個可逆反應不斷重復進行:

CnH2m+X?CnH2m-1+HX,

(1)

CnH2m-1+C2H2?Cn+2H2m+H.

(2)

其中,反應(1)表示碳氫化合物分子中失去一個氫原子形成自由基,擁有一個活性位. 反應(2)表示乙炔分子與碳氫化合物分子的活性位碰撞反應,生成更大分子的化合物.

ABF碳煙生成機理認為多環芳香烴分子為碳煙成核過程的重要前驅物,如苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)、芘(A4)等. 在碳煙生成過程中,多環芳香烴分子不斷長大,由簡單的二維平面結構逐漸生長為復雜的三維空間結構. PAHs分子的生長過程也可以用HACA機理來描述,C2H2和A4在碳煙的成核與表面增長中起著重要作用,對碳煙的生成有著重要影響. ABF碳煙機理認為兩個芘分子(A4)碰撞反應生成聚合物這一過程即為碳煙成核[13].

1.2 火焰模型

數值計算中的火焰結構采用的是軸對稱對沖擴散火焰模型,如圖1所示. 兩個同軸圓形噴嘴對向布置,燃料(乙烯)和氧化劑(79% N2和21% O2)分別從兩個噴嘴噴出,在噴嘴之間會形成一個滯止面. 燃料燃燒產生的擴散火焰亦位于兩個噴嘴之間,根據滯止面與火焰的相對位置可以將對沖擴散火焰劃分為兩種類型,即:僅碳煙生成火焰和碳煙生成與氧化火焰. 在僅碳煙生成火焰中,滯止面位于火焰與燃料噴口之間. 本文中采用的是僅碳煙生成火焰,重點關注碳煙的成核和生長,碳煙會隨著氣流流入滯止面,不會接觸到火焰面,不會被氧化. 設兩個噴嘴之間的距離為1 cm,燃料進口和氧化劑進口的流速和溫度分別為20 cm/s和300 K,壓力變化范圍為1～5 atm.

軸對稱對沖火焰本身是二維的,但當兩個噴嘴直徑較大且噴嘴間距較小時,可看作一維火焰. 此時忽略邊界效應,除了徑向速度之外,火焰的各項參數如溫度、軸向速度、組分濃度等僅為軸向坐標的函數,與徑向坐標無關[14]. 描述對沖火焰的控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、組分守恒方程和能量守恒方程,各方程的具體形式見文獻[15].

2 實驗結果與討論

2.1 壓力變化對碳煙體積分數和數密度的影響

圖2為碳煙數密度和體積分數隨著壓力變化的情況,圖中縱坐標為對數刻度. 當壓力從1 atm增加到5 atm時,碳煙的生成區域逐漸變窄,同時碳煙數密度和體積分數均明顯增加. 碳煙生成過程與燃燒時的火焰溫度、氣相小分子以及多環芳香烴濃度密切相關,可影響碳煙的數密度和體積分數分布. 下面從火焰溫度、氣相小分子、碳煙前驅物等角度分析壓力對碳煙生成的影響機理.

2.2 壓力對火焰溫度的影響

圖3顯示了不同壓力下C2H4對沖擴散火焰的溫度與距燃料出口的距離之間的關系曲線. 由圖可知,當壓力不斷變大時,高溫區域不斷變小,表明隨著壓力的增大對沖擴散火焰發生劇烈燃燒反應的區域變窄,即火焰變薄,與2.1節中的結論一致. 由圖3還可以得知,隨著壓力的增加火焰的最高溫度不斷升高,火焰溫度的最大值向燃料側移動. 壓力越高,燃燒反應速率加快,在更短時間內釋放出更多的熱量,使得溫度升高,加快了燃料的裂解,使碳煙的成核加快而促進了碳煙的生成. 圖4顯示了不同壓力下最高火焰溫度隨壓力的變化情況. 在5 atm和1 atm壓力下火焰的最高溫度分別是2 240.98 K和2 067.11 K,兩者相差約174 K. 根據Bento等[2]的研究,溫度的升高有利于碳煙的生成,所以從火焰溫度角度來看,升高壓力可以促進碳煙的生成.

2.3 壓力對氣相小分子與多環芳香烴濃度分布的影響

燃料在高溫環境下會反應生成小分子中間組分(如CH3、C2H2、C4H5等). 由這些小分子可通過兩條途徑生成初始苯環或者苯基[10]:

(1)碳原子數為偶數時的路徑,即C4和C2分子進行反應.

n-C4H3+C2H2?C6H5,

(3)

n-C4H5+C2H2?C6H6+H.

(4)

(2)碳原子數為奇數時的路徑,即C3和C3及C5和C1分子之間的反應.

C3H3+C3H3?C6H6,

(5)

C3H3+C3H5?C6H6+2H,

(6)

C5H5+CH3?C6H6+2H.

(7)

ABF碳煙生成機理中,初始苯環的生成情況對接下來的PAHs分子生長過程非常重要. 并且包含初始苯環的兩種物質(苯和苯基)可以相互轉換,其轉換過程反應如下:

(9)

(10)

(11)

由以上反應可知,氣相小分子物質(H2、CH4、C4H4、C4H2)對反應的影響是非常重要的. 由圖5可見,火焰中氣相小分子H2、CH4、C4H4、C4H2的摩爾分數在不同壓力下隨距離的變化情況. 經分析可知,隨著壓力的升高氣相小分子摩爾分數發生變化的區域減小,這與圖2、圖3所得出反應區域變窄的結論是一致的. 隨著壓力的升高氣相小分子的摩爾分數略微變小但相差并不大,在同一數量級中發生變化. 壓力變大使得反應溫度和反應速率加快,同時使得這些氣相小分子的含量增加. 但作為基元反應里的小分子同樣消耗速率也加快,所以這些氣相小分子的摩爾分數并沒有出現很大的變化.

圖6為多環芳香烴A1、A2、A3的摩爾分數在不同壓力下的變化情況. 與圖2、圖3、圖5中的結果相似,摩爾分數變化區域隨著壓力的增大而變小. 但與圖5中氣相小分子的濃度隨壓力變化的程度不同. 多環芳香烴隨著壓力的增大發生了不在同一數量級的變化,當壓力增大時多環芳香烴摩爾分數急劇增大. 這些作為形成碳煙重要前驅體的多環芳香烴含量隨壓力的急劇增大促進了碳煙的成核. 所以從多環芳香烴的角度看,壓力變大使得多環芳香烴含量增多,促進了碳煙的生成.

2.4 壓力變化對C2H2和A4的影響

A4和C2H2的含量直接影響到碳煙的成核和生長. 圖7為C2H2和A4的摩爾分數隨壓力的變化情況,可以看到隨著壓力的增大,A4的含量出現了不同量級的變大,而C2H2含量發生了些許的減小. C2H2作為碳煙生成的重要中間產物,一方面通過燃料裂解生成,另一方面通過HACA機理消耗,在這兩方面的共同作用下使得C2H2的摩爾分數只發生了很小的降低. ABF碳煙機理中芘分子(A4)碰撞反應形成聚合物是碳煙顆粒成核的直接途徑,由圖7中芘分子(A4)和C2H2的變化情況可知,壓力越大,生成碳煙的前驅物含量急劇增大,HACA機理的作用更加明顯,使得碳煙顆粒數密度和碳煙體積分數均增大.

3 結論

使用Chemkin中的對沖火焰模型研究了不同壓力下乙烯對沖擴散火焰溫度、多種氣相小分子與多環芳香烴摩爾分數、重要前驅體含量、碳煙數密度和體積分數的變化情況. 應用ABF機理和脫氫加乙炔理論(HACA)從不同的角度闡述壓力對碳煙生成的影響. 結果表明:

(1)火焰的溫度隨著壓力的變大出現了較大的升高,高壓與低壓下的火焰最高溫度相差約174 K. 同時,溫度變化的區域也在減小,反應區域變窄. 壓力使溫度升高,促進了碳煙的生成.

(2)壓力的增大使燃料和氧化劑的消耗速率增加,使得燃燒更加劇烈. 反應生成氣相小分子濃度隨壓力的變化不是很明顯,H2、CH4、C4H4、C4H2的摩爾分數略微減少.

(3)隨著壓力的增大,C2H2和A4的含量變化有著很大的差異,A4的摩爾分數隨壓力的增大迅速增加,C2H2的濃度略微下降. 通過脫氫加乙炔理論(HACA)進行分析,壓力使得A4含量大量增加而C2H2含量基本維持不變,促進了碳煙的成核和表面增長.