摘　要：研究頁巖氣的清潔燃燒特性并設(shè)計(jì)優(yōu)化其燃燒器對頁巖氣的推廣應(yīng)用具有重要意義。根據(jù)頁巖氣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了供小型工業(yè)爐使用的200kW頁巖氣燃燒器，采用數(shù)值模擬的方法，研究了過量空氣系數(shù)(1.O5～1.35)、鈍體等對頁巖氣燃燒的溫度分布、燃燒產(chǎn)物、NO排放等特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：①隨著過量空氣系數(shù)增大，爐膛的峰值溫度降低；②過量空氣系數(shù)較大時(shí)，容易在燃燒器根部形成高溫區(qū)域；③未加裝鈍體時(shí)，NO的生成量較大，NO的生成量隨過量空氣系數(shù)的增加而減??；④在燃?xì)夤艹隹谔幵黾逾g體后，可實(shí)現(xiàn)甲烷的完全轉(zhuǎn)化；⑤與未加裝鈍體相比，爐膛溫度峰值下降，鈍體后形成回流區(qū)，回流的高溫?zé)煔饽軌蛴行ьA(yù)熱噴出的燃?xì)?，減少了著火時(shí)間，溫度分布較均勻，燃燒狀況穩(wěn)定，產(chǎn)生的NO濃度較低。綜合考慮的結(jié)論認(rèn)為，增加鈍體優(yōu)化后的燃燒器，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.25時(shí)的工況性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：頁巖氣  燃燒器  燃燒  數(shù)值模擬  設(shè)計(jì)優(yōu)化  鈍體  一氧化氮  過量空氣系數(shù)

Numerical simulation of coml,ustion characteristics of shale-gas burners

Abstract：Recent studies have started not only to study the clean combustion features of shale gas but to design and optimize shale gas burners．This will be of a great value to stimulate the wide application of shale gas．According to the unique properties of shale gas，we designed a 200kW shale gas burner for a small-scale industrial furnace．The numerical simulation was adopted to discuss what impact the excess air coefficient(1-O5-1.35)and the bluff body have on the combustion characteristics such as burning temperature distribution，combustion products，NO emission，etc．The following findings were concluded．a．With the increase of excess air coefficient，the peak temperature in the furnace decreases；when the excess air coefficient is rather higher，a high-temperature zone is easily formed at the bottom of the burner．b．Without a bluff body being installed，the amount of NO yield decreases with the increase of the excess air coefficient．c．When a bluff body is installed at the outlet of the gas pipe．the methane in shale gas can be completely consumed and the maximum furnace temperature declines；a backflow zone is also formed in the downstream of the bluffbody，where the high-temperature flue gas will preheat the gushing gas，thus to reduce the ignition time．Comparatively，when the bluff body is installed，the combustion condition is stable and the burning temperatures are evenly distributed in the furnace；and the NO yield is rather low．Also，it is pointed out that the optimal combustion condition will be achieved when the excess air coefficient is l.25．

Key words：shale gas，burner，combustion，numerical simulation，optimal design，bluff body，NO，excess air coefficient is

近些年，非常規(guī)天然氣的開發(fā)和利用受到了廣泛的關(guān)注^[1-4]。頁巖氣，主體上以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中，頁巖氣的成分比較復(fù)雜，主要北學(xué)成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)^[5-7]。我國具有豐富的頁巖氣資源，探明的可采頁巖氣資源量超過26×10¹²m³。，遠(yuǎn)期預(yù)測儲(chǔ)量更是超過100×10¹²m^3[6-7]。在我國頁巖氣還處于勘探開發(fā)階段，對頁巖氣開發(fā)后的清潔高效利用還未有相應(yīng)的文獻(xiàn)報(bào)道及技術(shù)支撐。因此，有必要在頁巖氣大規(guī)模開發(fā)之前，弄清頁巖氣清潔燃燒特性并研發(fā)適合其燃燒的燃燒器，為頁巖氣的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1　物理及數(shù)學(xué)模型

1．1　頁巖氣燃燒器的設(shè)計(jì)

由鉆井得到的頁巖氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)比較高，一般可以達(dá)到70％～90％，四川盆地南部鉆井得到頁巖氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)為86.5％，其余則主要是N2。為了便于模擬和研究頁巖氣的燃燒狀況，選用甲烷體積分?jǐn)?shù)為85％、氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為15％的混合氣體作為燃?xì)?，頁巖氣的低位熱值為30520kJ／m³。筆者設(shè)計(jì)的頁巖氣主要針對小型工業(yè)鍋爐，額定熱負(fù)荷為200kW。

所設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)如圖l所示，主體結(jié)構(gòu)包括燃?xì)庵行墓?、空氣入口管，腔體和擴(kuò)散孔。燃?xì)庵行墓芎颓惑w的結(jié)構(gòu)尺寸可以通過氣體燃燒器設(shè)計(jì)手冊和有關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算得出^[8-11]，空氣入口管尺寸根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得出，燃燒器燃?xì)馊肟诠軓綖?span lang="EN-US">20mm，腔體直徑為64mm，擴(kuò)散孔直徑為8mm，燃?xì)庵行墓荛L為220mm。

1．2　數(shù)學(xué)模型

考慮燃燒器內(nèi)部有很多擴(kuò)散孔和彎曲結(jié)構(gòu)，有漩渦形成，而且燃燒器出l：3也可能有較大的回流區(qū)形成，選用標(biāo)準(zhǔn)的k—e模型作為湍流模型^[12-15]；氣體的燃燒采用甲烷兩步反應(yīng)模型；輻射選用Pl輻射模型；頁巖氣中含有一定量的氮?dú)?，對于氮氧化合物的生成考慮了熱力氮和快速氮的生成以及氮氧化合物的再燃效應(yīng)，采用后處理的方法，在已知爐內(nèi)流場和溫度場的情況下，對氮氧化合物求解組分輸運(yùn)方程。

1．3　求解方法及邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格來劃分燃燒器網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格來劃分爐膛區(qū)域，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)化驗(yàn)證，網(wǎng)格總數(shù)選取23×10⁴?？諝馊肟诤腿?xì)馊肟诙x為速度型入口邊界，出口定義為壓力型出口邊界，燃燒器壁面以及燃燒區(qū)域外壁面為無滑移靜態(tài)邊界，采用SIMPLE算法求解。

2　結(jié)果及分析

通過數(shù)值分析的方法研究了過量空氣系數(shù)(a，為1.05～1.35)對頁巖氣燃燒的爐膛內(nèi)溫度分布、轉(zhuǎn)化率及污染物排放的影響規(guī)律^[16]，并在燃燒器出口位置加裝鈍體對燃燒器進(jìn)行優(yōu)化，提高燃燒效果。

2．1　頁巖氣燃燒器燃燒特性

在過量空氣系數(shù)(d)分別為1.05、1.15、1.25和1.35這4種工況下，爐膛燃燒區(qū)域溫度沿中心軸向距離(X)為0～2.0m(取燃燒器擴(kuò)散噴口出Vl為X＝0的位置)的分布如圖2所示。

從圖2可以得出，a為1.05時(shí)的溫度峰值最大，達(dá)到2465K；其次是a為1.25時(shí)，溫度峰值為2313K；再次是a為1.15時(shí)，溫度峰值為2240K；a為1.35時(shí)，溫度峰值最小，為2174K。a為1.35時(shí)的溫度峰值離燃燒器出口最近，且溫度上升很快，在X為0.60m處，溫度就達(dá)到了最大值，而a為1.05時(shí)的溫度峰值離燃燒器出口最遠(yuǎn)，在X為1.08m時(shí)溫度才達(dá)到最大值。這主要是由于，a為1.35為所有模擬工況中的最大過量空氣系數(shù)，在空氣與燃?xì)饣旌先紵龝r(shí)，氧氣含量充足，著火最快，溫度很快就達(dá)到最大值，而a為1.05時(shí)燃?xì)馀c氧氣混合相對不夠均勻，達(dá)到最高溫度的區(qū)域向后推遲。

爐膛內(nèi)的溫度上升太緩慢，會(huì)使得著火滯后，降低著火源的溫度，對燃?xì)獾姆€(wěn)定燃燒產(chǎn)生負(fù)面影響，特別是對于頁巖氣，不同地方開采的頁巖氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)都不盡相同，甚至相差較大，在燃燒過程中，如果著火相對靠后，著火源溫度不高，將會(huì)使得爐膛燃燒不穩(wěn)定，影響燃燒效率。如果著火過于提前，燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)域會(huì)破壞燃燒器，不利于燃燒器的長期使用。

圖3反映了甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿中心軸向距離的分布情況。在爐膛的尾部，甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都幾乎為0，4種工況的甲烷轉(zhuǎn)化率都超過99.8％，其中，a為1.15、1.25、1.35這3種工況下的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化最快，到X為0.60m處就幾乎燃盡，容易在燃燒器根部形成高溫區(qū)域；a為1.05時(shí)，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降相對緩慢，在0.60m處達(dá)到1.2％。

圖4為N0質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿中心軸向距離的分布情況，由圖4可知，a為1.05時(shí)，NO的峰值最大，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.11％，結(jié)合圖2的溫度分布可知，當(dāng)a為1.05時(shí)，具有最高的溫度峰值，較高的溫度會(huì)促使熱力型NO的生成量增加；a為1.15時(shí)，NO的峰值為0.018％；a為1.25時(shí)，NO的峰值為0.039％；a為1.35時(shí)，NO的峰值為0.012％，可以看出NO的生成量與燃燒工況的溫度有較大的關(guān)系。NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著軸向距離的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，如a為1.05時(shí)，在X為1.0～1.6m區(qū)間NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，結(jié)合圖2可知該區(qū)間具有較高的溫度分布。4種過量空氣系數(shù)下爐膛出口處NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.0427％，0.00218％，0.000996％，0.000254％，從減少污染物排放的角度考慮，工況4(a為1.35)是最優(yōu)的，產(chǎn)生的NO含量最低。

2．2　鈍體對燃燒特性的影晌及燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

增加鈍體可以有效增加燃燒器出口的回流區(qū)域，使燃燒產(chǎn)生的高溫炯?xì)饣亓?，增加燃燒的穩(wěn)定性，提高燃燒效率，同時(shí)還能有效提高爐膛溫度的均勻性。圖5為在燃燒器出口加裝鈍體后的中心軸線區(qū)域溫度分布情況，圖6為燃燒爐膛溫度分布云圖。

由圖5、6可知，加裝鈍體后，峰值溫度下降，平均溫度較沒加裝鈍體之前有所降低，X為0.8m后溫度相對均勻，燃燒穩(wěn)定，且有利于降低NO的生成量，可見加裝鈍體優(yōu)化后燃燒器的整體性能有所提高。同時(shí)從圖中還可以看出：a為1.05時(shí)，中心軸向距離0.22m以后的溫度均高于a為1.15、1.25、1.35時(shí)的溫度。這主要是由于空氣與燃?xì)鈩倗姵鰰r(shí)，a為1.15、1.25、1.35時(shí)的空氣量相對較足，反應(yīng)進(jìn)行迅速，溫度升高較快，致使3種工況在中心軸向距離0.22m以前具有較高的溫度，但由于頁巖氣中甲烷的濃度一定，燃燒放熱量一定，隨著過量空氣系數(shù)的增加，反應(yīng)溫度有所降低，在X為0.22m以后較為明顯。

數(shù)值研究結(jié)果表明，加裝鈍體后甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在出口處為0，加裝鈍體能夠?qū)崿F(xiàn)頁巖氣的完全燃燒。加裝鈍體優(yōu)化后，燃?xì)鈬姵龊笥龅解g體擾流，產(chǎn)生一定的回流區(qū)域，使高溫炯?xì)饣亓?，并加熱剛噴出的燃?xì)?，使其迅速燃燒，減少了著火時(shí)間。圖7為加裝鈍體后NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿中心軸向距離的變化情況，與圖4中未加裝鈍體優(yōu)化前進(jìn)行對比，加裝鈍體優(yōu)化后，在相同位置處NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，主要是由于加裝鈍體后，爐膛溫度有所降低，同時(shí)爐膛溫度較均勻。因此NO的生成量較少。

由圖7可知，旺為1.05、1.15、1.25和1.35時(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值均出現(xiàn)在X為1.2171處，分別為0.0141％，0.00310％，0.00327％，0.000902％。峰值出現(xiàn)在此區(qū)域的原因是著火熱源比較穩(wěn)定，燃?xì)馀c空氣混合均勻，燃燒充分，且輻射傳熱較少，溫度較高，熱力型NO生成量較大。結(jié)合圖5可知，a為1.05工況具有最高的溫度峰值，所以該工況下污染物NO生成最大。綜合考慮流動(dòng)特性、燃燒溫度及其均勻分布情況、燃燒效率、甲烷濃度場分布和NO的生成量等，增加鈍體優(yōu)化后的燃燒器過量空氣系數(shù)為l.25的工況性能最優(yōu)。

3　結(jié)論

設(shè)計(jì)了小型工業(yè)爐使用的200 kw的頁巖氣燃燒器，并采用數(shù)值分析的方法研究了其燃燒特性，分析了過量空氣系數(shù)和鈍體對頁巖氣燃燒特性的影響規(guī)律。

1)過量空氣系數(shù)為1.05、1.15、1.25、1.35這4種工況下，燃燒器的燃燒效率均可超過99.8％；隨著過量空氣系數(shù)增大，爐膛的峰值溫度降低；過量空氣系數(shù)較大時(shí)，容易在燃燒器根部形成高溫區(qū)域；未加裝鈍體時(shí)，NO的生成量較大，NO的生成量隨過量空氣系數(shù)的增加而減小。

2)在燃?xì)夤艹隹谔幵黾逾g體后，可實(shí)現(xiàn)甲烷的完全轉(zhuǎn)化；與未加裝鈍體相比，爐膛溫度峰值下降，鈍體后形成回流區(qū)，回流的高溫?zé)煔饽軌蛴行ьA(yù)熱噴出的燃?xì)猓瑴p少了著火時(shí)間，溫度分布較均勻，燃燒狀況穩(wěn)定，NO的生成量較低。

3)綜合考慮流動(dòng)特性、燃燒溫度及其均勻分布情況、燃燒效率、甲烷濃度場分布和NO的生成量等，增加鈍體優(yōu)化后燃燒器過量空氣系數(shù)為l.25的工況性能最優(yōu)。

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本文作者：楊仲卿  郭名女  耿豪杰  鐘志剛  張力

作者單位：低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·重慶大學(xué)

  重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院