CO₂物理作用对甲烷扩散火焰燃烧特性影响

The Influence of CO₂ Physical Effects on the Combustion Characteristics of Methane Diffusion Flames

摘要: 本文以天然气的烟气再循环技术为研究背景，主要研究CO₂气体的加入对CH₄/空气同轴射流层流扩散燃烧火焰影响。采用数值模拟方法，对CO₂气体的物理特性对火焰温度，CH₄反应速率峰值和火焰尺寸的影响分别进行分析，为深入研究CH₄火焰燃烧特性提供基础模拟理论的分析依据。研究结果显示，当空气中的部分N₂被CO₂代替后，火焰的燃烧温度会随着当量比的增加而降低，随着CO₂体积分数的增加而降低，并且无论是在贫燃料燃烧还是在富燃料燃烧，这种变化趋势保持一致。而CO₂的加入因其自身的高比重使得CO₂进入燃烧室后具有较大的分子动量，更有利于燃料与氧化剂混合发生反应，因此使得CH₄/空气反应速率的峰值升高，但并没有提高CH₄的燃烧效率。火焰尺寸不因CO₂的加入而发生变化，但随着当量比的增加而减小。

Abstract: This study investigates the influence of CO₂ addition on CH₄/air coaxial jet laminar diffusion flames within the context of flue gas recirculation (FGR) technology for natural gas combustion. Numerical simulations were conducted to analyze the effects of CO₂ physical properties on flame temperature, peak CH₄ reaction rate, and flame dimensions, providing foundational theoretical insights for further research on CH₄ flame combustion characteristics. Results indicate that substituting N₂ in air with CO₂ leads to a reduction in flame temperature, which decreases with both increasing equivalence ratio and CO₂ volume fraction. This trend remains consistent under both fuel-lean and fuel-rich combustion conditions. The introduction of CO₂ enhances the peak CH₄ reaction rate due to its higher molecular momentum, which promotes fuel-oxidizer mixing. However, no significant improvement in CH₄ combustion efficiency is observed. Flame dimensions remain unaffected by CO₂ addition but decrease with increasing equivalence ratio.

1. 引言

在我国的工业生产中，为了清洁地利用天然气，我国使用多种天然气的低NO_X排放技术。目前，我国的天然气低NO_X排放技术研究主要分为三种：① 对天然气和空气的预处理；② 空气和天然气的优化配置及新型燃烧器的设计；③ 烟气的后处理。

对天然气的预处理主要是在天然气中加入一些具有氧化或者还原物质，来抑制燃烧过程中生成的NO_X。而对空气的预处理方法主要分为三种。其一为降低助燃空气的预热温度，从而可以降低火焰的绝热燃烧温度(即火焰温度峰值)，减少热力型NO_X的生成量。其二为采用空气分离技术，助燃气体为从空气中分离出来的纯氧，没有N₂参与反应，进而减少了快速型NO_X的生成量。其三为采用上个世纪80年代末日本提出来的高温空气燃烧技术(HTAC)，它利用高效蓄热体，最大限度地回收高温烟气中的热量，把燃烧所需的空气预热到1000℃以上，甚至达到1400℃，使之进入燃烧室与燃料掺混后形成高温燃烧[1] [2]。同时，通过燃烧过程的有效组织，降低了燃烧区的氧气浓度，从而使该技术具有节约燃料、低NO_X排放、热利用率高和减小设备尺寸等优点。

空气和天然气的优化配置及新型燃烧器的设计方法较多。对于空气和天然气的优化配置，可以采用新型的燃烧技术，目前应用主要有低过量空气燃烧、烟气再循环燃烧[3]、浓淡燃烧[4]、空气分级燃烧[5]、燃料分级燃烧[6]、多孔介质燃烧[7]等。根据低NO_X排放原理和不同的负荷需要，设计出了各种各样的低NO_X燃烧器，如浓淡型低NO_X燃烧器、两级燃烧式低NO_X燃烧器、燃气自身循环式低NO_X燃烧器、脉冲式低NO_X燃烧器和多孔介质低NO_X燃烧器等。此外，也可以把多种低NO_X燃烧排放原理综合利用，研制出超低NO_X燃烧器。目前，由于研究水平和技术支持方面的匮乏，我国和国际方面还存在一定的差距。

对烟气的净化处理可以根据反应介质状态的不同分为干法和湿法两类。干法包括：选择性催化还原(SCR)，选择性非催化还原(SNCR)、非选择性催化还原(NSCR)、分子筛、活性炭吸附法、等离子体等；湿法包括酸碱溶液吸附法、氧化吸附法以及吸附还原法等。此外还有一些新型的烟气净化技术，如电子束照射法、脉冲电晕等离子体法和光催化分解法等，这些技术只是刚刚起步，距离成熟应用还需要一定的时间。

在上述提到的所有天然气低NO_X燃烧技术中，烟气再循环燃烧方式应用广泛，它的优点不仅仅在于能够降低NO_X污染物的排放，还能够提高燃烧效率，高效回收燃烧产物CO₂，具有明显的节能效果。结合烟气再循环燃烧方式的多种优点，广泛应用于工业燃烧器、锅炉、燃气轮机、内燃机和斯特林发动机等领域。它的应用范围之广，使得烟气再循环燃烧方式的研究尤其重要。本文以烟气再循环燃烧技术为研究背景，对天然气的扩散火焰火焰特性进行数值模拟分析。为天然气的低氮燃烧技术提供一些基本数值模拟数据根据。

CH₄为天然气的主要成分，且杂质很少，因此在大部分学者的研究中直接用纯CH₄代替天然气。空气的主要成分为O₂和N₂，在本研究中认为空气只由这两种成分组成。烟气中的主要成分为CO₂，烟气再次回到燃烧室参加反应时，天然气的燃烧气氛就由原来的空气气氛，变为空气加CO₂气氛。当火焰的燃烧气氛发生变化时，其火焰的基础特性也会发生变化。为了更加清楚地知道在烟气再循环燃烧方式下天然气的燃烧特性，就必须解明空气加CO₂气氛与空气气氛对火焰燃烧特性产生的不同影响。因此，开展CH₄在O₂/N₂/CO₂气氛下燃烧的火焰特性基础研究具有重要的现实意义，可为改善能源结构、天然气的低氮燃烧、烟气再循环燃烧技术的发展提供一些基础的理论依据。

2. 数值模型建立

2.1. 同轴射流扩散火焰喷嘴设计尺寸

Figure 1. Structure and size of the nozzle

图1. 喷管结构尺寸图

本文的数值模拟对象为同轴射流扩散火焰，模拟所用喷管结构尺寸图如图1所示。内管为燃气管，主要通燃料CH₄，半径为5 mm，壁厚2 mm；外管为助燃剂管，主要通空气，半径为22 mm，壁厚2 mm。

燃气进口截面面积：

$S_1={\text{πR}}_1^2=78.5\times {10}^{-6}{\text{m}}^2$ (1)

空气进口截面面积：

$S_2=\text{π}\left({\text{R}}_3^2-{\text{R}}_2^2\right)=1365.9\times {10}^{-6}{\text{m}}^2$ (2)

2.2. 同轴射流扩散火焰燃烧室的设计尺寸

本文模拟的是在确定尺寸的燃烧室内同轴射流层流扩散火焰的燃烧特性，燃气和助燃剂从喷管喷出后进入到燃烧室内进行扩散燃烧。燃烧室的尺寸大小即为FLUENT的计算范围。本文的燃烧室为长1.5 m，直径0.3米的圆筒，中间中空，燃烧产物出口与大气相通。具体尺寸如图2所示。

Figure 2. Size of the combustor

图2. 燃烧室空间尺寸

2.3. 同轴射流扩散火焰数值计算空间网格划分

对于本文中的燃烧室模型，空气入口及燃气入口是比较重要的部位，所以左侧网格应分布较密，此外，在对称轴部位靠近燃气入口的流动较为强烈，故网格应较为稠密。在图3的计算空间中，燃气进口边界节点间距为1 mm；空气进口边界间距为1.5 mm；壁厚为均匀网格，节点间距1 mm；右侧压力出口为均匀网格，边界节点间距为1 mm；左侧壁面为非均匀网格，节点间距为3 mm，ratio = 1.05，沿Y轴方向网格间距逐渐增大；上壁面及X轴为非均匀网格，节点间距为5 mm，ratio = 1.02，沿X轴方向网格间距逐渐增大。划分面网格时：Element项选择Quad，Type项选择Pave，即非结构化网格。

Figure 3. The grid of the iteration space

图3. 计算空间网格划分

2.4. 网格无关性验证

本文对模拟网格进行无关性验证，对燃烧室模型的网格划分情况分为五种，网格数量分别为：7600，9100，18,300，36,600，45,700。以燃烧室出口的温度为监测值，模拟情况如图4所示。将每一次的计算结果与前一次计算结果比较发现，当网格数目超过18,300后，计算结果相差不大，基本控制在0.4%左右，故综合考虑网格的经济性和合理性，本文模型的网格采用第三种网格数目的划分方法。

Figure 4. Grid independence verification

图4. 网格无关性验证

3. 结果和讨论

3.1. CO₂添加对火焰温度的影响

3.1.1. 化学当量比对火焰温度的影响

图5显示了在相同的CO₂体积分数，不同的当量比下，CH₄绝热火焰温度的变化情况。由图5(a)和图5(b)可以看出，无论是在贫燃料燃烧还是在富燃料燃烧中，在相同的CO₂浓度下，火焰的绝热火焰温度均随当量比的增大而逐渐地降低，降低趋势基本一致。其原因在于在本文的模型中，燃料进口喷嘴尺寸半径固定，且为保证燃料量一致，故当量比直接反应氧化剂的进口速度，由图5可以看出，由贫燃燃烧逐渐过渡到富燃燃烧，当量比的逐渐增大，其空气速度是逐渐降低的。在贫燃料燃烧中，氧化剂过剩，即CH₄可以得到充分燃烧；而在富燃料燃烧中，燃料过剩，氧化剂不足，结果导致燃料不能够完全燃烧。在本文的模拟过程中，为了保证可比性，进入燃烧室的燃料的质量流量均保持恒定。所以，在随着当量比的增大，由贫燃过渡到富燃燃烧过程，等量燃料CH₄由充分燃烧过渡到不完全燃烧，其释放的热量定会有所减少，故火焰的绝热火焰温度随着当量比的增加会逐渐地降低。

(a) 贫燃料

(b) 富燃料

Figure 5. Variation of peak flame temperature with equivalence ratio

图5. 最高火焰温度随当量比的变化曲线

3.1.2. CO₂体积分数对火焰温度的影响

图6所示为在不同当量比下，绝热火焰温度随CO₂体积分数的变化情况。从图中可以看出，无论是在贫燃料燃烧还是在富燃料燃烧过程中，随着CO₂体积分数的增加，CH₄的绝热火焰温度逐渐降低，且降低趋势相同，基本呈线性趋势降低。造成这种下降趋势的原因与CO₂的物理特性有很大关系。在本文中CO₂的体积分数即为它代替的N₂部分，N₂的摩尔比热容为6.96 KJ/(mol∙K)，CO₂的摩尔比热容为8.87 KJ/(mol∙K)。比热容越大意味着同样体积分数的N₂和CO₂相比，CO₂本身吸收的热量更多，故造成了绝热火焰温度较纯N₂气氛的逐渐降低。并且，随着CO₂体积分数的增加，CO₂的这种吸热效应更加的明显，温度下降趋势更加的明显。在图6(a)和图6(b)中，均有当量比为1时绝热火焰温度随CO₂体积分数的变化，故比较当量比为1时，CO₂的体积分数为0%和10%两种工况。第一种工况空气气体成分体积比为O₂:N₂:CO₂ = 21:79:0，第二种工况空气气体成分体积比为O₂:N₂:CO₂ = 21:69:10，两种工况的根本区别在于10%的N₂和10%的CO₂产生的影响。由于CO₂的比热容大于N₂，故10% CO₂吸收的热量，必然大于10% N₂吸收的热量，火焰燃烧温度必然会下降，这与赵然[8]的研究结果一致。根据模拟结果显示每增加10% CO₂，绝热火焰温度约下降20~30 K。此外，CO₂气体较N₂气体的低扩散性也是火焰温度下降的原因。CO₂在氧气中的扩散率为0.139 cm²/s，N₂在氧气中的扩散率为0.185 cm²/s，两种工况中10% CO₂与10% N₂相比，CO₂的低扩散率使得火焰传播变得困难，火焰反应速率降低，则火焰温度必然下降。

(a) 贫燃料燃烧 (b) 富燃料燃烧

(c) 贫富燃料燃烧

Figure 6. variation of peak flame temperature with CO₂ volume fraction

图6. 最高火焰温度随CO₂体积分数的变化曲线

图6(c)显示的是绝热火焰温度在当量比为0.7、1.0、1.3下，随CO₂浓度的变化情况，此图是把贫燃料燃烧、化学恰当反应、富燃料燃烧反映在一张图中，更加直观地看出绝热火焰温度在不同的燃烧情况下随CO₂体积分数的变化情况。从图中，可以看出在相同的CO₂体积分数下，在贫燃料燃烧中当量比的变化对绝热火焰温度的影响较富燃料燃烧更加的明显。图6(c)中显示相同的CO₂体积分数，在贫燃料燃烧中，当量比由0.7增加到1.0，绝热火焰温度降低约为17 K左右；在富燃料燃烧中，当量比由1.0增加到1.3，绝热火焰温度降低约为10 K左右。

3.2. CO₂添加对CH₄反应速率峰值的影响

Figure 7. The effect of CO₂ on the peak combustion rate of CH₄

图7. CO₂对CH₄燃烧速率峰值的影响

在燃烧过程中，在不考虑燃料与氧化剂的混合过程和燃烧过程之间重叠作用的情况下，整个反应所需要的时间$\tau$ 应该等于燃料混合时间${\tau }_{mix}$ 和化学反应时间${\tau }_{che}$ 之和，即$\tau ={\tau }_{mix}+{\tau }_{che}$ 。如果${\tau }_{mix}\ll {\tau }_{che}$ ，则有$\tau \approx {\tau }_{che}$ ，称之为动力燃烧。此时燃烧过程主要受化学动力学因素影响，预混燃烧属于动力燃烧工况。如果${\tau }_{mix}\gg {\tau }_{che}$ ，则有$\tau \approx {\tau }_{mix}$ ，称之为扩散燃烧，此时燃烧过程主要被扩散因素控制，可燃物的化学性质对燃烧速率的影响较小，而流体的动力学因素则强烈地影响着燃烧速率。

本文的研究对象为层流扩散火焰，即燃烧速率主要受扩散过程的影响。由图7显示在0.7~1.3的当量比下，随着CO₂体积分数的增加，燃烧速率在逐渐的增加。其主要原因是CO₂代替N₂后，由于CO₂较N₂具有较高的比重，当CO₂分子以一定的速度进入燃烧室和空气扩散混合时，CO₂分子有较大的分子动量，更有利于燃料和氧化剂的混合，故反应速率略有增加，但是增加的速率数量级在10⁻³，还是比较小的。值得一提的是，虽然CO₂的加入对燃料的化学反应速率略微提高，但是并没有提高燃料的燃烧效率，原因在于CO₂具有较大的热容，当CO₂代替部分N₂后，导致火焰放出的热量被CO₂更多的吸收，反而减小了火焰的放热量，进而降低了火焰的燃烧效率[9]。

3.3. CO₂添加对火焰尺寸的影响

3.3.1. CO₂体积分数对火焰尺寸的影响

火焰尺寸的大小直接关系到火焰结构、污染物生成。此外，在燃气轮机燃烧室中，火焰尺寸还影响着火焰燃烧的稳定性和燃烧室尺寸的大小。因此研究CO₂代替部分N₂后，扩散火焰的结构及尺寸变化不但可以从火焰结构中分析火焰稳定性、污染物生成，还对燃气轮机燃烧室设计改造有重要的指导意义。在数值计算中，火焰长度的表示方法多种，文献[10]中用火焰温度分布云图来表征火焰长度；文献[11]中用火焰燃烧反应速率来表征温度分布云图。在本文中，用温度分布云图来表征火焰外形的尺寸。

从图8中可以看出，在当量比为1.0时，用CO₂替代空气中原有的部分N₂，结果为降低了火焰的绝热温度。但是，云图的分布并未发生变化。也就是说，CO₂的添加并未影响到火焰的结构变化。根据相似理论或对扩散方程进行简化处理，可以导出气体燃料与空气等速同向流动层流扩散火焰的火焰长度L表达式[12]：

$\text{L}=\frac{\text{V}}{2\text{πD}}$ (3)

式中V为燃料流和空气的流量，D为扩散系数。对于气体燃料和空气等速同向流的火焰，当燃料和空气的流量一定时，其火焰长度与喷嘴直径及喷射压力均无关。同样地，当气体燃料和空气助燃剂的速度不相同时，定性上也可以这样做相似分析。在本文中，由于固定的燃烧室尺寸及喷嘴尺寸，保持恒定的当量比，即不改变燃料和空气的进口速度(总的流量未变)；给定燃料CH₄，其在O₂中的扩散系数不变。用CO₂代替部分的N₂后，并未改变总流量和燃料的扩散系数，故火焰的尺寸也不会变化。所以，在图8的三幅图中，随着CO₂体积分数的增加，火焰尺寸并未发生变化。

Figure 8. The volume fraction of CO₂ effect on the flame structure (Φ = 1.0)

图8. CO₂体积分数对火焰结构的影响(当量比为1)

3.3.2. 当量比对火焰尺寸的影响

图9显示的是在不同的当量比下，火焰尺寸的变化。从图中可以看出，随着当量比的增加，由贫燃燃烧状态过渡到富燃燃烧状态下，火焰靠近喷嘴处逐渐变粗，即火焰燃烧区域变大。由于燃烧室尺寸的限制，温度云图并未把整个火焰显示完全，但是根据燃烧室出口处的火焰情况推测可得，随着当量比的增加火焰长度逐渐变短。因为在上一节已经分析过CO₂体积分数的增加并未对火焰尺寸产生影响，所以，此处显示的是在当量比为0.7，1.0，1.3，空气成分为O₂:N₂ = 21:79 (即并未加入CO₂)时的火焰尺寸。在本文的燃烧室模型中，燃烧室尺寸及燃料喷嘴、空气喷嘴尺寸均为确定值，故进口的速度可以直接反应流量大小。此外为了排除燃料量变化对分析对象产生影响，本文保证燃料(CH₄)进口速度保持恒定。如果改变当量比，即改变空气进口速度。当量比的增加实质上是空气进口速度减小的过程。由前面一节的分析可知，火焰长度与空气和燃料进口的总流量成正比，空气进口速度减小将导致总的进口流量减少，故火焰长度会有所减小。空气以一定的速度进入到燃烧室内，会将燃料流往轴向方向带，当空气进口速度降低时，这种作用会略微减轻，即CH₄往燃烧室的径向方向的扩散会略微增加，故火焰底部会略微变粗。

Hawthor和他的合作者[13]根据直观的实验研究建立了层流扩散火焰长度与喷嘴直径和气体流动速度之间的一个简单关系，CH₄/空气层流扩散火焰的长度与喷嘴出口横截面积以及通过这个横截面积时的气流速度成正比。张鹏[14]在此研究基础上加入了稀释气体稀释的影响，得出结论：稀释条件下的，CH₄/空气同轴射流层流扩散火焰长度与通过喷嘴出口横截面积时的气流速度成正比，与稀释量成反比。在张鹏的研究中，稀释气体为N₂和CO₂，并直接加入到燃料中。当加入稀释气体后，稀释量的增加造成燃料浓度的降低，引起了火焰长度的减小。而在本文中，CO₂气体加入到空气中，并且CO₂的加入并未引起燃料和氧化剂的流量变化，所以火焰尺寸没有变化并不会和张鹏[14]的研究结果相违背。

Figure 9. The equivalence ratio effect on the flame structure

图9. 当量比的变化对火焰结构的影响

5. 结论

本文主要利用FLUENT软件计算模拟了CH₄/空气在不同的当量比下，用CO₂代替部分空气中的N₂，CO₂体积分数由0%增加到60%时火焰的燃烧特性，并得出了以下结论：

1) 当空气中的部分N₂被CO₂代替后，火焰的燃烧温度会随着当量比的增加而降低，随着CO₂体积分数的增加而降低，并且无论是在贫燃料燃烧还是在富燃料燃烧，这种变化趋势保持一致。造成这种现象的主要原因是CO₂明显的阻燃效果。CO₂较N₂对燃烧的阻碍作用强烈可以用CO₂的热效应和CH₄反应机理来解释。

2) CO₂的加入使得CH₄/空气反应速率的峰值升高。其主要原因是CO₂的高比重使得CO₂进入燃烧室后其较大的分子动量更加有利于燃料与氧化剂的混合进行反应。但，并没有提高CH₄的燃烧效率。

3) CO₂的加入并不会影响火焰结构，因为CO₂的加入在相同的当量比下并没有改变能够影响火焰结构的因素。但火焰结构会随当量比的增加而减小，其原因在于当量比的增加意味着空气进口速度变慢，而空气进口速度的缓慢将导致总的进口流量减少，故火焰长度会有所减小。

基金项目

本文由北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所“科技启萌计划”项目资助。