摘　要：研究頁巖氣的清潔燃燒特性并設計優化其燃燒器對頁巖氣的推廣應用具有重要意義。根據頁巖氣的特點，設計了供小型工業爐使用的200kW頁巖氣燃燒器，采用數值模擬的方法，研究了過量空氣系數(1.O5～1.35)、鈍體等對頁巖氣燃燒的溫度分布、燃燒產物、NO排放等特性的影響規律。結果表明：①隨著過量空氣系數增大，爐膛的峰值溫度降低；②過量空氣系數較大時，容易在燃燒器根部形成高溫區域；③未加裝鈍體時，NO的生成量較大，NO的生成量隨過量空氣系數的增加而減小；④在燃氣管出口處增加鈍體后，可實現甲烷的完全轉化；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，回流的高溫煙氣能夠有效預熱噴出的燃氣，減少了著火時間，溫度分布較均勻，燃燒狀況穩定，產生的NO濃度較低。綜合考慮的結論認為，增加鈍體優化后的燃燒器，當過量空氣系數為1.25時的工況性能最優。

關鍵詞：頁巖氣  燃燒器  燃燒  數值模擬  設計優化  鈍體  一氧化氮  過量空氣系數

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，非常規天然氣的開發和利用受到了廣泛的關注^[1-4]。頁巖氣，主體上以吸附或游離狀態存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中，頁巖氣的成分比較復雜，主要北學成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數^[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。，遠期預測儲量更是超過100×10¹²m^3[6-7]。在我國頁巖氣還處于勘探開發階段，對頁巖氣開發后的清潔高效利用還未有相應的文獻報道及技術支撐。因此，有必要在頁巖氣大規模開發之前，弄清頁巖氣清潔燃燒特性并研發適合其燃燒的燃燒器，為頁巖氣的進一步應用提供理論依據及技術支撐。

1　物理及數學模型

1．1　頁巖氣燃燒器的設計

由鉆井得到的頁巖氣中甲烷的體積分數比較高，一般可以達到70％～90％，四川盆地南部鉆井得到頁巖氣中的甲烷體積分數為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，選用甲烷體積分數為85％、氮氣體積分數為15％的混合氣體作為燃氣，頁巖氣的低位熱值為30520kJ／m³。筆者設計的頁巖氣主要針對小型工業鍋爐，額定熱負荷為200kW。

所設計的燃燒器結構如圖l所示，主體結構包括燃氣中心管、空氣入口管，腔體和擴散孔。燃氣中心管和腔體的結構尺寸可以通過氣體燃燒器設計手冊和有關文獻計算得出^[8-11]，空氣入口管尺寸根據相關經驗得出，燃燒器燃氣入口管徑為20mm，腔體直徑為64mm，擴散孔直徑為8mm，燃氣中心管長為220mm。

1．2　數學模型

考慮燃燒器內部有很多擴散孔和彎曲結構，有漩渦形成，而且燃燒器出l：3也可能有較大的回流區形成，選用標準的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模型；輻射選用Pl輻射模型；頁巖氣中含有一定量的氮氣，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，采用后處理的方法，在已知爐內流場和溫度場的情況下，對氮氧化合物求解組分輸運方程。

1．3　求解方法及邊界條件

采用非結構化的四面體網格來劃分燃燒器網格，采用結構化的六面體網格來劃分爐膛區域，經網格無關化驗證，網格總數選取23×10⁴。空氣入口和燃氣入口定義為速度型入口邊界，出口定義為壓力型出口邊界，燃燒器壁面以及燃燒區域外壁面為無滑移靜態邊界，采用SIMPLE算法求解。

2　結果及分析

通過數值分析的方法研究了過量空氣系數(a，為1.05～1.35)對頁巖氣燃燒的爐膛內溫度分布、轉化率及污染物排放的影響規律^[16]，并在燃燒器出口位置加裝鈍體對燃燒器進行優化，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(d)分別為1.05、1.15、1.25和1.35這4種工況下，爐膛燃燒區域溫度沿中心軸向距離(X)為0～2.0m(取燃燒器擴散噴口出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時的溫度峰值最大，達到2465K；其次是a為1.25時，溫度峰值為2313K；再次是a為1.15時，溫度峰值為2240K；a為1.35時，溫度峰值最小，為2174K。a為1.35時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，溫度就達到了最大值，而a為1.05時的溫度峰值離燃燒器出口最遠，在X為1.08m時溫度才達到最大值。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，在空氣與燃氣混合燃燒時，氧氣含量充足，著火最快，溫度很快就達到最大值，而a為1.05時燃氣與氧氣混合相對不夠均勻，達到最高溫度的區域向后推遲。

爐膛內的溫度上升太緩慢，會使得著火滯后，降低著火源的溫度，對燃氣的穩定燃燒產生負面影響，特別是對于頁巖氣，不同地方開采的頁巖氣中甲烷體積分數都不盡相同，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，將會使得爐膛燃燒不穩定，影響燃燒效率。如果著火過于提前，燃燒產生的高溫區域會破壞燃燒器，不利于燃燒器的長期使用。

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

圖4為N0質量分數沿中心軸向距離的分布情況，由圖4可知，a為1.05時，NO的峰值最大，其質量分數達到0.11％，結合圖2的溫度分布可知，當a為1.05時，具有最高的溫度峰值，較高的溫度會促使熱力型NO的生成量增加；a為1.15時，NO的峰值為0.018％；a為1.25時，NO的峰值為0.039％；a為1.35時，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系。NO的質量分數隨著軸向距離的增加呈現出先增后減的趨勢，如a為1.05時，在X為1.0～1.6m區間NO的質量分數最高，結合圖2可知該區間具有較高的溫度分布。4種過量空氣系數下爐膛出口處NO的質量分數分別為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)是最優的，產生的NO含量最低。

2．2　鈍體對燃燒特性的影晌及燃燒器結構優化

增加鈍體可以有效增加燃燒器出口的回流區域，使燃燒產生的高溫炯氣回流，增加燃燒的穩定性，提高燃燒效率，同時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，燃燒穩定，且有利于降低NO的生成量，可見加裝鈍體優化后燃燒器的整體性能有所提高。同時從圖中還可以看出：a為1.05時，中心軸向距離0.22m以后的溫度均高于a為1.15、1.25、1.35時的溫度。這主要是由于空氣與燃氣剛噴出時，a為1.15、1.25、1.35時的空氣量相對較足，反應進行迅速，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，隨著過量空氣系數的增加，反應溫度有所降低，在X為0.22m以后較為明顯。

數值研究結果表明，加裝鈍體后甲烷的質量分數在出口處為0，加裝鈍體能夠實現頁巖氣的完全燃燒。加裝鈍體優化后，燃氣噴出后遇到鈍體擾流，產生一定的回流區域，使高溫炯氣回流，并加熱剛噴出的燃氣，使其迅速燃燒，減少了著火時間。圖7為加裝鈍體后NO質量分數沿中心軸向距離的變化情況，與圖4中未加裝鈍體優化前進行對比，加裝鈍體優化后，在相同位置處NO的質量分數明顯降低，主要是由于加裝鈍體后，爐膛溫度有所降低，同時爐膛溫度較均勻。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，NO質量分數峰值均出現在X為1.2171處，分別為0.0141％，0.00310％，0.00327％，0.000902％。峰值出現在此區域的原因是著火熱源比較穩定，燃氣與空氣混合均勻，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，增加鈍體優化后的燃燒器過量空氣系數為l.25的工況性能最優。

3　結論

設計了小型工業爐使用的200 kw的頁巖氣燃燒器，并采用數值分析的方法研究了其燃燒特性，分析了過量空氣系數和鈍體對頁巖氣燃燒特性的影響規律。

1)過量空氣系數為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％；隨著過量空氣系數增大，爐膛的峰值溫度降低；過量空氣系數較大時，容易在燃燒器根部形成高溫區域；未加裝鈍體時，NO的生成量較大，NO的生成量隨過量空氣系數的增加而減小。

2)在燃氣管出口處增加鈍體后，可實現甲烷的完全轉化；與未加裝鈍體相比，爐膛溫度峰值下降，鈍體后形成回流區，回流的高溫煙氣能夠有效預熱噴出的燃氣，減少了著火時間，溫度分布較均勻，燃燒狀況穩定，NO的生成量較低。

3)綜合考慮流動特性、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，增加鈍體優化后燃燒器過量空氣系數為l.25的工況性能最優。

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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及系統教育部重點實驗室·重慶大學

  重慶科技學院機械與動力工程學院