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不同初始條件下頁(yè)巖氣層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)分析

2014-12-23 07:13李銘迪李瑞娜
關(guān)鍵詞:層流氮?dú)?/a>摩爾

劉 帥,王 忠,李銘迪,趙 洋,李瑞娜

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013)

頁(yè)巖氣是一種存在于致密細(xì)碎屑巖中的非常規(guī)天然氣.目前,全球頁(yè)巖氣探明儲(chǔ)量達(dá)456.2萬(wàn)億m3,占天然氣總儲(chǔ)量的 11.7%[1].與常規(guī)天然氣比較,我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富,分布廣范,可采深度大,能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定產(chǎn)氣,具有巨大的開(kāi)發(fā)利用潛力[2].頁(yè)巖氣主要是由甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷和異丁烷等烷烴類氣體組成,其中主要成分甲烷約占46.5% ~99.8%.

圍繞天然氣等其他氣體燃料的層流燃燒與不同初始條件對(duì)層流火焰的影響等方面,國(guó)內(nèi)、外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究.王彬彬等[3]研究了不同摻氫比和稀釋因子對(duì)LPG/空氣的自由蔓延火焰結(jié)構(gòu)影響,模擬分析了對(duì)撞雙火焰的加氫LPG火焰,摻氫可以提高稀薄燃燒極限,增加火焰的穩(wěn)定性;張志遠(yuǎn)等[4]采用一個(gè)擴(kuò)展的乙醇化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理,計(jì)算了不同初始條件下乙醇/空氣混合氣層流火焰中自由基等的分布規(guī)律,得到了OH,H和O基濃度隨初始?jí)毫υ黾佣鴾p小,隨初始溫度增加而增加,隨氮?dú)庀♂尪鹊脑黾佣鴾p小的結(jié)果;劉玉英等[5]對(duì)甲烷/空氣對(duì)沖擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,增大反應(yīng)物預(yù)熱溫度可以拓寬火焰穩(wěn)定燃燒區(qū)域,增加氧化劑稀釋率會(huì)降低稀釋火焰的穩(wěn)定性;胡二江等[6]采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法,研究了C1-C4烷烴燃料的預(yù)混層流燃燒速度和著火延遲期的差異,甲烷燃燒速度最小,著火延遲期最長(zhǎng),乙烷燃燒速度最快,著火延遲期最短.研究現(xiàn)狀表明:氣體燃料組分的變化對(duì)火焰結(jié)構(gòu)存在影響,頁(yè)巖氣的組分與天然氣存在差異,針對(duì)頁(yè)巖氣預(yù)混層流火焰結(jié)構(gòu)的研究所見(jiàn)文獻(xiàn)不多,初始條件的變化影響層流火焰結(jié)構(gòu),有必要圍繞不同初始條件下頁(yè)巖氣的預(yù)混層流火焰結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究.

筆者應(yīng)用Chemkin4.5中預(yù)混層流火焰速度模型[7],圍繞不同初始條件對(duì)頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒速度的影響開(kāi)展研究,分別改變初始溫度、初始?jí)毫偷獨(dú)庀♂尪?,探討?yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)中反應(yīng)物、生成物和自由基摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì),分析H+OH基的摩爾分?jǐn)?shù)峰值和絕熱火焰溫度隨初始條件的變化規(guī)律.

1 機(jī)理的構(gòu)建與驗(yàn)證

我國(guó)云南昭通地區(qū)頁(yè)巖氣中C1-C4烷烴類氣體體積分?jǐn)?shù)分別為 78.90%,12.60%,4.90%,0.76%[1],不考慮氣體中的其他成分,計(jì)算采用的頁(yè)巖氣中烷烴類氣體體積分?jǐn)?shù)分別為79.00%,14.00%,6.00%,1.00%.采用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為USC Mech2.0 機(jī)理[8],通常用于分析 C1-C4 碳?xì)淙剂虾秃铣蓺獾膶恿黝A(yù)混火焰、流反應(yīng)器和激波管內(nèi)的燃燒等過(guò)程[6],機(jī)理包括111個(gè)物種和784個(gè)基元反應(yīng).

為了驗(yàn)證USC Mech2.0化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)研究的準(zhǔn)確性,采用Chemkin層流火焰燃燒速度模型和該化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,模擬了初始溫度為300 K,初始?jí)毫?.1 MPa,當(dāng)量比在0.6~1.3范圍內(nèi),占頁(yè)巖氣成分達(dá)90%(體積分?jǐn)?shù))以上的甲烷和乙烷預(yù)混層流燃燒火焰速度,與文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較.甲烷和乙烷預(yù)混層流燃燒速率模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖1所示,在當(dāng)量比為0.6~1.3范圍內(nèi),試驗(yàn)得到的結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,其中,當(dāng)量比在0.9~1.2范圍內(nèi),甲烷的試驗(yàn)值與模擬值誤差只有1%左右.

圖1 USC Mech2.0機(jī)理驗(yàn)證

圍繞頁(yè)巖氣的預(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu),采用了USC Mech2.0的機(jī)理,考慮了初始溫度在350~450 K范圍內(nèi)變化,初始?jí)毫偷獨(dú)庀♂尪鹊淖兓瘏^(qū)間分別為0.1~0.5 MPa和0% ~79%(文中稀釋度值為體積分?jǐn)?shù)),對(duì)反應(yīng)物、生成物和自由基的摩爾分?jǐn)?shù)與絕熱火焰溫度進(jìn)行了仿真.

2 火焰結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)研究火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中各種物質(zhì)濃度的變化,可以對(duì)頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.自由基引發(fā)的鏈傳播和鏈引發(fā)反應(yīng)是火焰?zhèn)鞑サ膭?dòng)力,自由基濃度在預(yù)混層流燃燒中起重要作用,是衡量火焰穩(wěn)定性的重要指標(biāo).絕熱火焰溫度是表征可燃混合物熱力學(xué)特性的一個(gè)重要參數(shù),體現(xiàn)出反應(yīng)物的放熱能力,是影響層流燃燒速度的主導(dǎo)因素,對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰熄滅和著火極限等參數(shù)有重要的影響[9].

2.1 不同初始溫度

初始?jí)毫?.1 MPa,氮?dú)庀♂尪葹?9%,初始溫度分別為350,400 K時(shí)[10],頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)物和生成物摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線如圖2所示,當(dāng)初始溫度變化時(shí),火焰高度在0.050~0.100 cm范圍內(nèi),燃燒反應(yīng)集中發(fā)生,反應(yīng)物和生成物的摩爾分?jǐn)?shù)變化幅值大;反應(yīng)中,CO的摩爾分?jǐn)?shù)隨火焰高度的變化,呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì),說(shuō)明頁(yè)巖氣的消耗速率快于CO的生成速率,而CO的生成速率又快于 CO2的生成速率[11].

圖2 初始溫度對(duì)反應(yīng)物和生成物摩爾分?jǐn)?shù)的影響

初始?jí)毫?.1 MPa,氮?dú)庀♂尪葹?9%,初始溫度分別為350,400 K時(shí),頁(yè)巖氣預(yù)混燃燒中,自由基的摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線如圖3所示,隨著火焰高度的增加,OH,H和O基的摩爾分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先迅速增大再緩慢降低的趨勢(shì),火焰高度到達(dá)0.24 cm時(shí),達(dá)到穩(wěn)定,其中OH基的摩爾分?jǐn)?shù)最高;HO2和H2O2基的摩爾分?jǐn)?shù)隨火焰高度的增加呈現(xiàn)先增大后迅速降低的趨勢(shì),相比于其他3種自由基,HO2和H2O2基摩爾分?jǐn)?shù)低,峰值出現(xiàn)早.比較圖3a,b可以看出:頁(yè)巖氣在燃燒反應(yīng)中,隨著初始溫度的增加,OH基和H基的摩爾分?jǐn)?shù)峰值增大,其他自由基的摩爾分?jǐn)?shù)峰值變化不大.

層流燃燒中H基和OH基的摩爾分?jǐn)?shù)變化最為明顯,層流燃燒速度與火焰中H基和OH基的摩爾分?jǐn)?shù)密切相關(guān),特別是與H+OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值密切相關(guān)[12].頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)中,初始?jí)毫偷獨(dú)庀♂尪炔蛔?,H+OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值和絕熱火焰溫度隨初始溫度的變化曲線如圖4所示,隨著初始溫度的提高,H+OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值逐漸增大,這是造成頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒速率變快的主要原因之一;初始溫度為350 K時(shí),絕熱火焰溫度為2 100 K,當(dāng)初始溫度升高到450 K時(shí),絕熱火焰溫度增加到2 120 K,初始溫度每上升20 K,絕熱火焰溫度升高1~5 K,初始溫度提高,反應(yīng)中自由基的流動(dòng)速度加快,增加了反應(yīng)釋放的能量,導(dǎo)致絕熱火焰溫度的增加,提高了預(yù)混層流燃燒速率.

圖3 初始溫度對(duì)自由基摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖4 初始溫度對(duì)H+OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值和絕熱火焰溫度的影響

2.2 不同初始?jí)毫?/h3>

初始溫度為400 K,氮?dú)庀♂尪葹?9%,初始?jí)毫Ψ謩e為0.1,0.5 MPa時(shí),頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)物和生成物摩爾分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖5所示,初始?jí)毫?0.1 MPa時(shí),反應(yīng)集中在火焰高度為0.050 ~0.100 cm 內(nèi)發(fā)生,初始?jí)毫υ黾拥?0.5 MPa,反應(yīng)集中區(qū)域的火焰高度降低,反應(yīng)物和生成物的摩爾分?jǐn)?shù)變化明顯加快;隨著初始?jí)毫Φ脑黾?,CO2摩爾分?jǐn)?shù)峰值增加了0.016,CO摩爾分?jǐn)?shù)減小了0.009,反應(yīng)更加完全.

圖5 初始?jí)毫?duì)反應(yīng)物和生成物摩爾分?jǐn)?shù)的影響

初始溫度為400 K,氮?dú)庀♂尪葹?9%,初始?jí)毫Ψ謩e為0.1,0.5 MPa時(shí),自由基的摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線如圖6所示,初始?jí)毫?.1 MPa時(shí),火焰高度在0.113~0.135 cm 范圍內(nèi),OH,H 和 O 基的摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到最大值,OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值最大,HO2和H2O2基的摩爾分?jǐn)?shù)峰值在火焰高度為0.075 cm左右處出現(xiàn),H2O2基摩爾分?jǐn)?shù)峰值最低;初始?jí)毫ι叩?.5 MPa,OH,H和O基摩爾分?jǐn)?shù)最大值和平衡狀態(tài)的摩爾分?jǐn)?shù)下降,最大值出現(xiàn)時(shí)的火焰高度降低,反應(yīng)集中發(fā)生區(qū)域的范圍縮小.比較圖6a,b可以看出:頁(yè)巖氣在預(yù)混層流燃燒反應(yīng)中,隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅紵磻?yīng)加劇,自由基摩爾分?jǐn)?shù)下降,由于反應(yīng)速率的增加小于密度的增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?

圖6 初始?jí)毫?duì)自由基摩爾分?jǐn)?shù)的影響

頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)時(shí),初始溫度和氮?dú)庀♂尪炔蛔?,H+OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值和絕熱火焰溫度隨初始?jí)毫Φ淖兓€如圖7所示,初始?jí)毫?.1 MPa,H+OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值達(dá)到0.014 950,當(dāng)初始?jí)毫ι叩?.5 MPa,摩爾分?jǐn)?shù)峰值下降到0.008 641,初始?jí)毫υ黾?,燃燒反?yīng)加劇,但H+OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值下降,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?初始?jí)毫?.1 MPa時(shí),絕熱火焰溫度達(dá)到2 110 K,當(dāng)初始?jí)毫ι叩?.5 MPa時(shí),絕熱火焰溫度升高到2 285 K,隨著初始?jí)毫Φ脑黾?,反?yīng)物裂解作用減弱,吸收熱量減少,絕熱火焰溫度升高[13].

圖7 初始?jí)毫?duì)H+OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值和絕熱火焰溫度的影響

2.3 不同氣體稀釋度

氮?dú)庀♂尪缺碚鞯獨(dú)庹嫉獨(dú)馀c氧氣混合氣中的比例.氮?dú)庀♂尪确謩e采用代表純氧的0%,20%,40%,60%以及代表空氣中氮?dú)獗壤?9%.初始溫度為400 K,初始?jí)毫?.1 MPa,氮?dú)庀♂尪确謩e為0%和79%時(shí),頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)物和生成物摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線如圖8所示.

圖8 稀釋度對(duì)反應(yīng)物和生成物摩爾分?jǐn)?shù)的影響

氮?dú)庀♂尪葹?%時(shí),燃燒反應(yīng)集中發(fā)生在火焰高度為0.050~0.075 cm處,當(dāng)?shù)獨(dú)庀♂尪冗_(dá)到79%時(shí),反應(yīng)集中區(qū)域變寬,反應(yīng)物和生成物的摩爾分?jǐn)?shù)變化率下降;氮?dú)庀♂尪葹?%,燃燒穩(wěn)定后,生成物中CO的摩爾分?jǐn)?shù)大于CO2,主要由于初始狀態(tài)時(shí),頁(yè)巖氣濃度相比于空氣濃度較高,當(dāng)量比較大,燃燒環(huán)境缺氧,燃燒不完全.

初始溫度為400 K,初始?jí)毫?.1 MPa,氮?dú)庀♂尪确謩e為0%和79%時(shí),自由基的摩爾分?jǐn)?shù)變化曲線如圖9所示,氮?dú)庀♂尪葹?9%時(shí),OH,H和O基摩爾分?jǐn)?shù)峰值的數(shù)量級(jí)為10-3,峰值出現(xiàn)在火焰高度為0.113~0.135 cm處,OH基摩爾分?jǐn)?shù)最大,其次是H基摩爾分?jǐn)?shù),HO2和H2O2基的摩爾分?jǐn)?shù)峰值數(shù)量級(jí)為10-5,反應(yīng)速率由OH,H和O基決定,到達(dá)最大值以后,摩爾分?jǐn)?shù)下降,火焰高度在0.250 cm左右,達(dá)到穩(wěn)定;氮?dú)庀♂尪冉档?%,自由基摩爾分?jǐn)?shù)迅速增大,OH,H和O基的峰值出現(xiàn)在火焰高度為0.070 cm左右,反應(yīng)區(qū)域集中,摩爾分?jǐn)?shù)到達(dá)峰值后穩(wěn)定.比較圖9a,b,可以看出:頁(yè)巖氣在預(yù)混層流燃燒反應(yīng)中,隨著氮?dú)庀♂尪鹊脑龃螅杂苫柗謹(jǐn)?shù)下降,反應(yīng)速率下降,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?

圖9 稀釋度對(duì)自由基摩爾分?jǐn)?shù)的影響

頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)時(shí),初始溫度和初始?jí)毫Σ蛔?,H+OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值和絕熱火焰溫度隨氮?dú)庀♂尪鹊淖兓€如圖10所示,氮?dú)庀♂尪葹?%時(shí),H+OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值達(dá)到0.154 000,當(dāng)稀釋度升高到79%時(shí),自由基的摩爾分?jǐn)?shù)峰值下降到了0.015 000,H+OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值的下降是造成頁(yè)巖氣火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档闹饕蛑?稀釋度為0%時(shí),絕熱火焰溫度達(dá)到3 072 K,稀釋度升高到79%,絕熱火焰溫度下降到2 110 K,下降幅值達(dá)到962 K,氮?dú)庀♂尪仍黾樱窒砹艘徊糠只瘜W(xué)反應(yīng)釋放的能量,導(dǎo)致絕熱火焰溫度的降低[14],絕熱火焰溫度的降低使頁(yè)巖氣燃燒反應(yīng)速率下降,預(yù)混層流燃燒速度降低.

圖10 氮?dú)庀♂尪葘?duì)H+OH基摩爾分?jǐn)?shù)峰值和絕熱火焰溫度的影響

3 結(jié)論

1)頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒反應(yīng)中,初始溫度影響燃燒速率,當(dāng)初始溫度增加時(shí),反應(yīng)物和生成物濃度、自由基摩爾分?jǐn)?shù)和絕熱火焰溫度都增加,燃燒反應(yīng)速率提高,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?

2)隨著初始?jí)毫Φ脑黾?,燃燒反?yīng)區(qū)域集中,反應(yīng)物、生成物和自由基濃度明顯降低,火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢;由于反應(yīng)物裂解作用減弱,吸收熱量減少,絕熱火焰溫度增加.

3)氮?dú)庀♂尪葘?duì)頁(yè)巖氣預(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)有影響.氮?dú)庀♂尪仍黾?,反?yīng)物、生成物和自由基摩爾分?jǐn)?shù)的降低和絕熱火焰溫度下降,燃燒反應(yīng)速率降低,火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?

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層流切應(yīng)力誘導(dǎo)microRNA-101下調(diào)EZH2抑制血管新生
西方摩爾研究概觀
海上平臺(tái)氮?dú)庀到y(tǒng)流程工藝
氮?dú)馀菽瓑毫岩盒阅芗皯?yīng)用評(píng)價(jià)
X80鋼層流冷卻溫度場(chǎng)的有限元模擬
氮?dú)狻?xì)水霧滅火關(guān)鍵技術(shù)研究
亨利.摩爾
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