能源危机和环境污染

?摘要

在能源危机和环境污染严重的压力下，缓解能源短缺和控制燃烧产生污染物的排放急待解决。基于此，本文以实验为基础，探索一种可以替代工业燃油的合成燃料油，并对燃烧过程进行数值模拟研究。

本文根据对比实验，确定了合成燃料油的制备方案；搭建了以空气雾化重油燃烧器TH10S/M1为主要装置的实验平台，对已制得的合成燃料油进行了燃烧实验。针对实验情况，在合理假设的基础上，建立相应的物理、数学模型，利用计算流体力学软件Fluent对燃烧过程分别进行了冷态、热态数值模拟，得到燃烧室内的温度分布、速度分布、压力分布以及NOx的浓度分布，对仿真结果进行分析并将其与实验结果作比较。主要结果如下：

1) 合成燃料油的制备方案为：以煤焦油、废油和水为基本原料，将水溶性乳化剂加入水中，油溶性乳化剂加入油中，然后搅拌，得到流动性、稳定性和经济性都较好的合成燃料油；

2) 燃料油的燃烧实验表明：燃烧火焰稳定，无脱火现象；检测得到烟气中NOx的含量为76.3ppm，低于国家排放标准。

3) 建立了与实验条件相对应的数学模型：湍流流动模型采用可实现的k-ε双方程模型，离散相模型采用气体辅助雾化模型，气相燃烧模型采用EBU模型，辐射换热模型采用P-1辐射模型。

4) 模拟得到相应的温度分布和NOx的浓度分布，着重分析了雾化空气流量和预热温度对NOx含量的影响，结果显示，当雾化空气流量为35m3/h、燃料预热温度为450K时，NOx的含量最低；将实验采集的数据与数值模拟结果进行对比，相对误差小于10%，在允许范围内。

关键词：合成燃料油；燃烧实验；Fluent软件；数值模拟；NOx排放特性



Abstract

The problem of alleviating the shortage of energy sources as well as controlling emissions of pollutants produced by combustion is to be solved under the dual pressure of the energy crisis and serious environmental pollution. In view of this，a kind of synthetic fuel oil which can be used as industrial fuel was explored based on experiments, and also the process of combustion of this fuel was studied by the way of numerical simulation.

Firstly, the preparation plan for synthetic fuel oil was determined by contrast experiments, and then, experimental platform which was mainly formed of TH10S/M1 was built and combustion experiment of synthetic fuel oil was done. According to the condition of the experiment, the mathematical and physical model were established based on reasonable assumptions. Finally, process of fuel combustion was simulated by the software Fluent. As a result, temperature distribution, velocity distribution, pressure distribution and the concentration of NOx inside the firebox were obtained. The main concalusions were as

follows:

1）The preparation plan for synthetic fuel oil was as follows, with coal tar, waste oil and water as the basic raw materials, oil soluble additive was added to oil and water soluble additive was added to water with muddler. Finally fuel oil with good fluidity，stabile and economics was got.

2）The result of combustion experiments showed that, the combustion was stabile without the phenomenon of fire-off.

3）The mathematical models were established according to the corresponding experimental condition, which was described as follows, realizable double equation model was used for turbulent flow model, pressure-swirl atomization model and random track model were used for discrete phase model, EBU model was used for gas combustion model and P-1 radiation model was used for radiation heat transfer model.

4）By the study of numerical simulation, the temperature distribution and the distribution of NOx of the firebox were calculated, besides, the influence of flow of atomizing air and the preheating temperature of fuel to the emission characteristics of NOx was analyzed in particular, which showed that, when the flow of atomizing air arrived at 35m3/h and the preheating temperature of fuel arrived at 450K, the corresponding NOx reached the minimum value. At the same time, the reliability of the model was proved.

KEY WORDS: synthetic fuel oil, combustion experiment, Fluent，

Numerical Simulation，Emission characteristics of NOx

第一章 绪论

当今世界，能源和环境问题引起了全世界的关注，石油、煤炭等不可再生能源终将枯竭，除了节约能源，开发能源迫在眉睫。显然也是我国势在必行的解决能源短缺的途径。

1.1 研究背景

1.1.1 合成燃料油

目前，石油的需求量呈明显增大趋势，我国已成为比较大的原油消费国，我国的原油进口量在世界也已经名列第三，而除了原油，燃料油在我国是进口最多的产品。

目前，我国燃料油的消耗较大，原因主要分为两个方面：一是近年来工业燃油锅炉和窑炉等耗油设备的增加使得燃料油的需求量不断增加；二是我国部分锅炉和窑炉在能源利用效率上存在一定的问题，导致浪费严重。而过分依赖进口油品会对我国能源安全构成威胁[1]，跟据专业人员的推测，国内燃料油的需求量将持续走高，最长十年之后，可能有八成以上的原油要进口，将会影响社会经济的发展[2]，因此，寻找工业替代油具有重要的意义。采用多种油品，经过配置，合成具有良好流动性、稳定性以及燃烧特性的混合燃料油（以下称为合成燃料油）是比较具有代表性的代油措施之一。

合成燃料油是由价格相对较低的基础燃料油，经过一定的处理（乳化、掺混调合）制得的一种产品。经过乳化之后，混合燃料油中同时包含油和水，成为油滴

包裹水分的形式，其中油是连续相，水是分散相。因为油沸点高，因此水分会蒸发，然后在冲击包裹在外面的油膜的过程中，油分子受到大的冲击破碎成小液滴，小油滴更容易燃烧，燃烧得也更完全，从而达到节能效果。

目前常用的合成燃料油的原料包括主要煤焦油、废机油、废润滑油以及油品加工工业生产中的废料。由于它们的价格相对低廉，甚至是废弃物，如果能够加以利用，意义重大。合成燃料油的优势在于以下两方面：

1）替代工业燃料油，缓解能源压力，同时降低成本；

2）将低品油、废油利用起来，制成燃料油，减少能源的浪费。

但是，合成燃料油的制备和燃烧也存在一些问题，如废油的发热量比较低、流动性欠佳，一般不能直接用来燃烧；由于油品较差，燃烧困难，燃烧时会产生较多污染元素。因此，合成燃料油的制备需要通过乳化、掺混调合等过程，在满足燃烧情况良好、废气排放符合标准的条件下，才能替代重油作工业燃料。

1.1.2 NOx的排放及其控制

1.1.2.1 氮氧化物的形成及危害

近年来世界上氮氧化物的年排放量为0.5亿吨左右，并呈逐年增长的趋势[5]。

燃料燃烧过程中产生的氮氧化物主要是自身和空气中的N与氧气的反应，其生成途径主要有以下三种[6]：

1）热力型：大气的N2和O2在一定温度条件下反应生成的。俄罗斯的研究人员zeldovieh于1946年推出其反应机理：

（1-1）

（1-2）

当燃料相对比较充足的情况下，还存在反应（1-3）:

（1-3）

反应（1-1）、（1-2）和（1-3）表示热力型NOx生成途径。

2）燃料型 (Fuel NOx)：燃料中的氮化物在温度达到600℃以上时，经过加热后产生出NH3、HCN，在O2不足时，NH3、HCN等可能一部分被还原成N2，另一部分则被氧化成氮氧化物。

3）快速型 (Prompt NOx)：氧气供应不足时，空气中的氮和0、OH等原子基团反应生成的氮氧化物。

当燃料比较充足时，燃料中的碳氢受热生成成CH、C2、CH2，同时会破坏氮气的分子键，并与之反应产生N、HCN、NH、CN等。

(1-4)

(1-5)

(1-6)

反应生成的N、HCN、NH、CN等产物与火焰中的O、OH等原子基团发生如下反应：

(1-7)

(1-8)

(1-9)

(1-10)

(1-11)

(1-12)

(1-13)

要抑制快速型NOx的生成量，主要是要抑制反应(l-4)、(l-5)、(1-6)的进行。

大气中NOx的危害主要表现在以下几个方面[7]：

1） 破坏臭氧层：NOx会使臭氧层发生改变，影响气候，并对生态平衡产生一定的威胁；

2） 产生酸雨：空气中的NOx会使土壤和水源酸化，形成酸雨，同时对农作物有一定的危害作用；

3） 形成二次污染：当NOx与VOC（挥发性有

机化合物）的浓度升高到一定值时，在紫外线的作用下，发生光化学反应，生成高浓度、细颗粒的烟雾，夏季常常可以在天空看到的兰色雾团就属于这种污染物。

4） 妨害身体健康：目前已经有一些科学依据表明部分疾病是有大气中的NOx引起的。NOx对人体健康和生态环境危害很大，主要是对呼吸系统、眼、喉有强烈刺激作用而引起支气管炎、肺气肿、头痛和呼吸道疾病恶化等症状。

因此，控制燃烧过程中NOx的排放对环境保护有着重要意义。

1.1.2.2 我国NOx排放现状

最近二十年，各个行业的允许排放的污染物浓度指标越来越严，在能源消耗持续增长的情况下，我国颗粒物的排放量基本得到控制。由于多方面原因，过去我国对大气污染物的控制重点放在烟尘与二氧化硫等污染物上，对氮氧化物排放污染的改善治理的政策尚不完善, 造成了氮氧化物排放没有得到较好的控制，因而氮氧化物的生产量的增长速度加快。相关的观测显示，1996~2006十来年的时间，我国工业密集区上层空气中氮氧化物增长近五成，而且年增长速度有加速的趋势[3]。根据国际上对空气污染控制的经验和历程，未来几年，我国将进入大规模控制氮氧化物排放的阶段。

NOx属于一次污染，它本身会对人们的身体健康造成一定的危害，除此之外它也是细粒子、酸性沉降物、臭氧等一些污染物的前提物（即反应过程中生成该物质前一阶段的物质）。随着经济发展，我国对能源的需求及消耗大幅度增加，燃料燃烧过程中释放出的氮氧化物带来了严重的环境问题，我国的酸雨覆盖面积很大，已跃居世界第三，目前仅仅次于北美、欧洲之后[4]。表1-1是近年来我国能源消耗总量及对应NOx排放量的列表。

表1-1 2000~2010我国能源消耗总量以及NOx排放量

年份 能耗

（亿吨标煤） NOx排放量 （万吨） 单位能耗的NOx排放量

（万吨/亿吨标煤）

2000 14.2 1124 79.15493

2001 15.1 1276 84.50331

2002 15.9 1421 89.37107

2003 17.8 1526 85.73034

2004 21.5 1745 81.16279

2005 23.2 1902 81.98276

2006 26.3 2084 79.23954

2007 27.5 2125 77.27273

2008 28.2 2163 76.70213

2009 30.7 2310 75.24430

2010 32.5 2536 78.03077

由上表可以得到每亿吨标煤能耗的NOx排放量随时间变化的趋势，如图1-1所示：

图1-1 NOx排放量的变化趋势（2000~2010）

由表1-1可以看出，近十年来随着能耗增加，NOx的排放量逐年上升。图1-1显示，由于最近几年对NOx的排放控制逐见成效，单位能耗的NOx生成量略有降低。

1.1.2.3 NOx的排放控制方法

NOx排放的增长对环境造成一定的影响，但同时也促进了燃料洁净燃烧技术的研究与发展，NOx排放的控制

技术已经成为近二十年来国际上研究的热点课题。控制NOx排放的三种基本方法：低氮燃烧技术、烟气脱硝技术、燃料再燃技术。

○1 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术主要有四种[8]：

1）空气分级燃烧

燃烧气氛中氧气的浓度直接影响NOx的产生：当氧气的量不足而使燃烧状态成为“贫氧”时，NOx在该区域的产生显著减少。由此对空气进行分级燃烧，将供给燃烧区的空气量减少到全部燃烧所需用量的70%左右，从而降低燃烧区的氧浓度，同时也降低燃烧区的温度。

2）燃料分级燃烧

在一次燃料的基础上增加燃料，制造燃料再次燃烧的氛围，氮氧化物在此区发生还原反应，生成氮气。需要注意的是，在二次燃料燃烧的区域，为了使其燃烧完全，通常要引入二次风甚至三次风。

3）烟气再循环

将燃烧排放的低温烟气直接送入燃烧室或与助燃风混合后送入，使燃烧室的温度降低，氧气浓度减少，抑制NOx的生成。运用烟气循环方法，可使锅炉排放烟气NOx的含量从260mg/Nm3降低到85mg/Nm3左右[9]。

○2 烟气脱硝技术

通过烟气脱硝控制NOx排放，目前主要有以下几种方法[10]：

1）SCR（选择性的催化还原）

该方法(Selective Catalytic Reduction)是将温度控制在200～500℃左右，使氨气与钒、钴、铬、铁、钼等一些碱性金属催化剂发生还原反应，最终将氮氧化物还原成氮气。

选择性的催化还原法已经比较成熟、在各个行业的应用也比较广泛。但是它对催化剂的要求比较高，对活性、防中毒能力等有一定的限制，同时催化剂的价格不宜过高，催化剂的载体常常为TiO2，反应的最佳温度一般控制在三四百摄氏度左右。其优点是：反应温度较低，净化率较高（达85%以上），还原后产生的N2无二次污染。同时也不可避免的有一些缺点：由于烟气的成分不可预测，烟气中的成分可能影响催化剂的催化效率，而且投资与运行费用较高。

2）SNCR (选择性非催化还原)

该方法(Selective Non-Catalytic Reduction)不需要催化剂，直接是时还原剂（尿素、氨气等）与氮氧化物发生反应，还原剂通常是在由高温区域加入并在此区域反应。SNCR法的化学机理与SCR法基本相同，仅仅少了催化剂的使用。

该方法在工业上的应用也很多，具有一定的商业规模，它的优点是周期相对短，适合应用于一些改造氮氧化物排放不达标的小型企业项目；但是该方法对还原剂的用量比较大，脱硝率也受到一定的限制。

3）吸收吸附法

该法采用Na2CO3、NaOH、NH3?H2O等碱液作为吸收剂吸收NOx，使NH3与水、NOx进行反应，生成NH4NO3和NH4NO2，接着用碱液吸收残余的氮氧化物。碱液经过几次反应最

终耗尽，反应后的溶液蒸干后可用作肥料，反应方程式如下(以NaOH溶液为例)：

(1-14)

(1-15)

该方法的的优点是能回收硝酸盐，在效益上具有一定的优势，而且对设备的要求不复杂；同时具有脱硝率不高的特点，对氮氧化物的吸收率不高。

4）等离子体脱硝

该方法法是一种新型的脱硝方法，其发展始于八十年代，其主要原理是使用辐射使气体产生电子，再使这些活性基团与氮氧化物发生反应，从而达到脱硝的目的。

等离子体脱硝方法脱硝效果显著，去除率可达80%以上，并可同时脱除烟气中的重金属以及烟尘，是集脱氮、除烟尘于一体的先进方法。目前该方法已成为研究热点，处于工业性试验阶段。

○3 燃料再燃

该技术始于德国，在上世纪80年代提出以来，引起了世界各先进国家的探索与研究兴趣。美国能源部与威尔考克斯公司、能源环境研究公司和纽约天然气公司合作共同开展了“燃料再燃在锅炉控制氮氧化物排放的应用”的研究。

1.2 国内外研究发展历程

本文的研究涉及乳化油的合成和燃烧技术以及NOx生成的数值模拟技术，对于这方面的研究，国内外已有一些成果。

1.2.1 乳化油燃烧技术

乳化油燃烧技术是由国际燃烧协会确定的三大节能措施之一，使用乳化油不仅降低油耗，还可以降低燃油燃烧产生的NOx等废气。因此，乳化重油作燃料有一定的节能效益和经济效益[11]，具有一定的推广价值。国内外对乳化油燃烧技术以及其产生NOx排放控制技术的研究日新月异。

1.2.1.1国外研究发展

在国外，合成燃料油的研究已有近百年的历史。十九世纪二十年代年，英国的HopKnsn教授首次推出燃料中在加入一定量的的水再燃烧的理论[12]；到了四十年代，美国的研究人员通过试验对燃料油的乳化有了一定的研究 [13]。

六十世纪，俄罗斯的科学家发现“微爆”现象，从此以后燃油的乳化开始有一定的指导理论，并且发展越来越快；美国对柴油掺水燃烧的研究、日本对乳化油掺水燃烧的扩大试验以及1965年美国的贝歇尔总结的关于燃油掺水技术经验技术，都对乳化技术的发展和壮大有比较大的推动作用，法国、挪威、罗马尼亚以及俄罗斯等相关研究人员也一直致力于乳化机制的研究[14~16]。进入90年代，美国达到在乳化油中掺水至33%的水平；日本的乳化液也可以使水的含量增加到30%，同时NOx的排放率降低19%；台湾陆军研究所乳化重油掺水率35%，NOx的排放下降34.4%，烟尘下降率也较大。

1.2.1.2 国内研究发展

我国从50年代末开始对燃油的乳化进行研究，但当时对一些重要技术比如添加剂的选择、乳化工艺的优化以

及液体燃烧的技术的了解和控制能力有限，乳化技术的发展受到一定的限制。由于石油能源的紧缺及不可再生性，1981年7月，我国在燃烧协会年会上将乳化技术列为重要节能工程，并在全国范围内大力开展，并将其列为重点项目。国内如清华大学、天津大学、浙江大学等高校发表了大量关于乳化油燃烧机理方面研究的学术论文[17] [18]。

在重油的乳化方面的应用，在国内已经有比较多的研究：清华大学的龚景松、刘闯、傅维镳等[19]通过实验使重、柴油以一定的比例混合，然后掺进水分和乳化剂得到乳化油，通过分析证明该乳化油可以正常工作，并且在柴油机排放物中NOx的含量降低。北京理工大学的赵天波等[20]通过对比实验和分析总结，说明乳化油中水的含量、乳化剂的类型和搅拌方式等对稳定性有一定影响。周忠国、许晓斌等[21]研究人员采用复合型乳化剂，分析了温度、掺水量等因素对稳定性的影响，。唐乐平[22]对乳化重油在轧钢炉的应用进行了研究，实验证明，与未乳化的重油比较，乳化重油可以改进燃烧，提高加热炉的热效率。文道永[23]介绍了乳化油在吉化股份公司的锅炉应用的情况，并通过实验对该乳化油的掺水量作了优化。

此外，还有文献[24~26]对乳化重油的催化过程以及裂化过程进行探讨和深入研究。在乳化油的静态乳化的基础上，相关专业人员对乳化剂的批量生产技术作了了试验研究。总的来说，目前国内外乳化油技术研究进展的特点可概括为以下几点：

1）逐步深入研究乳化机理；

2）乳化技术的对象从轻油向重油发展；

3）乳化过程从静态向动态发展[27] [28] 。

1.2.2 NOx生成的数值模拟技术

1.2.2.1 国外研究发展

国外对燃烧技术的理论与实验研究开展的比较早，但燃烧技术的数值模拟工作却开展得相对较晚。上世纪七十年代，Spalding等研究人员通过对控制方程的离散，开发了适用于燃烧过程的计算程序，得到相应的符合燃烧规律的数值解；1978年，美国的Mongia等人设计了燃烧室内热力计算程序，选择了较简单的物理模型（主要为湍流模型和旋涡破碎湍流燃烧模型）对燃烧过程进行了相应的计算。虽然其精度有限，但是计算得出了定性结果，为之后的数值模拟研究奠定了基础。

随着近年来CFD技术的快速发展，伴随着燃烧理论的日渐成熟，八十年代，燃烧过程数值模拟的研究工作广泛开展。美国的P&W公司开发了燃烧室燃烧过程数值计算的软件PREACH，该软件采用了SIMPLE算法，进一步完善了物理模型和网格的生成；Mastorakos等[29]和 Locher G[30] [31]在模拟燃烧过程中考虑了主要的五个化学反应，利用 FLUENT

软件对燃烧室内温度场进行了深入分析研究，并且讨论了过量空气系数的影响，但未能给出NOx的组分分布以及控制措施。九十年代，日本的村山正教授[32]提出了NOx生成的预测模型，该模型应用化学组分守恒原理建立相应模型计算NOx的浓度，但由于对NOx生成的复杂机理进行了一定简化，精度有限。

近年来，美国的LeeG.Dodge等研制出直喷式柴油机NOx排放量的计算模型[33]。模型应用了改进的Watson放热率计算公式，并运用NOx与当量火焰温度的关系式来计算NOx浓度，在精度上有一定提升。

1.2.2.2 国内研究发展

国内对于NOx生成的数值模拟技术的起步稍晚，八十年代推出三维两相回流（TTRRF）的程序，给出了处理边界条件的一些具体方法，可以得到不同工况下的速度场、温度场等场分布，并且采用FORTAIN77语言开发出能够预测柴油机在压缩比改变时NOx排放浓度的程序。九十年代，谢国华等[34]分析了最高燃烧温度和火焰形状、过量空气系数、物料在火焰区域的的停滞等因素对窑内氮氧化物生成量的影响，提出了开发新型低NOx燃烧器以控制NOx排放的构想。王世杰等[35]运用NOx生成模型，结合燃烧过程热效应的热流函数，并对回转窑的氮氧化物的形成成及分布进行了探索，数值模拟的研究发现：水泥回转窑中NOx的生成以热力型为主，燃料型NOx与热力型NOx存在并且相互抑制现象。

1.3 课题来源、研究意义及内容

1.3.1 课题来源

本课题来源于中南大学前沿研究计划重点项目——未来能源科学技术发展过程中煤焦油、废机油、废润滑油等劣质油替代工业燃料油的研究。

1.3.2研究意义及内容

采用劣质油替代工业燃料油，具有节约能源、降低成本等优点，但在实际应用过程中，依然需要解决一些问题，主要表现在：

1）劣质油不经过一定的处理无法作工业燃料，运用劣质油合成燃料油需要经过合理配制；

2）利用劣质油合成的燃料油是否能够稳定燃烧并具有良好的燃烧状况需要实验考证；

3）为了解合成燃料油的燃烧特征，需要对其燃烧温度、产物的组分等进行测试，由于受到实验条件和仪器精度的限制，不能保证其准确性；

4）合成燃料油燃烧产物的排放是否达标直接关系到其是否可以推广，目前对产物中的NOx的排放特性缺乏较为详细的分析。

针对以上问题，本文先通过对比实验确定了合成燃料油的原料、乳化剂的种类以及合成方式。以制好的合成燃料油为研究对象，对其进行了燃烧实验以及烟气收集，对燃烧温度及烟气中的NOx浓度进行了测量以及模拟。

本文的研究内容可以分为下面几部分：

1） 燃料油的制备

根据

煤焦油与重、柴油的组分和特性对比结果，以煤焦油为基本原料，通过对稳定性、粘温特性和燃烧特性的对比实验，获得合理的制备方案，制成合成燃料油。

2）合成燃料油的燃烧实验

搭建以空气雾化重油燃烧器（型号为TH10S/M1）为主要装置的实验平台，将已制备好的合成燃料油雾化并进行燃烧试验，观察燃烧情况（如燃烧是否完全、火焰颜色等）；测试燃烧室温度、烟气中NOx含量等参数。

3）燃烧过程的数值模拟

对燃烧室区域进行了一定的简化，建立与实验对应的物理模型，根据合成燃料油的特性建立了数学模型。利用Fluent软件对燃烧过程进行数值计算，得到相应的温度场分布和产物中NOx的浓度场分布，在保证合成燃料油稳定燃烧前提下，探索使NOx浓度最低的操作参数。

4）将实验结果和数值模拟结果作比较，验证模型的可靠性，探索该合成燃料油燃烧的运行指导参数。



第二章 合成燃料油的制备

废机油与废润滑油不经过处理是无法作为工业燃料的，而如果直接采用未作过一些处理的煤焦油来代替柴油或重油等燃料油进行燃烧试验发现：燃烧时出现白火、黑烟等现象。基于此，本章以煤焦油、废机油、废润滑油等劣质油为原料，对其稳定性、粘温特性等进行分析，制成具有良好燃烧特性的合成燃料油。

根据前人制备合成燃料油的经验，结合本课题的研究内容，设计实验的技术路线如图2-1所示：

图2-1 实验技术路线图

2.1一次混合

将工业废机油、废润滑油等劣质油加入煤焦油中，进行一次混合，得到调和燃料油。

2.1.1 主要原料的确定

润滑油通常用于工业上，起到缓解各部件的摩擦、，同时对各个工件起到润滑的作用；机油特指发动机的润滑油，对发动机起到润滑、减磨和密封的作用。废机油和废润滑油（以下统称为废油）的形成，是由于机油或润滑油在使用中混入了水分、灰尘和其他杂油，生成了胶质或有机酸。煤焦油是煤的衍生物，是在其干馏时产生的，煤焦油的组成较为复杂，一般是将其进行分离、提纯后再加以利用。

燃料油的物理性质和着火特性对燃烧过程有较大影响，因此将煤焦油、废油与重油、柴油的性质进行对比。

1）组分含量和特性参数对比

煤焦油、废油与重油、柴油的成分和燃烧特性参数分别如表2-1，2-2所示：

表2-1 重油、柴油和煤焦油、废油的成分[36]（%）

油品 C H N S 灰分

重油 85~88 10~13 0.5~1.0 0.2~1.0 <0.3

柴油 85.6 12.50 0.14 0.5 0.04

煤焦油 88.8~91.1 5.6~8.1 1.0~1.3 <0.8 <0.1

废油 56.1~71.2 4.5~9.8 0.2~1.3 1.7~3.4 5.8~10.9

表2-2 重油、柴油和煤焦油、废油的燃烧特

性参数[36]

油品 相对密度

（20°C） 比热容/

kJ?g-1?°C-1 闪点/

°C 低位发热值/

kJ?kg-1

重油 0.97 1.8~2.1 80~130 39774~41868

柴油 0.87 1.8~2.1 >120 43660

煤焦油 1.10~1.25 1.6 124 35700~39000

废油 1.91~2.25 1.97 >175 25565~28675

注：表2-1、2-1涉及到的标准包括GB/T266、GB/T508、GB/ T260、GB/ T387、GB/T267、GB/ T1884。

从表2-1和表2-2来看，与重油和柴油相比，煤焦油中碳的含量相对较高，氢的含量相对较低，灰份和硫含量不高，密度较大（一般大于水）；从比热容、闪点来看，煤焦油与重、柴油较为接近，低位发热值比重、柴油略小。废油的碳、氢含量相对较低，灰份和硫含量较高，低位发热值比较低。

2）煤焦油与重油以及柴油的粘度比较

粘度是表征流体质点间摩擦作用力的物理量，其对于燃料油的运输有一定程度影响。因此，在输送过程中，燃料油的粘度必须符合一定的要求[37]。影响粘度的因素很多，其中最主要的是温度和成分。不同成分的油的粘度不同，图2-1中的曲线表示煤焦油和重油、柴油的粘度的大小随着温度的高低产生改变的情况[38]。（由于废油的粘度特性暂时缺乏比较确定的分析标准，在此不作分析）

图2-2柴油、重油及煤焦油粘性与温度的关系

由图2-2可看出，在温度相同的情况下，煤焦油粘性最大，但温度升高时其降低的速率最快。煤焦油的粘度在温度较低时很大，但到100℃时已经和重油、柴油相差不大。

根据以上的对比分析可看出：煤焦油经过一些处理后可能具备与重油、柴油相似的性能，加上它本身成本低，因此选择煤焦油作为制备合成燃料油的主要原料。结合本文的研究内容，在不影响合成燃料油的流动性和燃烧特性的基础上，掺混一定量的废油。

2.1.2 组分含量的确定

确定以煤焦油、废油为主要原料之后，需要确定各组分的含量。假定r的值为煤焦油与废油的质量比，从调和燃料油的低位发热值和成本两方面确定r。依照2012年第二季度的中国市场均价，煤焦油为3250元/吨，废油为2384元/吨。表2-3是当r变化时，根据质量加权平均方法计算得到的调和燃料油的低位发热值和成本。

表2-3 调和燃料油的的低位发热值及成本随r的变化

r 低位发热值

（kJ?kg-1） 成本

（元/吨）

6 30231 3086

7 30957 3121

8 31624 3159

9 32238 3194

由表2-3知，r越大，调和燃料油的低位发热值越高，但同时成本也越高，综合考虑将r定为8，即将煤焦油与废油按照8:1的质量比混合制成调和燃料油。

2.2 二次混合

从清洁燃烧和节约能源的角度考虑，向已制好的调和燃料油中掺入一定量的水，加乳化剂制成合成

燃料油。

可以应用到工业中的燃料油必须具有一定的稳定性。混合物的稳定性关系到系统从稳定到不稳定的时间，与混合物自身粒子的聚集能力有一定联系。合成燃料油有一定的自由能，本身的稳定性并不佳，其稳定性与掺水量、乳化剂的种类和添加方式有一定的关系[39]。

将调和燃料油、水和乳化剂进行二次混合，以得到稳定性较好的合成燃料油。乳化油的稳定性可以用析水率或稳定时间来衡量，根据这一原则进行对比实验，确定合成过程中掺水量、乳化剂的种类和添加方式。乳化油在85℃的温度下16h不分层，一般就可以认为其在常温下50天不分层，达到工业应用要求[40]。为了缩短实验时间，本实验对样品进行水浴加热，并保持温度为85℃，实验用到的主要仪器如表2-4所示。

表2-4 实验仪器

仪器名称 备注

量筒 量程250mL，精确度5mL

恒温水浴 自制

温度数显仪 LU-906KAC1J1000

台式电子称 ES-100KT

2.2.1 掺水量的确定

研究表明，掺水量对合成油的稳定性有较大影响[41]。在制备合成燃料油时，采取不同掺水量对比的方法，选取的掺水量分别为5%、7%、9%、11%和13%。在相同的环境条件下，取5份等量（150 mL）的混合物注入5个相同的量筒中，将混合物静置，稳定之后对底层析出水分的体积进行测量，得出的结果如表2-5所示。



表2-5 掺水量与析水率的关系

掺水量（%） 5 7 9 11 13

析出水体积（mL） 1 2 4 5 6

析水率（%） 13.3 19.1 21.0 23.1 25.8

由表2-5可看出，掺水量越多，析水率越大，稳定性越差；但是另一方面，掺水量越多，燃料的经济性越好，污染物的含量越小，因此确定掺水量为9%。

2. 2.2 乳化剂种类的确定

乳化剂是一种依附于被乳化液体表面的活性剂，对乳化液起到增强其稳定性的作用。将乳化剂加入混合物中，使其附着在介质的表层，从而产生双层的带有电荷的薄膜，使介质带电，有效的防止混合物中的粒子的相互依附，从而对混合液的稳定性起到一定的作用。乳化剂分子含有两个部分：亲水基和亲油基，亲水基属于极性分子，比较容易溶于水；亲油基属于非极性分子，比较容易溶于油。油水混合后加入乳化剂，经过搅拌后，水分被细化成小水滴，同时乳化剂的亲水基进入水中、亲油基进入油中，使小水滴和油连在一起，达到相对稳定的乳化液状态。

乳化剂的确定步骤：

1）初选乳化剂

乳化剂存在一个亲水亲油值，写为HLB。乳化剂为亲油性时，HLB的数值小于10；乳化剂为亲水性时，HLB的数值大于10。根据乳化剂的HLB值选取6种作为实验初选的乳化剂（名称分别为十二烷基硫酸钠、Tween60、壬基

酚聚氧乙烯醚和span80、油酸、二甲基硅油，将其依次简称为A、B、C和X、Y、Z），其中A、B、C为亲水乳化剂，X、Y、Z为亲油乳化剂。

2）单一乳化剂的乳化实验

取6个相同的量杯，每个量杯中加入150mL水和调和燃料油的混合物（掺水量为9%），将选定的６种乳化剂分别加入6个量杯中，搅拌均匀后，在相同的环境下静置并对样品进行观察，记录样品从开始混合到分层所用的时间（称为稳定时间）。得到的结果如表2-6。

表2-6 单一乳化剂乳化样品的稳定时间

乳化剂 A B C X Y Z

稳定时间（h） 6.5 8 12 10.5 11 14

3）复合乳化剂的乳化实验

选两种乳化剂组合，同样进行上述对比实验，结果如表2-7所示。



表2-7 复合乳化剂乳化样品的稳定时间

乳化剂 A+ X B+ Y C+Z A+ B X + Y

稳定时间（h） 17 23.5 27 19 22

4）确定乳化剂:

根据单一乳化剂和复合乳化剂的乳化实验效果，确定乳化剂为C+Z的组合乳化剂。

2.2.3 乳化剂添加方式的确定

由于乳化剂种类不同，其亲水和亲油两种基团的性能也不同。不同的添加方式对乳化油的稳定性也存在影响，下面通过实验对3种不同的方式进行分析，这3种方式分别为：

1）方式1: 乳化剂C（水溶性）加入水中，然后将油缓慢加入水中，最后加入乳化剂Z（油溶性）；

2）方式2: 乳化剂Z（油溶性）加入油中，然后再将水缓慢加入油中，最后加入乳化剂C（水溶性）；

3）方式3: 将乳化剂C（水溶性）加入水，乳化剂Z（油溶性）加入油，然后边搅拌边将水加入油中。结果如表2-8。

表2-8 不同添加方式对应的稳定时间

添加方式 方式1 方式2 方式3

稳定时间（h） 25 27 31.5

结果显示，采用添加方式3得到乳化油的稳定性最好。

综合以上实验结果制备合成燃料油，具体步骤如下：

1）取一定量的调和燃料油和水（掺水量9%），分别存放于不同的容器中；

2）将亲水性乳化剂（C）溶于水中，亲油性（Z）乳化剂溶于调和燃料油中；

3）边搅拌边将水慢慢注入调和燃料油中，得到合成燃料油。

2.3合成燃料油的特性分析

对制好的合成燃料油的特性进行分析，根据各组分的含量，结合表2-1，得到合成燃料油的元素分析表。



表2-9 合成燃料油的元素分析（%）

名称 C H N S O 灰分

合成燃料油 81.36 8.11 0.53 0.48 8.82 0.7

对合成燃料油的密度、比热容和动力粘度进行测试，结果如表2-10。

表2-10 测试参数及实验仪器

仪器名称 测试参数 测试结果

量筒和台式电子天平 密度（g/cm3） 1.12

温度数显仪和恒温水浴 比热容（kJ?kg-1?°C-1） 1.5

旋转型粘度计 动力粘度 随温度变化（如

图2-3）

图2-3合成燃料油的粘度随温度变化曲线

2.4合成燃料油的经济性

实验过程中发现乳化剂的含量约为1%时，即可将混合物完全乳化，由此确定合成燃料油中煤焦油、废油、水、乳化剂的含量分别为81%、9%、9%、1%。查阅文献知：乳化油中的水分含量增加1%，则其发热量减小120kJ/kg[42]。根据这一原则，计算合成燃料油的低位发热值，并按照2012年第二季度的中国市场均价计算合成燃料油的价格，结果如表2-11所示：

表2-11 合成燃料油的低位发热值及价格（%）

燃料油的成本高低直接影响其是否值得推广到工业应用中，因此有必要对合成燃料油的经济性进行分析，几种燃料油的国际价格（2012年第二季度）如表2-12所示：

表2-12 几种燃料油对应的价格（美元/吨）

结合表2-3所示重油、柴油、合成燃料油的低位发热值和表2-12，得出重油、柴油、煤焦油和合成燃料油产生一千kJ热量对应的成本，如表2-13所示：

表2-13 几种燃料油产生单位热量的成本（美元/一千kJ）

由表2-13可知，合成燃料油的经济性良好，具有一定的工业推广价值。

2.5 本章小结

本章通过实验，确定了合成燃料油的原料、掺水量、乳化剂以及乳化剂的添加方式，最终得到合理的制备方案，为燃烧实验提供稳定性和流动性较好的原料，通过分析可知合成燃料油具有良好的经济性。

第三章 合成燃料油的燃烧实验

制备好合成燃料油后，为检验其是否能稳定燃烧以及污染物的排放是否达标，需要对合成燃料油进行燃烧实验及相应参数的检测。

3.1合成燃料油的燃烧

3.1.1 雾化

合成燃料油属于碳氢化合物，若未预先与空气混合即燃烧，在燃烧时由于氧气不足使化合物受热裂解，导致了碳黑的形成。因此，要保证燃料油与空气良好混合，需要使燃料油通过喷嘴或用高速气流将其分散成微小油滴，也就是雾化，从而增大燃烧过程中油滴与空气的接触面积。为了强化燃烧过程，使燃料油高效、迅速地在燃烧室内燃烧，通常需要采用雾化器。

合成燃油的雾化方式有两种[43]：一种是采用压力的方法，这种方法主要是在介质产生的高压下使燃料油产生比较大的速度，使其分裂成颗粒比较小的粒子，；另一种是在介质参与下的雾化，即使空气达到比较高的速度，将油滴破碎，产生微小的油雾，其原理是在空气压力的作用下，克服油的粘性力和表面张力，将油破碎成细小颗粒 [44]。因为雾化的效果，分子颗粒比较大的液滴被分散成颗粒较小的雾化状态，使得其面积增大，燃烧时和氧气的接触更加充分，从而使得燃烧更加剧烈，使燃料燃烧更充分，提高燃烧效

率。

3.1.2 燃烧机理

每种液体都有一定的表面张力，即沿界面表面产生的力，油和水由于不相溶，在界面处形成了界面张力。向调和燃料油中加入乳化剂后，乳化剂中的亲油基进入油、亲水基进入水，于是形成了“油—乳化剂—水”界面，此面上的张力减小，体系的自由能也随之降低，从而形成比较稳定的混合物。

乳化燃料的燃烧是个复杂的过程，其燃烧技术以“微爆”理论为基础，燃烧的具体过程主要包括雾化、着火和燃烧三个阶段。油雾是由大量细小油粒群组成的，进入高温含氧的环境后，由于沸点比较低（一般在200~300℃左右），受热后就开始蒸发，产生的油蒸气在高温下与氧接触即发生燃烧反应，由于油与油蒸气都是由比较复杂的碳氢化合物组成的，若在与氧气接触之前达到比较高的温度，就会发生热解与裂化；对于没来得及蒸发的油粒，由于受热强度比较大温度升高的较快，一般会发生裂化反应，生成密度相对较小的可燃气体。同时，燃料油蒸发出来的气态化合物与氧混合，当温度达到着火点时，碳氢化合物着火，接着燃烧，燃烧过程产生一定热量，并且向四周区域扩散，在热量足够、氧气充足的条件下，氧与油粒混合与扩散的速度增大，燃烧过程进行较快，最终可燃物烧尽。

燃烧过程的化学反应式如下[45]：

（3-1）

（3-2）

（3-3）

（3-4）

3.2 实验系统

本章研究的是合成燃料油的燃烧，实验的简易流程图和装置示意图分别如图3-1、3-2所示：

图3-1 实验简易流程图

图3-2 实验装置示意图

3.2.1 燃烧器

在燃烧之前，需要使用燃烧器对合成燃料油进行雾化，燃烧器是本实验的重要装置。燃烧器的分类如图3-3所示[46]：

图3-3 重油燃烧器的分类

由于空气雾化燃烧器具有点火容易、火焰洁净、燃烧连续稳定的优点，本文采用空气雾化燃烧器，型号为TH10S/M1，此燃烧器属于自动化仪器，可以将其分为四个部分：给风系统、点燃系统、监控系统、电控系统。

1）给风系统

其功能是向燃烧空间送入空气，给风系统的部件包括：风机叶轮、风门控制器、档板、凸轮机构。

2）点火系统

其功能是点燃燃料，其重要部件包括：电极、变压器等。

3）监控系统

监控系统的功能是维持稳定正常燃烧，主要部件是监测器，包括火焰、温度和压力的监测装置。

4）电控系统

电控系统是整个系统的中心，主要仪器为程控装置。TH10S/M1空气雾化重油燃烧器的特点是可以对喷出的燃料温度进行控制，油温控制仪操作如图3-4：

图3-4 油温控制仪面板

注：1功能键 2移位键 3减键 4加键 5下限报

警指示（ALM2） 6上限键报警指示（ALM1） 7 设定值 8测量值 9自整定指示（AT） 10 输出指示（OUT）

燃烧器开启使用时，当测量值低于下限报警时，ALM2灯亮；反之当测量值高于上限报警时，ALM1灯亮，继电器吸合，从而达到控温效果。

3.2.2 检测仪器

本实验涉及的检测主要有合成燃料油的流量，燃烧温度以及烟气成分的检测，需要用到的仪器有转子流量计、热电偶和烟气分析仪。

1）转子流量计

转子流量计在需要测量流量的实验中应用最广，比较适用于测量单相非脉动流体的流量，具有结构简单、压力损失小、维修方便的特点。使用时，将流量计安装竖直方向上。本实验采用的流量计的通径为15mm，测量范围为15～150L/h，准确度为1.5~2.5%。

2) 热电偶

对于燃烧温度的测试，热电偶是目前各国在科研和实验过程中应用较广的测量工具[47]，它的工作原理是将热能转换为电能，通过电气仪表转换成被测介质的温度，具有精度比较准、热响应时间快、测试的范围广的特点。

本实验的燃烧最高温度初步估计为1700℃，选用B分度铂铑-铂铑热电偶。铂铑材料用来测量温度已经有一定的经验基础，此材料的性能比较稳定、在燃烧气氛中可以长时间的使用并且可以抵抗氧化，允许偏差为1.5℃。

3) 烟气分析仪

TH-880F自动烟气分析仪采用微型PC机作为仪器的主控平台，具有调节采样烟气流速的功能，可以测量烟气的多种组分，操作简单、功能稳定，可以用于小型燃油、燃气锅炉污染排放物的检测。

本实验采用TH-880F自动烟尘烟气分析仪对燃烧生成烟气中的烟气中CO2、CO、NOx、O2、N2进行成分分析和数据存储，该分析仪对各种气体的测量指标如表3-1所示：

表3-1 TH-880F自动烟气分析仪的测量指标

测量项目 测量范围 分辨率 准确度

O2 0-25% 0.1% ≤±2.5%

SO2 0-5000ppm 3ppm ≤±5%

NO 0-2500ppm 2ppm ≤±3%

NO2 0-2000ppm 1ppm ≤±3%

CO 0-2500ppm 2ppm ≤±3%

3.3 燃烧实验

3.3.1 实验过程

本实验的具体过程是：将制备好的合成燃料油加入储油箱，合成燃料油在箱内被水浴加热，经过滤器的过滤后，进入燃烧器被雾化，最后对喷出的油雾进行点火，使其燃烧。实验的储油箱、加热系统、过滤系统以及TH10S/M1重油燃烧器的实物图如图3-5所示。

图3-5实验装置实物图

燃烧的效果图如3-6所示，由图可知，燃烧火焰稳定，无明显黑烟和脱火现象。

图3-6 火焰效果图

3.3.2 检测

1）温度测量

温度的测试主要是针对燃烧火焰进行的，以过燃烧器中心且与燃烧器出口截面垂直的面为研究面（XY），将测点位置选在火焰区域与该研究面的重合面的

边界，以燃烧区域水平方向为X轴，在X轴上等距取5个测点；以竖直方向为Y轴，在Y轴上等距取5个测点，如图3-7所示。

图3-7 测点分布图

温度测试结果如表3-2：





表3-2 温度的测试结果

3.3.2 烟气含量

用抽气泵收集烟气，采用TH-880F自动烟尘烟气分析仪对烟气进行检测，结果如表3-3所示。

表3-3 烟气成分表

取样次数 CO2(%) H2O(%) O2(%) N2(%) CO（ppm） NOx（ppm）

1 14.03 8.95 11.02 66.06 45 73

2 12.91 7.80 10.86 68.49 52 70

3 13.24 8.13 12.35 66.26 48 72

平均值 13.39 8.29 11.41 66.94 48.3 71.7

从表3-3可以看出，烟气中CO的含量比较低（平均为48.3ppm），O2含量较大（平均为11.41%），说明燃烧过程中燃料基本完全燃烧，燃油与空气的混合状况较为理想。

烟气分析仪的测试结果表明，烟气中NOx的含量基本维持在71.7ppm左右，我国于2011年1月14 日公开了《大气污染物中氮氧化物的排放标准》，此标准在对污染物的排放上已经是一个较为严格的标准[48]，该标准针对能源消耗以及相应污染的生成状况，在采用低氮燃烧技术的基础上，将NOx的排放标准定义为115ppm以下。本实验排放的烟气中NOx的含量低于该标准，可以排放。

3.4 本章小结

本章搭建以空气雾化重油燃烧器TH10S/M1为主要实验装置的燃烧平台，对合成油进行了燃烧试验，对燃烧温度和烟气的含量进行了检测，分析表明合成燃料油与空气混合良好，燃烧状况合理，烟气中NOx的含量为71.7ppm，在允许排放的范围内。





第四章 燃烧模型

合成燃料油的燃烧是一个较为复杂的过程，国内外学者对其进行了一定的研究[49][50]，但由于受限于实验条件和测试手段，难以获得湍流流动和燃烧过程的细节，阻碍了燃烧相关运行参数的优化以及污染物生成控制技术的发展与进步。

FLUENT软件通常应用于工程计算，是关于在流体力学的软件(Computational Fluid Dynamics，缩写为CFD），它针对流动问题的特点，从多角度多方面提出了一些实用的物理模型，如层流和紊流、可压缩和不可压缩流动等等；此外，还建立了污染物生成模型(如SOx模型、NOx模型、煤灰生成模型)、多相流模型等。通常，FLUENT软件可以比较好的预测出研究参数的变化趋势，但精确度有限，若需要精确结果必须依靠实验手段。因此，计算流体力学软件的优势在于减少设计步骤、缩短运行周期、减少试验数目和减少开发成本上。

本章根据液体燃料的燃烧特点以及空气雾化重油燃烧器TH10S/M1的雾化特性确定控制方程，为合成燃料油燃烧的数值模拟研究提供基础。

4.1 基本假设

合成燃料油的燃烧主要包括雾化、湍流流动、两相混合、气相燃

烧、辐射传热等过程，比较复杂。为了获得燃烧室内的温度场和产物中NOx浓度场的分布情况，在能够呈现主要参数的变化规律的基础上，进行如下假设：

1）由于实验条件的限制，燃烧实验在开放环境下进行，模拟时人为增加空间相对较大的圆柱体燃烧室，假设该燃烧室对燃烧无影响。

2）空气与油滴的混合物为气液两相流，将空气视作连续体系、油滴视作离散体系，忽略离散相颗粒对连续相的影响；

3）由于合成燃料油的成分复杂，反应机理尚不完全明确，假设即燃烧的化学反应速率仅受组分扩散的控制，不考虑复杂的化学反应过程；

4.2 数学模型

4.2.1 基本控制方程

燃料燃烧涉及流动、传热以及化学反应等复杂过程，根据基本守恒定律，将其表示成状态方程、连续性方程、化学组分方程和能量方程 [51]，方程式分别为：

状态方程： (4-1)

连续方程： (4-2)

动量方程： (4-3)

能量方程： (4-4)

化学组分方程： (4-5)

4.2.2 湍流流动模型

湍流流动过程的数值模拟方法可总结归纳如图4-1所示：

图4-1 湍流模型方法

直接模拟是直接利用瞬时N-S方程对湍流进行求解，由于该模型只适合用于低雷诺数的湍流情况和边界条件较简单的湍流情况，因此无法应用于实际工程问题[52]。

如图4-1所示，非直接模拟法中包括大涡模拟和雷诺平均法。大涡模拟是对大尺度涡团进行直接求解，对小尺度涡团则采用湍流模型封闭，这种模拟方法主要应用于定性的结果，而且计算较大、对计算机存储量要求高[49]；Reynolds平均法分为雷诺模型和湍流粘性系数模型，其中：雷诺应力模型是FLUENT中最精细的模型，比双方程模型的计算精度高但同时精度又受限于模型的封闭形式，在实际应用中未能体现其优势。

因此，在实际问题中，湍流粘性系数模型是常用模型，它包括零方程、单方程和双方程三种。其中：双方程模型适用于较复杂的湍流流动，多年来得到广泛应用，包括三种模型：标准（Standard）模型、可实现化（Realizable）模型和重整化群（RNG）模型。鉴于本文研究的燃烧室内流动属于旋流流动，采用可实现 模型，该模型考虑了 和 对流动的影响，如式4-6所示：

(4-6)

方程、 、方程的形式如式4-8、4-9[53]：

方程：

(4-8)

(4-9)

方程：

(4-10)

联得式4-11：

(4-11)

具体方程的表达式如4-1。

表4-1 控制方程

方程

扩散系数

连续方程 1 0 0

X向动量方程





Y向动量方程





Z向动量方程





方程







方程









其中 、 、 、 、 值如表4-2所示。

表4-2 常数的取值

0.09 1.44 1.9 1.0 1.2

4.2.3 离散相模型

液体燃料在燃烧之前需要经历液膜形成、破碎等过程，涉及到气液两相流。将空气视作连续体系、油滴群视作离散体系，在求解连续相参数的同时，考虑其与离散相颗粒间的相互作用。本节对离散型模型进行相应的选择：

4.2.3.1 雾化模型

液体被加速之后，以一定的速度喷入喷嘴，并在喷嘴中做旋动。由于空气动力学的不稳定性，液滴最终由大分子液滴变成线状，接着再在扭曲力的作用下变成小分子液滴，即雾化过程[54]。根据实验装置的特点，本文选用气体辅助雾化模型来模拟燃料的喷射，模型包括油滴破碎，破碎模型包括TAB、WAVE模型两种。本模拟选用TAB模型，其方程如4-12：

(4-12)

当 >1时，表示油滴破碎。

式中： 表示油滴破碎前的半径； 表示油滴的粘度值； 表示油滴的表面张力； 表示油滴与自身半径的比值关系； , , . 代表不同的无量纲常数，分别取0.33，0.5，8和5。

4.2.3.2 运动轨迹模型

湍流中对于颗粒运动轨迹的描述有两种模型[55]：

1）随机轨道模型（Stochastic Tracking）：运用随机的方法来计算湍流对颗粒的影响以及由此影响导致的颗粒的运动轨迹；

2）云轨道模型（Cloud Tracking）：应用概率的计算方法来考虑粒子在连续相流体表面的的扩散运动。

本文对油滴的运动轨迹和速度、温度的变化过程，采用随机颗粒轨道模型进行模拟，运用拉格朗日方法描述，颗粒作用力的平衡方程为：

(4-16)

(4-17)

(4-18)

式中： 表示颗粒的单位质量曳力； ， 分别表示连续相和颗粒的速度； 、 分别表示连续相和颗粒的密度； 表示作用于离散相上的曳力系数； 表示混合物的动力粘性系数； 表示曳力系数； 表示颗粒的直径。

4.2.3.3 蒸发模型

Fluent在模拟液滴的蒸发过程时对其作了简化处理：考虑蒸发过程对外界流场的影响，忽略外界流动引起的液滴周围蒸发过程中传热和传质的不均匀性。对于液滴与外界的传热，则根据实验关联式求解，再以源项的形式加入到流场的求解过程中，常用的关联式为：

(4-19)

该式是Ranz和Marshall[56]在1952年提出的的经验公式，其基础是将液滴简化成球体，此后通常使用的关联式是以此式为基础的。常用的包括Bird RB和Stewart EW [57]提出的如下公式：

(4-20)

其中：

4.2.4 两相耦合模型

燃料油雾化是液体与气体的耦合混合物，其特性有自己的特点，在模拟时需要考虑两相耦合的问题，包括力、质量源、组分生成、热量传递的耦合等[58]。FLUENT在计算时将油滴视作离散相、气体视作连续相，对耦合问题采用PSIC 法交替求解其控制

方程，具体步骤是：

1）计算连续相的流场（无离散相）；

2）计算颗粒轨道（引入离散相）；

3）利用计算结果中的各个物理量对原来的流场作第二次计算；

4）如不收敛，继续计算连续相的流场；

5）按以上步骤计算，直到得到收敛解。如图4-2所示。



图4-2 两相耦合的计算过程

4.2.5 燃烧模型

在FLUENT中，燃烧反应是通过组分模型来描述的。本模拟采用通用组分输运模型来求解组分的输运方程，通过对能量方程、输运方程源项的处理来描述化学反应的速率和传热。通用组分输运模型分为容积反应、壁面反应和颗粒表面反应几类。本文研究的燃烧在相对大的空间内进行，属于容积反应，容积反应又分为三种模型[59]：

1）层流有限速率模型：忽略湍流脉动的影响，通过阿雷尼乌斯率计算反应速率，即运用化学动力学来定量地描述有机反应过程速率，方程式表示为：

(4-21)

其中： 为反应速度常数； 为绝对温度； 为频率因子，代表单位体积每秒分子碰撞的次数； 气体常数。

2）涡破碎模型(EBU)：忽略动力学速率，假设发生的组分反应的速率只亮相混合的混合速率有关；

3）涡破碎概念模型(EDC)：考虑湍流混合和化学反应速率以及两者的相互影响。

燃料的燃烧速率受扩散控制，无法忽略湍流的影响，层流模型显然不适用。其余两个模型可以模拟燃油在燃烧室的燃烧，其中EDC模型需要输入详细的化学反应机理，由于混合油燃烧的反应机理复杂、模拟的准确度难以预料，所以不考虑此模型；EBU模型根据湍流混合速率计算总反应速率，这样的简化既符合真实燃烧状况，模拟的计算量又适中，因此本文选用EBU模型模拟燃烧情况。

EBU模型假设化学动力学速率远大于组分扩散速率，即化学反应速率仅受组分扩散的控制，不考虑复杂的化学反应过程。但由于上述假设对源相的处理忽略了温度的影响，造成燃料在较低的温度下也会反应，造成着火提前的误差。本文研究的燃烧反应系统中，合成燃料油经雾化后可以快速在反应区域内发生反应，因此，选用EBU模型既满足模拟的准确性，又提高了计算效率。

4.2.6 辐射换热模型

Fluent常用的辐射模型有5种[60]，5种模型的特点如表4-3所示。

表4-3辐射模型的优缺点

模型名称 优点 缺点

P-1模型 模型简单、计算量较小，考虑散射和颗粒的影响，可用在复杂几何体内的计算 适合于光学厚度aL大于1的灰体辐射，不适用于半透明介质和非灰体

DO模型 适应范围广，对于装置的厚度没有要求，也可用于半透明物质的辐射换热，考虑颗粒的影响 计算量大，对计算机要求较

高

DTRM模型 模型相对较为简单，适应范围广 不计算散射作用的影响，只计算灰体

S2S模型 用于没有介入辐射介质的封闭系统内的辐射换热 不能用于介质参与的辐射换热系统

Rosseland模型 运算的速率快 适用于厚度比较大的辐射，只能采取分离求解器进行计算

注：a表示吸收系数，L表示计算区域的特征尺寸。

本文研究的问题中，需要考虑气体和颗粒之间的辐射换热，五种辐射换热模型P-1辐射模型和DO模型符合，由于DO模型计算量较大、占用计算机的内存多，而P-1辐射模型计算量小、模型较简单、考虑了辐射散射作用，因此本文选用P-1辐射换热模型。

4.2.7 NOx后处理模型

由于NOx的生成量较小，一般不对其他的参数如速度、温度和污染物的浓度等有一定的作用，因此NOx生成的数值模拟可以从其他参数计算的程序中解耦之后再计算。本研究中，燃烧生成的NOx主要以热力型和燃料型为主，由于快速型NOx只有在燃料充足同时氧气浓度较小的情况下生成，而且产生机理比较复杂，因此数值模拟时将其忽略[61]。

为了模拟NOx的浓度分布，FLUENT需要求解氮氧化物的组分以及中间产物HCN、NH3的输运控制方程，方程考虑了NOx以及相关组分的对流、扩散与生成，如式4-22、4-23、4-24：

(4-22)

(4-23)

(4-24)

上式中源项的求解式如下所示：

(4-25)

(4-26)

(4-27)

式中， 表示平均速度； 表示密度； 表示组分的体积浓度； 代表扩散率。

以下对热力型NOx和燃料型NOx模型进行具体描述：

1）热力型NOx

热力型NOx生成的化学方程式如4-28、4-29、4-30：

(4-28)

(4-29)

(4-30)

式中 ， ， 分别表示上述反应的正反应速率常数， ， ， 表示上述反应的逆反应速率常数，因此，NOx形成的净速率如下：

(4-31)

上式表明，为了求解NOx的生成速率，除了提供稳定组分（N2，O2）的浓度，同时应该提供氧原子和OH基的浓度。FLUENT提供了三种确定O原子和OH基浓度的方法，分别是平衡法、局部平衡法与预测浓度法。预测浓度法针对相对纯净的燃料，对O原子和OH基的浓度直接从其组分质量中获得。研究表明，采用该方法时，氮氧化物的浓度预测准确率减小26%左右 [62]，因此本文采用局部平衡法(partial-equilibrium)确定未知参数的浓度。具体的计算式为：

(4-32)

2）燃料型NOx

燃料型NOx生成的路径如图4-3所示：

图4-3燃料NOx的生成路径

研究表明，随着燃烧的进行，燃料中的氮全部以HCN和NH3的形式释放出来，然后氧化生成NO或还原生成N2。在富氧反应区，HCN和NH3氧化生成NO；在富燃料区域，一氧化氮在HCN和NH3的作用下反应生成氮气2，反应方程如下