Моделирование выделения сажи при горении предварительно перемешанной смеси метана и кислорода

Введение

С появлением новых газовых месторождений процесс получения синтез газа из природного становится все более актуальным. Основными показателями синтез газа являются: степень конверсии метана, восстановительный потенциал, а также содержание сажи. Экспериментально процесс конверсии метана освещался еще советскими исследователями [Казарновский, 1965]. В настоящей работе постараемся переосмыслить результаты экспериментов с использованием численных моделей и методов компьютерной гидродинамики.

Методика расчета

Расчетная модель включала в себя осесимметричную модель реактора длиной 1,5 м и диаметром 150 мм. В реактор поступала предварительно-перемешанная топливная смесь метана и кислорода. В настоящей статье будут рассмотрены два расчетных случая, граничные условия приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Постановка задачи

Решались уравнения неразрывности, Навье-Стокса, применялась модель турбулентности k-epsilon Realizable с пристеночной функцией Enhanced wall treatment. Система уравнений так же включала закон сохранения тепловой энергии и закон Фурье. Химические реакции моделировались с использование модели Finite Rate с динамическим редуцированием и агломерации механизма. В качестве основного механизма использовался Grimech 3.0. Для оценки концентрации сажи применялся механизм MIT. Ввиду невозможности прямого введения химических реакций механизма MIT в состав Grimech 3.0 решалась отдельная задача (вторая ступень) на той же геометрии, но с использованием иных ГУ. В ГУ второй ступени состав и температура на входе в расчетную область соответствовали параметрам продуктов сгорания из расчетов первой ступени.

Рисунок 2 – Схема соединения химических механизмов Grimech 3.0 и MIT

Механизм [Richter, 2004] представляет сажу, как сложное соединение, состоящее из набора тяжелых углеводородов (ПАУ). На рис.1 показана схема образования наиболее легкого компонента сажи C24H12 (коронен). Молекулы ацетилена соединяясь друг с другом образуют компонент C4H3. Ацетилен выступает в роли связующего вещества в реакциях получения более тяжелых углеводородов. Помимо ацетилена похожую роль выполняет C2H и другие радикалы, но в настоящей задаче их концентрации относительно малы. В качестве основного источника сажи выступает ацетилен. Механизм Grimech 3.0 предполагает выделение ионов O, H и OH из молекул реагентов кислорода, воды, водорода, метана. Эти ионы играют ключевую роль в разложении метана на такие радикалы, как CH, CH2 и CH3, из которых в последствии получается ацетилен. В работах [Zhou, 2010] говорится о о том, что результаты расчета по механизму Grimech 3.0 в 2-3 раза занижают содержание ацетилена в продуктах неполного сгорания метана.

Таблица 1 – Ветвь образования коронена по механизму MIT

Результаты расчетов

Рисунок 3 – Профиль ацетилена для режимов №2 и №15

Профили массовой концентрации ацетилена, как для второго, так и для 15го режима имеют нелинейную скачкообразную природу. В 15м режиме наблюдается пик значения в первой четверти реактора.

Рисунок 4 – Профиль ацетилена по временной координате

Благодаря низкой скорости потока в 15м режиме время пребывания реагентов и продуктов сгорания в реакторе увеличивается. После 10й секунды наблюдается скачок ацетилена, массовая доля которого превышает аналогичные пики во 2м режиме. Но после скачка идет резкий спад уровня ацетилена до уровня ниже чем в режиме №2.

Расчет показывает содержание коронена: 90 мг/куб.м для режима №2 и 0,08 мг/куб.м для режима №15 (с учетом 3х кратного завышения механизмом Grimech 3.0 выхода ацетилена).

Рисунок 5 – Сравнение выхода целевых продуктов

Расчет показывает более плавный (почти линейный) рост целевых продуктов конверсии Н2 и СО в реакторе в зависимости от степени конверсии метана (глубины реакции). Значения при максимальной степени конверсии метана полностью совпадают.

Заключение

Механизм Grimech 3.0 мощный инструмент, при помощи которого можно решать задачи конверсии метана: горение и пиролиз. Учитывать образование промежуточных радикалов и оценивать концентрацию первичной сажи.

Список литературы

http://web.mit.edu/anish/www/MITcomb.html

Detailed Modeling of PAH and Soot Formation in a Laminar Premixed Benzene/Oxygen/Argon Low-Pressure flame" by Henning Richter, Silvia Granata, William H. Green and Jack B. Howard (low-pressure version of the model).

Промежуточные стадии горения метана в кислороде. Алейнова Л.Н., Казарновский Я. С. Химическая промышленность, №4, 1695