ANSYS 部落格
October 9, 2023
使用模擬加速氫的採用
氫是更潔淨技術的重要元素，可加速正在進行的能源轉型，並符合許多國家/地區的脫碳目標。氫可以在全球脫碳任務中發揮雙重功效，既可以作為整合能源系統的能量儲存媒介，也可以作為交通、重工業 (例如：鋼鐵、化工、水泥等)、航空、海運以及其他產業
雖然氫經濟的整體重點是完整的氫價值鏈 (包含氫的生產、儲存和運輸，以及使用 (或消耗))，但從短期來看，瞭解使用部分十分重要，並將影響整個氫生態系統。根據國際能源署 (IEA) 的《全球氫能回顧報告》1，2021 年的氫需求量約為 9,400 萬噸。氫可直接用於燃料電池、燃氣渦輪發動機、內燃機，或在熔爐中作為碳中性燃料，或作為產生易於儲存之衍生物的原料。這些衍生物包含用於特定工業和運輸應用的氨、甲醇或永續航空燃料 (SAF)。
讓我們瞭解氫的燃燒特性，這將有助於解決使用氫作為燃料的關鍵挑戰。
圖 1.最佳化燃燒的排放、穩定性和效率至關重要。
燃燒過程的最佳化是三個關鍵指標的平衡：效率、排放和穩定性。雖然從效率和穩定性的角度來看，在燃燒過程中溫度越高越好，但它對於排放 (主要是一氧化氮 (氮氧化合物)) 以及金屬保護帶來挑戰另一方面，降低燃燒溫度，對於排放和周圍金屬保護來說會更好，但它通常會導致燃燒過程的效率降低，並造成燃燒穩定性問題。因此，燃燒裝置設計的一部分，就是一門要在燃燒效率、排放和穩定性之間取得平衡的藝術。這些參數也受到燃料特性的限制，例如火焰速度、燃燒的可燃極限，以及點燃給定燃料所需的能量。
氫燃料的特性如下：
- 它的火焰速度達一般碳氫化合物的 8 倍。
- 它在空氣中的可燃極限為體積的 4% 至 70%，比碳氫化合物更廣。
- 它所需的點火能是碳氫化合物的 1/15 倍。
氫的這三個特性可以讓燃燒實現更佳的效率和穩定性。此外，從碳中性排放的角度來看，氫燃燒中沒有碳分子，這也使其更具吸引力。然而，正如他們所說，天下沒有白吃的午餐。氫更高的火焰速度和更廣的可燃極限，對逆燃和其他安全相關問題構成了關鍵難題。氫火焰中的較高的火焰溫度，對氮氧化合物和金屬保護構成難題。由於氫的路易斯數較低，強微分擴散是其另一種典型特性，這是主要的燃燒不穩定疑慮。微分擴散會導致局部當量比的變化，因此致使火焰前端的反應速率變化。因此，是否能大規模採用氫作為更潔淨的燃料，會取決於多快解決與逆燃、氮氧化合物排放和燃燒不穩定相關的問題。
瞭解模擬在氫燃燒中的角色
為了加速採用氫作為更潔淨的燃料，計算流體動力學 (CFD) 模擬是進行中純氫或氫混合燃料燃燒研究之不可或缺的部分。模擬可以幫助瞭解不同操作條件 (操作壓力、流速、穩定機制、燃燒器幾何變化)、不同混合比例和其他因素下的火焰特性和動態。這些洞察將有助於克服與氫燃燒相關的火焰逆燃、氮氧化合物和燃燒不穩定挑戰。
培養對模擬結果的信心
雖然模擬可以協助研究人員緩解對氫燃燒相關的難題，但使用模擬預測結果的準確度取決於燃燒模型、反應機制、火焰區域的網格解析度、解決辦法方法論和方法，以及其他幾個因素。必須針對具有不同成分、穩定機制和火焰特性的火焰範圍來研究並驗證這些因素。Ansys 一直致力於開發一套可輕鬆用作快速參考指南的驗證案例。
讓我們來看看八種不同的火焰，這些火焰代表實際氫燃燒系統中觀察到的行為的子集：
- SMH1 火焰：渦流穩定性研究
- HM3e 火焰：吹熄研究
- Cabra 氫跳脫火焰：吹熄研究
- SimVal 火焰：逆燃研究
- TUBerlin 火焰：逆燃研究
- 橫風中 DLR 噴流火焰：火焰穩定研究
- KAUST 氨火焰：火焰穩定研究
- Hylon 火焰：火焰穩定研究
SMH1 燃燒器
TUBerlin 火焰
HM3e 燃燒器
DLR JICF 火焰
Cabra H2 火焰
KAUST NH3 火焰
SimVal 火焰
Hylon 火焰
圖 2.不同的氫/氫混合火焰
SMH1 燃燒器
由於旋流穩定火焰在燃氣渦輪機產業中廣泛應用，因此受到了廣泛的研究。來自雪梨實驗資料庫的渦流穩定火焰 SMH12 提供了豐富的火焰特性測試資料，可與 CFD 模擬進行比較。SMH1 火焰的中心有一個燃料噴流，其中甲烷 (CH4) 和氫 (H2) 的體積比為 1:1，周圍環繞著鈍形體。漩渦狀的氣流透過鈍形體外部的環形結構引入。火焰在穩定的條件下運作，有相當大的伸展和快速的空氣捲入。使用 Ansys Fluent 可以良好預測火焰結構的比較，例如在圖3中所示的鈍形體附近的迴流區域（因其形狀而導致周圍流體分離的物體）、收縮區域和噴流狀區域。
圖 4.SMH1 火焰的溫度場動畫
圖 3.SMH1 火焰在不同軸向平面上的徑向溫度分布曲線
HM3e 燃燒器
因為與許多工業應用具有相似性，因此鈍形體穩定火焰也被廣泛研究。由於它們包含與實際燃燒器相關的一些複雜性，同時維持簡單且明確的邊界條件，因此非常適合用來研究紊流化學相互作用。在利用 Fluent 研究鈍形體穩定的 HM3e2 燃燒器時，使用體積比 1:1 的 CH4 和 H2 作為燃料流。燃料噴射速度是發生完全熄火速度的 90%。因此，火焰會經歷與強烈的有限速率化學效應相關的高局部吹熄事件。研究結果如圖 5 所示。隨著混合加劇 (x > 13mm)，在圖中可以看到由於大規模渦流破裂而導致的火焰熄滅。無論是定性或定量，都與實驗完全一致。
圖 6.HM3e 火焰的溫度場動畫
圖 5.HM3e 火焰在不同軸向平面上的徑向溫度分布曲線
Cabra H2 火焰
圖 7.Cabra 氫跳脫火焰對共伴流溫度跳脫敏感度的動畫
Cabra 火焰配置提供一種研究紊流混合和化學動力學耦合的方法，消除了燃燒器中經常存在的迴流區複雜性。使用 Fluent3研究破壞性共伴流環境中的紊流提升氫/氮 (H2/N2) 噴流火焰。由於熱破壞性的 H2/空氣共伴流，主要的穩定機制是自燃，接著是預混合火焰。結果如圖 7 所示，Fluent 成功捕捉到火焰跳脫長度的變化，並改變了所有模擬測試點的共同流動溫度。
圖 8.不同的共伴流溫度下，Cabra 氫火焰的火焰跳脫距離
SimVal 火焰
除了穩定火焰之外，火焰逆燃的研究對於 H2/H2混合燃燒也是至關重要。逆燃機制有幾種，例如邊界層逆燃、燃燒所造成的渦流破壞、流中的紊流、當量比波動等。預測逆燃需要對高度瞬態化學現象以及熱損失的影響進行精確建模。Fluent 採用美國國家能源技術實驗室的旋流穩定燃燒器 (SimVal) 的配置來評估逆燃預測性4。研究結果如圖 9 所示。針對當量比為 0.6 的預混合旋流空氣/燃料系統，測試了一系列 CH4 和 H2 的混合物。模擬能夠預測觸發逆燃發生的 CH4-H2 混合物的正確成分。
圖 9.含 CH4:H2 混合比 (體積) 的火焰逆燃動畫
TUBerlin 火焰
對純氫預混合旋流穩定火焰配置與軸向噴射結合，以影響渦流破壞，從而防止逆燃，在柏林大學 (TUBerlin) 得到了廣泛的測試。執行模擬5 以預測火焰位置和特性，並將結果與測試資料進行比較。結果如圖 10 所示。如我們所見，使用 Fluent 模擬的流動結構和火焰區域與測試結果相符。
圖 10.TUBerlin 火焰的火焰形狀動畫
DLR JICF
注入交叉主流中的噴流 (JICF) 是另一種被廣泛研究的配置，因為它能夠避免逆燃，並提供更好的氫燃燒控制。Fluent 的效能針對DLR JICF6 配置，在 15 Bar和 10 Bar的高壓值下進行評估，以瞭解火焰結構作為噴流中 H2 濃度函數的可預測性。如圖 11 所示，在不同 H2 和 CH4 混合比和工作壓力下，模擬預測了上游區域火焰附著的正確趨勢，發現這是物質擴散的強函數和噴流干涉現象的解析。
案例 1：40% H2 | 壓力 = 10 Bar
案例 2：20% H2 | 壓力 = 10 Bar
案例 3：40% H2 | 壓力 = 15 Bar
案例 2：20% H2 | 壓力 = 15 Bar
圖 11.不同工作壓力下不同混合比的火焰形狀 (DLR-JICF)
HYLON 火焰
使用氫低氮氧化合物 (HYLON)7 雙旋流噴射器對氫空氣火焰進行廣泛研究。此組件的內部噴射器由螺旋形狀的軸向旋流器組成，並提供氫。而旋流氣流則透過環形通道供應。與附著火焰 (火焰 A) 和跳脫火焰 (火焰 L) 相關的結果如圖 12 所示。火焰 A 固定在氫噴射器唇緣上，而火焰 L 則跳脫到噴射器上方。獲得與操作條件 A 和 L 對應的一致火焰模式是一項挑戰。如圖所示，Fluent 能夠隨著操作條件的變化預測正確的火焰形狀。
圖 12.火焰A (上圖) 和 L (下圖) 對應於 HYLON 燃燒器的不同操作條件
KAUST 氨火焰
氨 (NH3) 作為一種獨立的無碳燃料以及燃燒系統的氫載體，變得越來越重要。由於反應性低且會排放一氧化氮，因此純 NH3 燃燒具有挑戰性。因此，通常會使用另一種方法，在燃燒前將 NH3 裂解為 H2 和N2。透過模擬分析來自 KAUST8 的實驗資料，可用於不同的 NH3、H2 和 N2 組合 (代表不同的裂解程度) 下，運作的鈍形體穩定火焰。如圖 13 所示，隨著裂解率的增加，Fluent 可以預測關鍵火焰特性，例如隨著裂解率增加的火焰伸展率，其特點是火焰更穩定、熱輻射更低。由於雷諾數 (Re) 保持恆定，因此 Fluent 還可用於分析由於較高的動量通量 (噴流/共伴流) 而導致燃燒區域從外部剪切層到噴流旁邊內層的位移。
圖 13.火焰形隨著裂解率的增加而變化 (代表 H2-N2 百分比，KAUST 火焰)
透過模擬加速氫的研發
有鑑於當今是氫燃燒在其歷史上最受關注的時刻，解決火焰穩定性、逆燃、氮氧化合物排放等相關難題是其能成功大規模應用於全球脫碳工作中的關鍵。Ansys 致力於透過模擬支援客戶加速研究與開發，以實現淨零排放目標。
參考資料：
- International Energy Agency (IEA), Global Hydrogen Review 2022
- Verma, I, Yadav, R, Shrivastava, S, & Nakod, P., GT2022- 82583. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine. Rotterdam, Netherlands. June 13–17, 2022. V002T03A012. ASME
- Xia, Y, Verma, I, Nakod, P, Yadav, R, Orsino, S, & Li, S., GT2022-80733. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposition.Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine.Rotterdam, Netherlands.June 13–17, 2022.V002T03A004.ASME
- Verma, I, Yadav, R, Ansari, N, Orsino, S, Li, S, & Nakod, P., GT2022- 82601. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 3B: Combustion, Fuels, and Emissions. Rotterdam, Netherlands.
- M. Amerighi∗, P. C. Nassini, A. Andreini, S. Orsino, I. Verma, R. Yadav, S. Patil., GT2023-102651. Proceedings of ASME Turbo Expo 2023 Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2023 June 26-30, 2023, Boston, MA
- Pankaj Saini, Ianko Chterev, Jhon Pareja, Manfred Aigner & Isaac Boxx, Flow Turbulence Combust 105, 787–806 (2020).
- TNF Workshop, International Workshop on Measurement and Computation of Turbulent Flames
- Adamu A., Ayman M. E., Jiajun L., Suliman A., Hong G. Im, Bassam D., Combustion and Flame, Volume 258, Part 2, 2023,
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