基于CFD建模的非催化部分氧化发动机重整器用于火炬气减排的数值模拟与优化研究

为解决石油天然气工业中火炬燃烧产生的CO2和污染物问题，M2X Energy公司开发了模块化天然气制甲醇系统。本研究通过CFD模拟发动机重整器的非催化部分氧化过程，建立了包含湍流燃烧、PAH路径化学机制和碳烟排放的RANS模型，验证了当量比?=2.35时的富燃极限，并优化了合成气（H2/CO）质量。该研究为分布式火炬气资源的高效转化提供了关键技术支持。

　　

在石油天然气开采过程中，每年约有1480亿立方米的伴生气被直接火炬燃烧，这不仅浪费资源，还会产生大量CO₂和未燃尽甲烷（CH₄），加剧温室效应和空气污染。传统火炬燃烧的甲烷转化效率仅约90%，且分散的井口地理位置和小规模气量使得传统化工利用方式难以实施。针对这一全球性难题，M2X Energy公司创新性地提出采用小型模块化发动机重整器，通过燃料富燃部分氧化将井口气转化为合成气（H₂/CO混合物），进而合成甲醇等高附加值产品。

为优化这一技术路径，来自阿贡国家实验室的研究团队在《Fuel》发表了重要研究成果。该研究采用CONVERGE v3.0软件构建了包含预燃室系统的CFD模型，创新性地整合了RNG k-ε湍流模型、多区全混反应器（MZ-WSR）燃烧模型和基于矩方法的碳烟动力学模型。通过扰动初始压力条件（基于实验测得的循环波动）模拟循环变动性，并采用自适应网格加密（AMR）技术将网格细化至0.125 mm。

研究结果部分：

1. 模型验证
   通过对比?=1.76-2.20范围内的实验数据，模型准确预测了预燃室与主燃室压差（ΔP_PC-MC）峰值（误差<5%），并重现了排气中H₂（21.3%）、CO（15.8%）等关键组分的浓度分布。碳烟质量预测趋势与不透光度测试结果一致。

2. 富燃性能
   当量比超过2.35时，主燃室燃烧呈现显著的不稳定性，CA10相位波动达10°CA。预燃室火花塞附近混合气当量比从?=1.3升至1.45，导致层流火焰速度下降23.7%，这是燃烧不稳定的关键诱因。

3. 合成气特性
   在稳定燃烧范围内（?≤2.3），合成气化学计量数S=（H₂-CO₂）/(CO+CO₂)随当量比提升而增加。但?>2.35时，不完全燃烧导致未燃CH₄增加（峰值达7.2%），同时碳烟质量浓度呈指数增长。

这项研究的重要意义在于：首次建立了能准确预测富燃极限（?=2.35）的发动机重整器CFD模型，揭示了预燃室混合气分布对燃烧稳定性的决定性影响。通过优化预燃室设计，可进一步拓展富燃极限，提高合成气质量（S数趋近2的理想值），为分布式火炬气资源转化提供了可靠的模拟工具和理论指导。研究还指出，未来需针对含H₂S等杂质的酸性气开展燃烧特性研究，以完善该技术的适应性。