低热值气体燃料燃烧特性分析

2013-08-15王君广州市环境保护工程设计院有限公司新疆分公司830000

化工管理 2013年8期

王君（广州市环境保护工程设计院有限公司新疆分公司830000）

1.前言

能源是当前全球人类比较关心的话题之一，目前煤炭、石油、天然气等能源已经匮乏，相关研究者开始将目光放在了低热值气体燃料上，因为其是目前为止比较现实的接替能源，其存储量大，价格低，便于开采，具有很大的开发潜力。低热值气体燃料可以从煤层气和沼气中获取，目前我国煤层气主要是井下抽放煤层气，热值较低，而由沼气产生的气体燃料是可再生的清洁燃料，其具有许多特性，如甲烷含量很低，热值比较低，非烃气体含量高等。对低热值气体燃料进行研究可以优化我国能源结构，充分利用可再生能源，加强环境保护，缓解能源紧张的局面，便于我国可持续发展战略的实施。

2.低热值气体燃料燃烧特性的研究方法

针对低热值气体燃料燃烧特性的研究，主要集中在燃烧基础和台架实验这两部分。其中对燃烧基础的研究主要是湍流燃烧和层流燃烧，研究层流燃烧就是注重燃料的特性，关注层流燃烧的速度，气体燃料最基本的化学特性就是层流燃烧速度，能够综合反映可燃气体的放热能力和化学反应速度。获取层流燃烧速度最好的方法就是通过试验来得到，如热流量法，滞止面火焰法，定容弹法等。

低热值气体燃料燃烧特性研究方法的另一个焦点就是台架试验，通过台架实验可以检测到燃烧循环的变动，标定发动机的参数，了解发动机的运行状况，提高发动机的整体性能。燃烧循环变动限制了低热值气体燃料的运转范围，影响着其动力性和排放性。影响循环变动的因素有点火特性、火花塞周围的气流运动、残余废气量、缸内空燃比、湍流尺度等。通过研究燃烧循环变动，能够提高燃油率，减少排放量。大部分学者是利用符号时间序列分析方法、符号化方法等来测量燃烧循环变动。

3.低热值气体燃料燃烧特性分析

（1）层流燃烧特性分析

在对层流燃烧特性进行分析时，依据压力曲线，研究不同初始压力的燃烧爆发压力，得出延长掺氮时间，都会加长气体燃料的燃烧期，减低气体燃烧率，促进火焰的发展。缩短火焰发展期和燃烧期，均可以达到加快燃烧速率的目的，如果稀释气体密度，则会降低燃烧速率。假如增加初始压力，则会加大燃烧最高压力，延长燃烧持续期，与此同时，加大掺氮比，初始压力也会增加，减慢燃烧速率，延长燃烧持续期。充分运用球形扩散火焰理论，分析火焰传播速率，得到层流燃烧速率。点火后，火焰成球形向外扩张，并且半径还在不断的增加。如果这时增加掺氮比例，很明显的会发现半径的增长速率会降低，在增加初始压力，火焰半径会更减少。当量比是0.8左右时，低热值气体燃料的火焰传播速率最慢，加大初始压力，火焰的传播速率会更慢。低热值气体燃料的马克斯坦长度是比零大的，假如增加当量比，则马克斯坦长度呈现直线型，火焰的稳定性更强。

（2）缸内燃烧稳定性分析

研究低热值气体燃料的燃烧稳定性可以提高发动机的动力性和排放量，具有十分重要的意义。燃烧稳定性具体表现在压力曲线、发动机的输出功率以及火焰传播情况等方面，燃烧期的长短可以直观地表明燃烧循环变动，对于燃烧比较快的循环中，压力很高，并且爆燃倾向很大，同时，限制了燃料辛烷值和压缩比。而对于慢循环而言，会促使燃油消耗率和碳氢排放量加大，加剧发动机中的振动，引起强大的噪音，使发动机工作不稳定，进而影响发动机的整体性能。

（3）燃烧循环变动分析

影响低热值气体燃料燃烧循环变动的因素包括掺氮比、转速、节气门开度等。随着掺氮比的增加，低热值气体燃料的燃烧循环变动也会加剧，与此同时，降低火焰传播速率，易受到气体流动的影响。转速对燃烧循环变动的影响和掺氮比的类似，同样也是加剧低热值气体燃料的燃烧循环变动，加强气体流动，加大湍流强度，影响气体燃料的稳定性。随着节气门开度的减少，降低进气压力，增加残余废气，减少新鲜气体量，从而使燃烧速度减慢，同样也会加剧低热值气体燃烧的循环变动，使燃烧不稳定。