合成气组分及雷诺数对火焰结构影响的实验研究

周雅君，王智化，何 勇，翁武斌，周志军，周俊虎，岑可法

（浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027）

0 引 言

富煤、贫油、少气的能源结构使中国成为世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。近几十年，中国的经济飞速发展，能耗也不可遏制地随之增长，能源资源储量的有限性引起了各级政府的重视，PM2.5等污染状况也引起了激烈的社会讨论。煤炭资源的高效清洁利用已成为一个重要而紧迫的课题。学术界对煤炭领域的科学研究从未间断过，发展出了各种加工、转化和清洁燃烧技术［1］。

煤气化是煤与载氧气化剂之间的一种不完全反应，产物包含H2、CO、CH4、CO2、N2等气体。其组分比重因为技术和煤种等因素的不同有很大差异，热值也有所不同。尤其空气作为载氧气化剂时产生的合成气热值更低，其燃烧的稳定性及火焰的结构受组分等因素影响更大。煤裂解则是将煤置于高温环境下，使其中大分子的某些弱键断裂从而形成轻质气态物质和焦油的过程［2］。相对于气化合成气而言，热值要大得多，可以归入中热值合成气。详细研究合成气组分及雷诺数对燃烧的影响，在燃烧设备的设计和改进中有重要的参考意义。结合真实配比的合成气组分进行实验，将推进合成气燃烧的大规模工业应用。

目前关于合成气燃烧特性的研究很多，但多数研究局限于H2含量影响、稀释气体影响、层流燃烧速度测量等方面［3－5］，且组分配比较为随意，参考意义不大。在新型燃气轮机的设计中，合成气多以空气气化、湍流贫燃预混燃烧为主。火焰锋面是预混燃烧过程的重要部分，其结构和脉动特性直接影响到燃烧场传热传质、燃烧效率和污染物生成等燃烧特性，成为研究湍流火焰的重要途径［6］。平面激光诱导荧光（planar laser induced fluorescence，PLIF）技术是一种非接触激光诊断技术，可以避免常规测量方法对火焰的干扰，使测量数据更加真实可信。该技术信号强，时空分辨率高，可获得瞬时二维图像，被广泛应用于火焰结构的测量［7－10］。

本文将利用PLIF技术对典型煤气化合成气和煤裂解合成气的湍流燃烧特性进行在线测量研究。以真实比例气体组分为基础进行工况设计，探讨H2含量、CO／（CO＋CH4）相对比例和雷诺数对燃烧的影响。

1 实验系统

实验研究采用的整个测量系统如图1所示，系统分为供气系统、燃烧系统、激光系统和信号收集系统4个部分。

图1 合成气湍流火焰OH－PLIF实验系统Fig.1 Schematic of OH－PLIF system setup

供气系统：实验研究的合成气通过配气获得，包含H2、CO、CH4、CO2、N2共5种组分，完全模拟实际合成气的真实组成。每种成分的流量通过质量流量计精确控制。根据实验需求的不同，对其中的对应可燃组分（H2、CO、CH4）进行调整。期间保证可燃组分总比例不变，以规避不可燃组分（CO2、N2）的稀释作用对燃烧的影响。研究H2含量变化对燃烧的影响时，CO2和N2的比例保持不变，同时控制CO和CH4的相对比例一致。而在研究CO／（CO＋CH4）比例变化对燃烧影响时，保证H2、CO2、N2比例不变，只调整CO和CH4的相对比例，以规避H2和稀释作用的影响。另外，还对一组典型煤裂解气进行了验证实验研究，详细的工况数据如表1和2所示。

表1 不同H2含量对应的合成气组成Table 1 Working condition list of different H2contents

表2 不同CO／（CO＋CH4）相对比例对应的合成气组成Table 2 Working condition of differentCO／（CO＋CH4）relative ratios

燃烧系统：实验沿用基于Mckenna burner改进的平面火焰燃烧器。传统McKenna burner作为燃烧领域的一款标准燃烧器，广泛应用于平面预混火焰的研究［11］，且形成的稳定平面火焰常被用作光学测量的对照标准［12－13］，其结构如图2所示。本实验采用的McKenna burner由美国Holthuis ＆Associates公司定制生产。为满足中心射流的要求，改造后的燃烧器中心配有内径为2.3mm的射流管，周围为平面层流伴流。气体出口（射流管除外）由多孔黄铜一体化压制而成，盘片直径60mm。均匀细密的多孔设计在保证气体均匀的同时还能避免回火的发生。合成气／空气预混气体在流量计和燃烧器中间的管道中混合均匀再由中心射流管射出，达到湍流流动状态。外围伴流分别为CH4－Air（研究H2含量变化时）和CO－O2－N2（研究CO比例变化时），可为射流火焰提供稳定的着火环境。黄铜出口盘片内侧有冷却水盘管分布，可以将盘片上的热量迅速带走从而平衡燃烧器表面的热量，维持气体初温恒定，同时保证燃烧器的安全运行。详细介绍已于先前论文进行阐述，详见文献［6］。

激光系统：实验采用PLIF技术进行火焰中OH自由基的测量。激光源由美国Spectra－Physics公司生产的Nd：YAG激光器（型号PRO－250－10H）提供，用该激光器泵浦Continuum染料激光器（型号ND6000），再经倍频调整获得实验所需的283nm波长激光。倍频后的紫外激光经过透镜组形成厚度约200μm的激光薄片进行实验测量。该频率激光可激发OH Q1（8）吸收跃迁：A2∑＋←X2Π（1，0），信号收集系统接收OH自由基由激发态向基态A2∑＋→X2Π（0，0）辐射的荧光。

图2 经典Mckenna burner示意图Fig.2 Schematic diagram of Mckenna burner

信号收集系统：激光激发OH自由基后产生的荧光信号由一台像增强型CCD相机（ICCD）接收。该相机由美国Princeton公司生产，型号为PIMAX3，像素1024pixel×1024pixel。相机拍摄方位与光路垂直，拍摄频率为10Hz，由激光器信号外触发驱动。在相机镜头上安装窄带滤波片（Andover 310FS10－50），并设定相机曝光时间为40ns，可有效规避激光散射和背景杂光的干扰，提高信噪比。

2 结果与讨论

以典型的烟煤合成气气体组分为基础进行变化，验证了不同雷诺数、不同H2含量工况下火焰结构的变化，同时还研究了不同CO／（CO＋CH4）相对比例下，合成气湍流预混火焰的结构特征，最后将实验推广到典型裂解气配比的工况并进行比较分析。实验采用的紫外激光经过一焦距为－30mm的平凹柱面镜和焦距为＋500mm的平凸球面镜形成横穿过火焰中心的激光薄片。薄片高度为70mm，用以测量火焰中OH自由基的二维分布。为了避免激光打在燃烧器表面产生散射对实验信号的影响，测量中激光片下端距离燃烧器出口2mm，每次可直接拍摄燃烧器出口上方2～72mm范围内的OH分布。雷诺数和H2含量变化的实验中，所采用的激光强度为8mJ／脉冲，CO／（CO＋CH4）相对比例变化的实验中激光能量为16mJ／脉冲，以保证获得清晰的OH－PLIF图像。

2.1 雷诺数对燃烧的影响

雷诺数是用以表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示：

其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与动力黏度，L为其特征长度，实验用调整流速的方法改变雷诺数。雷诺数可区分流体的流动状态，影响着传热传质的过程。已有前人针对其影响方式进行过研究，详见文献［14－15］。OH自由基是燃烧过程中产生的重要中间产物，分布于火焰峰面及燃烧产物区。根据链式反应原理，燃烧过程由一系列链式反应完成，OH自由基增多将促进链式反应的发生和传播，从而加剧整个燃烧反应的进行。因此，实验可以引用OH自由基的分布作为燃烧强度的表征。实验采用不同的H2比例（工况1－6）进行配比，研究了Re＝4× 103、8×103和1.2×104三个不同工况下的火焰结构。文中取用25%H2（工况6）的数据，伴流火焰为CH4－Air层流预混火焰（CH4流量3L／min，空气流量30L／min）。实验数据如图3所示。

图3 不同雷诺数的火焰瞬时图像（25%H2）Fig.3 Instantaneous OH－PLIF images of syngas flame for different Reynolds numbers（25%H2）

从图中可以明显地观察到未燃区域和已燃区域的分界面，分界面很薄且多褶皱。对比三个不同雷诺数下的火焰，随着流体雷诺数的增大，未燃区域高度的增加和火焰面褶皱程度的增加十分明显。实验结果与何勇等人［6］文章中的数据是一致的。为进一步了解雷诺数的作用，下文进行了进一步的统计学分析。

图4（a）和（b）分别为雷诺数对合成气火焰结构影响的OH－PLIF信号时均分布及脉动强度图像，此处采用的依旧是H2含量25%工况的数据。从图像上可以明显看到未燃区域随雷诺数的增加而扩大。进一步数据处理后，可得图5，即时均图最大OHPLIF信号值和脉动最大值数据。随着雷诺数的增大，火焰中OH自由基的最大浓度呈单调增大的趋势。从Re＝4×103增大到1.2×104的过程中，时均最大OH－PLIF信号值由1677增强到1961，增幅为17%。而脉动最大值由471增强到497，增幅5.5%。可见，雷诺数在强化合成气燃烧的同时还增强了火焰脉动特性。

图4 不同雷诺数工况的统计学分析图像（25%H2）Fig.4 Statistic analysis for OH－PLIF images of syngas flame for different Reynolds numbers（25%H2）

图5 不同雷诺数时均最大OH－PLIF信号值和脉动最大值（25%H2）Fig.5 Maximum of OH－PLIF average signals and maximum pulsation intensity for different Reynolds numbers（25%H2）

2.2 H2含量对燃烧的影响

图6 不同H2含量的火焰瞬时图像（60m／s）Fig.6 Instantaneous OH－PLIF images of syngas flame for different H2contents（60m／s）

合成气主要是以CO和H2为主要成分的混合气体，其中H2含量的多少对合成气燃烧特性有着至关重要的作用。图6为同一流速（60m／s）下，不同氢气含量的合成气火焰瞬时OH－PLIF图像。对比6个不同工况下的子图图像，正如何勇等在其文中讨论的，在H2含量越高的工况下，在火焰上游产生的OH自由基就越多，即氢气含量的增加促进了火焰早期OH的生成［6］，OH自由基又促进链式反应从而加强了燃烧的剧烈程度。另外，从本文的实验数据中也可以明显看到，随着H2含量不断增大，中心射流未燃区域的直径减小，高度也减小。随着H2含量增加，燃烧中OH等自由基浓度增大，从而促进了燃烧链式反应的发生和传播，最终使得合成气的燃烧速度随H2含量的提高而增大，因此未燃区域明显缩小。这表明高氢气含量加强了火焰传播，缩短了火焰行程，对合成气的充分燃烧十分有利。这些现象与何勇等人的实验结果也是一致的。

2.3 CO／（CO＋CH4）对燃烧的影响

实际合成气中可燃成分除H2外，还含有CO、CH4等成分。而CO、CH4相对比例的变化同样对合成气燃烧特性存在显著影响。图7显示的是相同雷诺数（Re＝8×103）下，不同CO／（CO＋CH4）相对比例工况时（工况7－12）合成气湍流预混火焰的瞬时OH－PLIF图像。此处采用的伴流火焰是CO－O2－N2层流预混火焰（其中CO流量8L／min，O2流量5L／min，N2流量5L／min），以避免含氢伴流火焰的产物H2O与射流中的CO发生（2）式所示的副反应，产生额外的OH自由基。

由图7可见，随着混合气体中CO相对比例由0%升到80%，中心射流未燃区域的高度呈单调减小的趋势，火焰下游的OH－PLIF信号减弱。而随着CO比例继续增加到100%（此时合成气中不含CH4），OH－PLIF信号减弱到背景水平，且未燃区域高度骤然增加到比无CO时更大的位置。这从侧面表明CO比例对燃烧速度的影响是先促进后抑制。即在达到转折点前，CO比例的升高加速混合气燃烧，降低了到达火焰下游的未燃气体量，使混合气更易燃尽。在OH－PLIF图像上表现为火焰高度降低，燃烧行程缩短，下游信号减弱。而在超过转折点之后，由于H元素及OH自由基的缺失，火焰燃烧速度迅速下降，火焰被拉长。

图7 不同CO／（CO＋CH4）相对比例的火焰瞬时图像（60m／s）Fig.7 Instantaneous OH－PLIF images of syngas flame for different CO／（CO＋CH4）relative ratios（60m／s）

对实验数据进一步分析后，获得不同CO比例时200幅湍流火焰OH－PLIF图像的时均图像，如图8所示。图9为不同CO比例下火焰时均OH－PLIF信号最大时均值变化曲线。图中，当CO比例从0%增大到80%时，OH－PLIF信号由1831缓慢减小到1411，而当CO比例从80%增大到100%时，信号骤减到280。这是因为，随着CO比例的升高，CH4的含量逐渐减少，而CH4又是此时燃料中唯一含有H元素的组分，也就是OH自由基中H元素的唯一供体。因此，当CO相对含量从0%增加到80%时，火焰中OH信号逐渐降低。但产生的OH自由基尚且能满足与CO反应的浓度需要，因此火焰行程缩短，利于燃烧。而当CO相对比例接近100%时，图像基本观察不到OH自由基的存在，（2）式的反应受到阻碍，不利于燃烧。

图8 不同CO／（CO＋CH4）相对比例的火焰时均图像（60m／s）Fig.8 Average signals for different CO／（CO＋CH4）relative ratios

图9 不同CO／（CO＋CH4）相对比例OH－PLIF时均信号最大值（60m／s）Fig.9 Maximum average OH－PLIF signals for different CO／（CO＋CH4）relative ratios（60m／s）

2.4 典型煤裂解气湍流火焰结构分析

实验还利用OH－PLIF技术就典型煤裂解气燃烧进行了分析。其气体组成如工况13所示，数据来自热解技术书籍［16］原始数据的简化。通过与实验工况1－12的对比，可以发现，裂解气的H2含量为27.3，比较高，且CO／（CO＋CH4）相对比例13.0，有利于燃烧的充分发展。

图10以典型的煤裂解气成分为例，给出了不同雷诺数下湍流火焰结构的OH－PLIF图像。纵向对比单幅图像可见，OH－PLIF信号在上游处很弱，从约H＝2d处开始逐渐增强，在H＝8～12d区段达到最强，而后顺着下游走又逐渐减弱，这一趋势在水平最大信号图中表现得更为明显。分析其原因，是因为出口处气体处于吸热着火阶段，气体内部传热传质速率慢，燃烧不强烈导致产生的OH自由基较少，随后传热传质不断增强，直至大部分预混气体燃尽，因此火焰下游OH自由基也较少。另外，激光片的能量纵向分布不均也可能对此造成影响。

对比左边3幅图像可以发现两个现象：气体流速从30、60至90m／s（对应雷诺数4×103、8×103和1.2×104）的变化过程中，射流中间未燃区域的高度逐渐增加。相同管路和气体比例条件下，雷诺数的增加，意味着气体流速增大，总流量也随即增大，相同时间段内喷出的所有气体燃尽所需的时间更长，在图像上的反映就是未燃区域拉长。第二个现象是，随着雷诺数的增大，火焰峰面的褶皱程度增加，且可观察到的褶皱尺度更小更细致，这与我们上文中对于不同雷诺数下合成气燃烧的分析是一致的。

图10 不同雷诺数的裂解气火焰瞬时图像（60m／s）Fig.10 Instantaneous OH－PLIF images of pyrolysis syngas flame for different Reynolds numbers（60m／s）

为更好地了解燃烧的发展，本文还对60m／s工况组数据进行了深入的火焰面密度分析。火焰面是指介于燃烧后区域和未燃区域间的反应薄层，也就是燃烧化学反应发生的主要区域。在贫燃火焰中可以由其OH－PLIF图像分析获得［17］。在二维图像中，定义火焰面密度：

其中，δA是无限小的面积，δL则是在无限小面积δA中的无限小火焰面长度。根据该定义进行数理统计，获得火焰各个区域的火焰面密度和概率，可有效表征燃烧的发展情况。

从图11（a）可以看到，由射流中心向四周发散，OH－PLIF信号经过了先加强后减弱的历程，其导数出现两次最值。其中射流边缘处的是最大值，即我们需要的火焰面位置；火焰边缘处的是最小值，即反应产物与燃烧环境的交界面，此处应省去。本文以射流中心为中心，以射流出口2mm为起点截取8mm× 70mm的信号，由MATLAB处理后得到的火焰面分布，如图11（b）和（c）所示。将火焰面分布图11（c）分解为0.2mm×0.2mm的控制微元，根据公式（3）可计算每一微元内的火焰面密度。为使数据更具统计意义，后文出现的火焰面密度均来自200个单幅OH－PLIF图像火焰面密度的平均数据。

图11 火焰面处理流程图Fig.11 Process flowchart for flame surface density analysis

图12（a）和（b）分别为射流出口上方10mm和35mm处的水平线上火焰面密度分布图。可见，火焰面集中分布在以射流中心为对称轴的±2mm范围内。其中10mm处的分布图在±1.5mm附近出两个明显的峰值，而35mm处的分布图在±1.5mm之间达到最值，且显示出无规律的平均分布，最大值约为图12（a）的60%。这是因为火焰上游传热传质慢，与环境气体的混合尚不均匀，火焰面位置较为固定，即在±1.5mm（接近于射流管半径）处。当火焰往下游发展到35mm，传热传质加强，出现了明显的卷吸，再往下游甚至出现火焰面被拦腰截断的局部熄火和再燃区域，如图11（d）所示。发展到此时的火焰面位置分布极不稳定，但仍控制在±2mm范围内，在±1.5mm区域内达到最大值并且分布较为均匀。

图12 水平线上火焰面密度分布图Fig.12 Flame surface density distributions in horizontal direction

此外，还针对射流轴向的火焰面分布进行了统计，如图13所示。为更清晰地对比说明，此处引入了5%H2（工况2）的火焰面竖直分布情况，送气速度同样为60m／s。两组数据均显示，测量起始位置（射流出口上方2mm）火焰面密度均趋近于0，随着火焰的发展，火焰面密度逐步增大到峰值，而后向下游发展又逐步减小直至0。两组工况下火焰面密度都是从起测位置就开始增大的，其中工况2的最大值约是工况13最大值的1.5倍。通过两组数据的对比可见，裂解气的火焰面密度上升斜率较大，在20mm位置达到峰值而后缓慢减小，到45mm处已趋近于零。而工况2的火焰面密度在近50mm处才达到峰值，且在测量范围内没有回落到近零的水平。说明，在裂解气中，由于大量H2和CH4的存在，火焰上游反应更迅速，更有利于混合气的燃尽。

图13 轴向火焰面密度分布图Fig.13 Flame surface density distributions along the burner axis of 2different working conditions

3 结 论

利用OH－PLIF技术对典型煤气化合成气和裂解气的湍流燃烧特性进行了测量研究。结果表明，雷诺数、H2含量和CO／（CO＋CH4）相对比例的变化对合成气燃烧过程都有显著的影响。具体为：

（1）雷诺数从4×103增加到1.2×104的过程中，火焰高度增加、火焰面褶皱程度加深、OH信号和脉动强度分别有17%和5.5%的增强，即雷诺数的增大有利于火焰中OH自由基的生成，同时也加强了火焰的脉动特性。

（2）H2含量的增加使火焰未燃区域高度明显下降，宽度变窄，同时使火焰上游自由基增多，下游自由基信号强度减弱。即H2含量的增加提高了混合气燃烧速度，使之更易燃尽。

（3）CO／（CO＋CH4）相对比例的上升，因同时减少了CH4含量，导致OH自由基浓度单调下降。在转折点前（0～80%工况），OH自由基浓度尚能满足反应需求，达到缩短火焰行程强化燃烧的效果。在转折点后（80～100%工况），OH自由基浓度明显不满足反应需求量，不利于燃烧。

（4）实验最后一部分将上述分析方法推广到中热值裂解气。通过瞬时图像、火焰面密度分析等手段对裂解气火焰进行研究，说明高H2和CH4含量都有利于合成气上游燃烧的发展，高雷诺数则促进了传热传质和燃烧反应进程，强化燃烧。这些现象同时也是对上文规律的很好印证。

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