二甲醚掺氢低压层流预混火焰

陈朝阳，张春化，黄佐华，李玉阳

（1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064；2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049；3.中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029）

二甲醚掺氢低压层流预混火焰

陈朝阳1，张春化1，黄佐华2，李玉阳3

（1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064；2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049；3.中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029）

利用同步辐射真空紫外光电离结合分子束取样质谱技术，研究了当量比为1.5，燃料掺氢体积分数为0%、40%和80%的二甲醚／氢气／氧气／氩气低压层流预混火焰。测量了火焰温度曲线和火焰物种的摩尔分数分布曲线，分析了掺氢对火焰温度、燃烧主要产物CO和CO2以及主要燃烧中间物CH2O、CH3、C2H2和C2H4的影响。研究结果表明：在低压预混二甲醚／氢气／氧气／氩气火焰中，随着掺氢比的增大，火焰温度逐渐降低，火焰中CO、CO2、CH2O、CH3、C2H2和C2H4的摩尔分数逐渐减小；在后火焰区，CO与CO2的摩尔分数比随着掺氢比的增大而减小，说明掺氢有利于CO氧化成CO2，促进二甲醚完全燃烧。

二甲醚；同步辐射；层流预混燃烧；氢气；火焰结构

0 引言

随着石油供给问题的日益紧张和排放法规的日益严格，清洁石油替代燃料成为内燃机研究与发展中的热点问题。其中，二甲醚（DME）和氢气（H2）因其优异的性质受到了广泛关注，被视为目前最有发展潜力的超清洁替代燃料。表1中列出了二甲醚和氢气与燃烧相关的几个基本物理化学性质。

表1 二甲醚和氢气的物理化学性质比较

1 试验

试验在中国科技大学国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站完成。试验装置图及其详细介绍参见文献［10］。本文研究中，掺氢比R（H2）定义为氢气占整个混合燃料的体积分数，即R（H2）＝V（H2）／［V（H2）＋V（DME）］。试验中气体总流量保持为3.000 mL／min，燃烧室压力维持在4.0 kPa，试验中各气体流量见表2。

同步辐射试验主要包括两个方面的内容：一是固定燃烧炉位置，鉴定火焰物种；二是扫描燃烧炉位置，探测火焰物种浓度的空间分布曲线。二甲醚／氧气／氩气火焰物种鉴定的试验已在文献［11］中做了报导，这里不再赘述，本文重点分析掺氢对二甲醚火焰的影响。

表2 试验中各气体流量mL／min

2 试验结果和分析

2.1 火焰温度曲线

温度对化学反应过程以及火焰传播速度影响很大，因此火焰温度是火焰结构分析的重要组成部分。图1给出了二甲醚／氢气／氧气／氩气混合气火焰温度分布曲线。由图1可以看出：随着掺氢比的增大，二甲醚／氢气／氧气／氩气混合气的火焰温度逐渐降低。文献［12］在研究低压预混甲烷／氢气／氧气／氮气火焰时也发现了同样的规律。该试验中，保持总的混合气流量和燃烧室压力不变，由于氢气的体积热值要比二甲醚的低很多，因此，加入氢气后，单位体积混合气的总放热量降低。另外，氢气的燃烧速度比二甲醚的快，加入氢气后提高了混合气的燃烧速度，也增加了燃气向燃烧炉的放热速度，使得燃烧放热损失进一步增大。这两方面的因素都使得火焰温度随着掺氢系数的增大而逐渐降低。

图1 火焰温度随火焰距离的变化曲线

2.2 火焰主要物种摩尔分数曲线

图2为DME／H2／O2／Ar火焰主要物种的摩尔分数曲线。试验中为了避免石英喷嘴与燃烧炉表面接触而被损坏，采样起点与燃烧炉表面有一定距离（试验中为1 mm），因此，在采样起点时燃料和氧气已有部分消耗，也有一定量的H2、H2O、CO和CO2生成。由图2可以看出：火焰中二甲醚和氧气的浓度逐渐减小，说明他们逐渐被消耗掉；CO和H2的浓度先增大，后减小，说明CO和H2在反应初期以生成反应为主，随着燃烧的进行又逐渐被消耗掉。由于试验所用燃料当量比较大，火焰中CO和H2不能完全被氧化，在火焰后期仍有较多的CO和H2存在。

氩气在火焰中作为稀释气体掺入，燃烧前后其绝对量不变。火焰中氩气的物质的量浓度的变化反映了燃烧过程中各物种总摩尔数的变化情况。在纯的二甲醚火焰和掺氢40%的火焰中，氩气的物质的量浓度在主火焰区逐渐减小，在后火焰区内缓慢增大。这是二甲醚在燃烧过程中分解氧化成许多小分子物种，使得火焰物种总的分子数增大，随着燃烧的进行，燃料分解成的小分子物质又逐渐被氧化成CO2和H2O，又使总分子数逐渐减小；掺氢80%时，氩气的摩尔分数在主火焰区略微增大，在火焰后区达到稳定值并基本保持不变。这是因为氢气的氧化是总分子数减小的反应，在掺氢比较大时，二甲醚的分解反应与氢气的氧化反应共同作用，结果使得火焰物种总的分子数减小。

对比图2a～图2c可以看出：随着掺氢比的增大，火焰主要产物中CO和CO2的浓度减小，H2和H2O的浓度增大，且在掺氢80%时变化更为明显。这是因为混合气掺氢后，火焰中二甲醚的浓度减小，可燃混合气的C／H降低，因此含碳产物的浓度减小，H2和H2O的浓度增加。H2在火焰中既是中间产物，又是燃烧产物，燃料掺氢时，H2还是燃烧反应物。然而，在分析3种配比的火焰中发现：在火焰发展前期，火焰中H2的浓度都呈增大的趋势，待火焰中的二甲醚完全消耗完以后，H2的浓度逐渐下降之后又缓慢增大。这可能是由于二甲醚中CH键比氢分子中HH键键能小，二甲醚分子的脱氢反应比氢分子的脱氢反应容易进行，反应过程中会优先氧化二甲醚，在火焰发展前期，火焰中H2的生成反应较其消耗反应占主导地位。

CO是发动机的有害排放物之一。二甲醚发动机的排放性能较其他常规燃料发动机有很大的改善，但CO仍有一定排放。图2d是二甲醚／氢气／氧气／氩气火焰中不同掺氢比时CO和CO2的摩尔分数之比。从图2d中可以看出：在后火焰区，随着掺氢比的增大，CO与CO2的摩尔分数比减小，这说明掺氢有利于将CO氧化成CO2。实际燃烧过程中，燃烧热量主要是在CO氧化成CO2时放出的。掺氢后有利于CO氧化成CO2，说明掺氢更有利于促进二甲醚完全燃烧，有利于提高二甲醚燃烧放热率，提高燃烧的经济性，同时改善CO排放。

图2 DME／H2／O2／Ar火焰主要物种摩尔分数曲线

2.3 火焰主要中间物种摩尔分数曲线

图3给出的是不同掺氢比下二甲醚／氢气／氧气／氩气火焰主要中间物种的摩尔分数曲线。试验结果显示：甲醛、甲烷和甲基是二甲醚火焰的主要C1中间物种，乙烯和乙炔是二甲醚火焰的主要C2中间物种。

火焰中二甲醚通过热解反应和脱氢反应两种方式消耗。其热解反应是由单分子反应开始的，通过断裂CO键，二甲醚热解成CH3O和CH3，CH3O很容易失去一个H而生成CH2O［13］。二甲醚分子的脱氢反应主要是由火焰中的自由基（包括OH、H、O、CH3、CH3O等）夺取二甲醚分子中的H，生成甲氧基甲基。甲氧基甲基不稳定，它可以通过断裂CO键生成甲醛和甲基。由此可见，在二甲醚氧化分解过程中，CH2O和CH3是重要的燃烧中间物，其在火焰中的浓度也相对较大。甲醛经两次脱氢反应，逐步生成HCO和CO，CO则被火焰中的OH等氧化成CO2。

在富燃二甲醚火焰中，CH3主要通过二甲醚脱氢产物甲氧基甲基的裂解反应生成。甲基比较活泼，在火焰中可以和更多的分子反应。二甲醚火焰中的主要C2中间物种中的乙烯由甲基的复合反应生成：两个甲基复合生成乙基，乙基迅速被H或O2夺去一个H生成乙烯，乙烯进一步脱去H就可以生成乙炔，从摩尔分数曲线上来看，乙炔的摩尔分数最大值位置居于乙烯的摩尔分数最大值位置之后。这种差异可能是由于乙烯的CH键键能比乙基的CH键键能高，因而反应速率较慢，而乙炔又比较稳定，消耗也较慢，这种累积作用导致了乙炔极大值位置的滞后出现。由于甲基的复合反应是二甲醚火焰中乙烯和乙炔生成反应的先导反应，火焰中乙烯和乙炔的产生与火焰中甲基的量有密切关系。

二甲醚掺氢后，由于部分二甲醚被氢气取代，混合气中二甲醚的物质的量减少，含碳燃烧中间物甲醛和甲基的物质的量也在减少；氢气与氧气的反应使总的燃烧产物物质的量减少，进样气体的总物质的量相同时，掺混氢气的二甲醚／氧气／氩气混合气燃烧时的生成物的总物质的量小于二甲醚／氧气／氩气混合气燃烧时的生成物的总物质的量；此外，不同掺氢比也会影响二甲醚燃烧中间物的物质的量。这3种因素的综合影响决定了火焰中甲醛和甲基的摩尔分数。

图3 DME／H2／O2／Ar火焰主要中间物种摩尔分数曲线

3 结论

（1）随着掺氢比例的增大，二甲醚／氢气／氧气／氩气低压预混火焰的火焰温度逐渐降低。

（2）随着掺氢比例的增大，二甲醚／氢气／氧气／氩气低压预混火焰中CO、CO2、CH2O、CH3、C2H2和C2H4的绝对浓度都会减小。

（3）在后火焰区，CO与CO2的摩尔分数比随着掺氢比的增大而减小，说明掺氢有利于CO氧化成CO2，有利于促进二甲醚完全燃烧。

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TK16

A

1672－6871（2014）04－0022－04

陕西省自然科学基金项目（2012JQ7031）；长安大学中央高校专项基金项目（CHD2011JC148）

陈朝阳（1982－），女，陕西富平人，讲师，博士，主要从事代用燃料燃烧特性方面的研究.

2013－09－14