烷烃燃料微小平板催化燃烧的火焰特性*

2018-11-07姚彦伊王业峰杨卫娟赵庆辰周俊虎

新能源进展 2018年5期

姚彦伊，王业峰，杨卫娟，赵庆辰，周俊虎，程军

（浙江大学热能工程研究所，杭州 310027）

0 前言

微加工技术的进步极大促进了能源系统的小型化，微尺度燃烧系统以其体积小、能量密度高、供能时间长等优点受到了国内外的广泛关注，在航空航天、军事、生活等方面都有广泛应用前景[1-3]。但由于微尺度燃烧器的尺度小，燃料和氧化剂在燃烧室的驻留时间很短，燃料完全燃烧困难；同时，由于面容比大，散热损失大，火焰难以稳定，容易熄火[4-6]。针对如何在微尺度条件下实现燃料持续稳定燃烧的问题，很多学者进行了相关研究[7-11]。平板燃烧器结构相对简单，制造装配相对容易，目前已有较多研究[12-16]。

TANG等[17]研究了甲烷、丙烷和氢气三种燃料的燃烧特性，发现甲烷的壁温分布最均匀，平均壁温最高；甲烷的最小可燃通道高度为2.5 mm，丙烷为2 mm。MIHAI等[18]发现添加水会抑制丙烷的氧化过程，氢再生会促进丙烷的氧化，而对 CO氧化的影响却相反。VINCENT等[19]对乙烷/O2/N2混合物在 Pt催化下的表面和气相反应相互作用进行了研究，发现异相反应对于反应稳定性至关重要，并有助于形成C2H4。熊鹏飞等[20]提出并构建了H2和C1～C4烷烃燃料在Pt表面上的详细催化反应机理，经过模拟验证此机理能够有效地反映上述燃料的主要催化着火和催化燃烧特征，并可以对整个着火与燃烧过程进行动力学分析。

本文采用不锈钢和石英材料制作的平板式微燃烧器，在内表面布置金属铂片，分别进行甲烷、乙烷、丙烷、丁烷与空气的预混气体的催化燃烧实验，从火焰动态、火焰特性、自由基等多方面探讨其燃烧性能，分析碳链长度等分子结构改变对微尺度催化着火及燃烧的影响。

1 实验部分

1.1 实验系统

实验系统如图1所示，主要包括供气系统、微燃烧器、测量设备、数据采集系统，图中实线为气路，虚线为信号电路。

图1 实验系统示意图Fig. 1 The experimental system

甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、空气（21% O2＋79% N2）的流量由七星华创CS-200系列质量流量计来控制，精确度 ±1.0%。采用光栅光谱仪（卓立）对燃烧器内不同波长辐射强度进行测量。利用ALLIED高频相机（400帧）对平板燃烧器内的燃烧情况进行记录，利用探针在燃烧器内距出口 4 mm处进行气体取样，然后送入气相色谱仪（Agilent 7890B, USA），采用气体分析方法对尾气中H2、CO、CO2、CH4、C2H4和N2的含量进行精确测量。

1.2 燃烧器及燃料参数

平板燃烧器由不锈钢制成，如图2所示。进气口为方形，进气间距为1.08 mm，燃烧室尺寸为70 mm × 20 mm × 2.62 mm，壁厚为0.5 mm。两处内表面在燃烧器入口处贴壁放置一块30 mm长的金属铂片，在侧面观察火焰及燃烧情况。

图2 微型燃烧器结构示意图Fig. 2 The micro-scale combustor

甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷物性参数见表1[21]。

表1 燃料物性参数Table 1 Physical properties

2 结果与讨论

2.1 动态火焰

在不同当量比（Φ =0.9、1、1.1）和定流速（v =0.75 m/s）的工况下分别进行甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷的催化燃烧实验，用高频相机观察点火过程火焰的振荡和稳定图像。图3为丙烷在Φ= 0.9、1.1，v= 0.75 m/s条件下点火火焰的图像。从图3中可以看到，随着当量比增加，火焰亮度逐渐增大，燃烧强度增强。整个点火过程可以分为3个阶段：着火阶段、火焰传播阶段和稳定阶段。在0 ～ 5.18 ms时为着火阶段，预混气接受热量达到着火点后开始燃烧，火焰出现在点火针处；接着火焰开始分别向气流上游方向及气流下游方向传播，同时火焰区域变大，在时间t= 18.13 ms时传播到燃烧室出口，这是火焰扩散阶段；在t= 18.13 ms后达到稳定，这是火焰稳定阶段。

图3 v = 0.75 m/s时丙烷点火火焰动态图像Fig. 3 Dynamic images of the ignition of propane at v = 0.75 m/s

甲烷、乙烷和丁烷的火焰图像及点火过程与丙烷类似。当量比相同时，4种燃料中，甲烷的火焰亮度最低，燃烧强度最弱；而丙烷在当量比Φ= 1.1时火焰亮度最高，燃烧强度最强。根据4种燃料不同当量比下的点火过程动态图像，对火焰前锋位置进行测量，得到了不同燃料火焰传播速度随当量比的变化图像，如图4所示。从图中可以看出，同一种燃料，随着当量比增大，火焰传播速度也随之增大，这与胡二江[21]等的研究结果相符。甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷的层流燃烧速度都在当量比为 1.1左右呈现最大值，当量比超过 1.1之后燃烧速度开始随当量比增大而减小；而当量比相同时，乙烷的火焰传播速度为4种燃料中最高，与燃料层流火焰速度大小一致（表1），火焰传播速度为乙烷＞丁烷＞甲烷＞丙烷，与层流火焰速度大小相比，甲烷由速度最小变为大于丙烷，这可能是由于Pt催化剂虽然能够促进丙烷和正丁烷的低温燃烧，但对于碳链的热解并没有发挥作用[24]，因此在催化作用下，甲烷的燃烧速度超过了丙烷。

图4 不同燃料火焰传播速度随当量比变化图像Fig. 4 The flame propagation velocity changes with equivalence ratio of different fuels

2.2 稳态火焰

为比较不同条件下火焰中自由基的浓度分布，在不同当量比（Φ =0.9、1、1.1）工况下，对甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷燃烧火焰分别加430 nm、516 nm滤镜进行拍照，得到火焰亮度图像如图5所示。

添加430 nm和516 nm滤镜的火焰图像分别对应 CH*和 C2*浓度分布，观察同种燃料在同一滤镜下的对比图像发现，当量比越大，火焰亮度越大，狭缝间 CH*和 C2*浓度越大；相同当量比，观察不同燃料添加 430 nm滤镜的火焰图像发现，火焰中CH*浓度为：正丁烷 ≈ 丙烷＞乙烷＞甲烷；观察不同燃料添加516 nm滤镜的火焰图像发现，火焰中C2*浓度为：丙烷＞正丁烷＞乙烷＞甲烷；相同当量比，乙烷火焰稳定位置最接近进气口（由下往上进气）；宋旭东等[22]对甲烷的自由基辐射特性进行了研究，同样发现随着当量比增加，CH*浓度增加，在Φ＜ 1.1 时CH*浓度相对增加缓慢，而随着Φ的继续增大CH*浓度迅速增加。RENLUND等[23]认为，不同当量比下自由基浓度变化主要是由于自由基产生途径发生了变化，在氧气过量时主要发生 CH2*与O2的反应。

火焰正常拍摄照片在尾部都存在一个拖尾（如图5“dark”图像所示），分别加上430 nm和516 nm滤镜后拖尾消失（如图5“430 nm”和“516 nm”所示），其中乙烷和正丁烷的实际火焰图像与430 nm滤镜火焰图像差别很大，说明乙烷和正丁烷燃烧时火焰后部CH*浓度很小。430 nm与516 nm火焰图像在边缘附近亮度较浅，推测可能是催化壁面对自由基的吸附造成的，气相中的CH*与C2*被壁面吸附并参与表面反应，使得壁面附近的自由基浓度降低。

同燃料稳态火焰位置数据如图6所示。观察图6a发现，随着当量比增大，4种燃料的火焰根部位置向气流方向上游移动。分析其原因，可能是由于当量比增大，燃料分子数目增多，从而使着火位置靠前；观察不同燃料不同当量比下的火焰高度，如图6b所示，随着当量比增大，甲烷与乙烷火焰高度降低，而丙烷与丁烷火焰高度变化不大，原因可能是由于当量比增大，氧气浓度相对减小，发生氧化反应的范围减小，因此甲烷与乙烷火焰高度降低，而当量比增大时，丙烷与丁烷的分解速度加快，因此火焰高度基本不变。

图5 稳态火焰图像（v = 0.75 m/s；430 nm：CH*；516 nm：C2*）Fig. 5 Flame image at steady state（v = 0.75 m/s; 430 nm: CH*; 516 nm: C2*）

图6 不同燃料稳态火焰位置Fig. 6 Flame position of different fuels at steady state

2.3 自由基

采用光栅光谱仪，高压1 000 V测得不同燃料在不同当量比工况下在310 nm、430 nm和516 nm所得数据如表2所示。可以看出，同一种燃料燃烧时，随着当量比增大，310 nm、430 nm和516 nm的辐射强度都增大，即OH*、CH*、C2*浓度均增大。当量比相同时，乙烷的自由基浓度在4种燃料中最高，甲烷与丙烷自由基浓度较低。单独分析每一种燃料，甲烷OH*浓度最高，C2*浓度最低；乙烷、丙烷和丁烷都是OH*、CH*浓度较高，C2*浓度最低。这些与气相燃烧中释放的自由基以及催化剂表面吸附的自由基数目相关。