CH4/CO2非预混射流火焰燃烧特性实验研究

2019-12-24陈钰方张孝春汪小憨赵黛青

燃烧科学与技术 2019年6期

陈钰方，张孝春，李星，张京，汪小憨，赵黛青

(1.广东工业大学环境科学与工程学院，广州 510006；2.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；3.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；4.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640)

随着工业的发展，化石燃料潜在的短缺危机日益凸显，作为可再生替代燃料的沼气资源具有很大的应用前景[1-2].生物沼气的主要成分是CH4，同时还掺杂大量不可燃气体(CO2).国内外学者研究了CO2掺混下的火焰传播速度[3]、温度[4]、最小点火能[5]、射流火焰稳定性[6]等，结果表明CO2对火焰的燃烧特性有显著影响.国内学者对采用沼气为燃料条件下燃烧动力装置的工作特性进行了研究[7-8]，已经在提高沼气为燃料的发动机的运行效率、降低污染物排放等方面取得一定进展，然而含杂质沼气的相关研究还不够充分.为了能够更好地指导含杂质生物沼气在工业燃烧装置中的应用，提高能源利用率，继续开展相关基础研究，掌握其基础燃烧特性，是十分必要的.

非预混射流火焰是工业燃烧装置中广泛采用的一种燃烧形式，推举火焰是一种常见的火焰形态，它使火焰远离喷嘴，保护喷嘴并延长其使用寿命[9].学者们通过扩散射流火焰的基础研究来对湍流火焰的火焰形态、推举和吹熄机制进行深入探讨[10-12]，但由于湍流火焰中的流动、化学反应等较层流火焰更为复杂，因此对于湍流火焰稳定性分析理论并不统一[9].Vanquickenborne 等[13]提出的预混火焰模型和Broadwell 等[14]提出的大尺度火焰模型是两种能够有效预测火焰推举和吹熄的模型.Kalghatgi[15]通过实验测得较大雷诺数范围、CH4等多种气体燃料掺混空气或CO2(稀释浓度小于15%)射流火焰吹熄极限，并根据预混火焰模型获得统一经验公式.Miake-Lye等[16]对Broadwell 等人的研究进行简化，将湍流推举火焰的稳定由相邻大尺度流场之间的拉伸率决定，该理论能够用来分析CH4等气体燃料的火焰推举机制.研究表明，预混火焰模型和大尺度火焰模型均能用于分析射流火焰的推举特性.

近年来高温燃烧技术在节能方面的优势使其得到广泛关注[17-18]，采用该燃烧技术可以将低热值燃气得到较好利用.Kim 等[19]和Choi 等[20]实验研究了伴流空气温度从300 K 到900 K 的C3H8/N2和CH4/N2火焰的推举高度和吹熄极限，结合预混火焰模型和大尺度火焰模型对实验结果进行分析，给出了基于两种模型建立起的无量纲公式.然而，以上对于火焰驻定机制的研究，燃料中掺混气大多是N2，且在稀释气都是处于较低浓度的条件下进行的.目前，关于预混火焰模型和大尺度火焰模型在分析生物沼气火焰在不同环境温度下推举特性的适用性尚不明确，对于生物沼气火焰推举高度也缺乏详细分析.

本文对常温和预热伴流空气下、较低燃料摩尔分数的CH4/CO2非预混射流火焰的燃烧特性进行了实验研究.测量了CH4/CO2火焰的火焰高度、推举高度，并与相同工况下CH4/N2非预混射流火焰结果进行对比.通过预混火焰模型对CH4/CO2火焰中CO2对火焰推举特性的影响进行了分析.

1 实验装置及工况

1.1 实验装置系统

高温伴流射流火焰实验系统如图1 所示，采用内径为2 mm，壁厚为0.5 mm 的不锈钢圆管作为燃料喷管.燃料管长度选为55 cm，气体燃料在燃料管中流动为充分发展流.燃料管外侧布置水冷套管.空压机压缩提供的空气先通过管式炉进行加热(标定功率3 kW)，再利用陶瓷蜂窝蓄热体(1 mm 方形小孔)进行整流获得温度、流速均匀的伴流.伴流通过了直径为95 mm、长50 cm 的石英圆管玻璃罩.通过布置R型热电偶检测伴流温度.通过质量流量计(MKSGE50 系列)来控制各路气体的流量，在实验前所有质量流量计均使用湿式流量计(Shinagawa，W-NK)标定.燃料和稀释气体流量计的最大量程分别为7 200 cm3/min 和5 000 cm3/min，空气流量计的最大量程为150 L/min.CH4、CO2和N2的纯度为99.999%.

图1 高温伴流射流火焰实验装置Fig.1 Schematic of high temperature co-flow jet flame burner

当燃料流速加到一定值时，火焰底部脱离管口仍在继续燃烧，这种燃烧现象被称为推举现象，此时的燃料流速被称为推举临界速度.实验过程中采用单反相机(Nikon D-600)记录下不同稀释比的燃料流速逐渐增加的火焰形态，通过与照片中标尺的长度比较获取不同流速下火焰高度及推举高度.火焰高度及推举高度的定义如图1 所示.火焰较稳定时每个流速取3 张照片的平均值，高流速下推举火焰上下震荡较为明显，此时采用6 张照片取平均值的方法来降低震荡影响.每组实验重复3 次，确保所测火焰高度、推举临界速度、推举高度、吹熄极限的重现性良好.

1.2 实验工况设置

通过实验对掺混气分别为N2和CO2的CH4射流火焰燃烧特性进行了研究，燃料中CH4摩尔分数XF的范围：0.65≤XF≤0.85.常温条件下，伴流空气的速度为0.35 m/s.由于伴流温度升高，外部空气的影响增强，一般通过增大伴流速度来降低外部空气的影响[19].本文采用相似方法，将温度600 K 时的伴流速度增至0.6 m/s，与高温伴流气体速度为0.35 m/s 时的实验对比发现，增加伴流速度至0.6 m/s 会使火焰高度最大降低12 mm，推举高度最大增加2.4 mm，两种预热伴流速度下得到的实验结果相对误差均小于10%.因此，可认为600 K 伴流气体速度增至0.6 m/s在本实验中带来的影响可以忽略.

2 实验结果与分析

2.1 火焰形态与火焰推举

为了研究燃料中含有CO2对射流火焰燃烧特性的影响，首先从宏观角度观察燃料中掺混不同稀释气火焰形态的区别.图2 为燃料流速靠近推举临界速度时，CH4/CO2与CH4/N2火焰的火焰形态图片.其中，常温伴流下两种火焰燃料流速为6 m/s，预热空气伴流下燃料流速为16 m/s.可见CH4/CO2火焰相对较暗，两种燃料掺混稀释气火焰未发生推举时火焰高度没有明显差别.

图2 燃料流速接近推举临界速度时的火焰形态(XF＝0.75)Fig.2 Form of flames at fuel velocities close to critical velocity of liftoff(XF＝0.75)

CH4/CO2与CH4/N2推举火焰根部的形态照片如图3 所示.其中，常温伴流下两种火焰燃料流速为8 m/s，预热空气伴流下燃料流速为18 m/s.由图可见，燃料流速达到火焰推举的临界速度时，推举火焰在较高环境温度下 HL偏低；相同燃料流速下，CH4/CO2火焰推举高度更高.

图3 推举火焰根部的形态(XF＝0.75)Fig.3 Form of the base of lifted flames(XF＝0.75)

2.2 不同燃料流速下火焰高度与推举高度

图4 常温和预热伴流下的火焰高度Fig.4 Flame heights with normal-temperature and preheated co-flows

图4 给出了300 K 和600 K 伴流空气下不同摩尔分数CH4/CO2和CH4/N2射流火焰的火焰高度.在层流火焰条件下，火焰高度与U0呈线性正相关，温度和不同稀释气对火焰高度影响较小.当U0增大到一定量时，火焰高度达到峰值；之后继续增加U0，火焰转变为湍流火焰，火焰高度基本不变.燃料中CH4摩尔分数越高，其湍流火焰高度越高；相同燃料摩尔分数下，CH4/N2湍流火焰的火焰高度高于CH4/CO2火焰.图中“+”和“×”分别表示 CH4/CO2和CH4/N2火焰熄灭的临界速度，由于燃料的流量计最大量程的限制，本实验未测得600 K 伴流空气下XF为0.8 和0.85 时CH4/N2火焰的熄灭极限.

Hottel 等[21]指出随着U0不断增加，火焰高度骤降，此时火焰完成由层流到湍流的转变过程.在本研究中，所有火焰形成湍流火焰均已发生推举.由图2看出，CH4/CO2火焰中XF≤0.75 时，常温和预热伴流条件下火焰未发生推举已经熄灭.为了进一步对比分析两种火焰在湍流状态下火焰推举特性，本研究选用CH4摩尔分数0.75、0.80 和0.85 作为研究目标.

火焰在300 K 和600 K 伴流空气氛围中推举高度如图5 所示，其中“☆”表示火焰发生推举的临界速度.火焰处于预热伴流空气的环境中，更高的射流速度才能使火焰推举.与文献[6]对比发现，在本实验中加入伴流对火焰推举的临界速度影响不大.稀释剂种类和伴流温度确定时，相同流速下稀释气体摩尔分数每增加0.05，火焰推举高度增加约3 mm；伴流气体温度为300 K 和600 K 时，相同甲烷浓度的燃料流速下两种火焰最大推举高度差分别为14.7 mm 和7.8 mm.

图5 常温和预热伴流下火焰的推举高度Fig.5 Flame liftoff heights with normal-temperature and preheated co-flows

通过以上实验结果可见，不同稀释气含量的火焰发生推举的临界速度相差不大，但CH4/CO2火焰推举高度较高且更易吹熄.下面采用预混火焰模型分析两种火焰推举高度的变化.

2.3 火焰推举高度理论分析

通过前人利用预混火焰模型和大尺度火焰模型对非预混射流火焰推举高度进行的拟合分析看出，使用这些模型得到的推举高度与射流流速之间的关系可简化湍流燃烧问题，可以对火焰的推举特性有更深刻的理解，以便发现不同工况的共性规律[15-16,19-20].

预混火焰模型假设射流燃料由喷嘴到达到底部火焰面时已与周围氧化剂充分混合，此时推举火焰的推举高度取决于火焰底部局部流动速度与局部最大湍流速度的平衡位置.因此，推举火焰的稳定取决于局部平均射流速度与湍流火焰传播速度是否平衡，最大湍流火焰传播速度由燃料与氧化剂当量混合后的层流火焰速度的最大值决定.

本研究采用CHEMKIN-PRO 中的1 D-Premixed模型及详细机理GRI-Mech 3.0[22]来计算相关研究表明采用该机理得到的计算结果可以和实验结果较好吻合[3].通过光学薄模型(optically thin model)[23]考虑辐射性气体对最大火焰传播速度的影响.表1 给出了计算出的与燃料热物性参数，可以看出与相差极小，此后的分析采用作为层流火焰速度.

在射流火焰推举高度预混火焰模型中，湍流火焰速度受常温下燃料运动黏性系数νF,0和燃料与空气密度比影响.当湍流火焰速度与局部射流速度平衡时，可用与Rex相关的函数来表示，Rex是与轴向火焰高度相关的雷诺数，取决于和该理论得到的无量纲火焰推举高度与燃料速度如式(1)所示：

采用关于推举高度的预混火焰理论模型得到的不同燃料摩尔分数的火焰无量纲推举高度与无量纲射流速度呈线性关系，如图6(a)、(b)所示，两种火焰的线性拟合表达式如式(2)和(3)所示：

其中下标1、2 分别表示CH4/N2和CH4/CO2火焰，两条拟合线的确定系数R2均为0.99.

表1 不同温度下不同燃料混合气密度、黏度及层流火焰速度Tab.1 Mixed gas density，kinematic viscosity，and laminar flame velocity with different fuels and at different initial temperatures

图6 基于预混火焰模型得出不同火焰的无量纲推举高度和射流速度的线性拟合Fig.6 Linear fitting of dimensionless liftoff height and dimensionless jet velocity based on the premixed flame model

相关学者采用预混火焰模型给出了不同温度伴流空气下XF为1.0、0.9 和0.8 的CH4/N2火焰推举高度拟合公式，3 种燃料浓度的工况拟合线斜率分别为53、58 和66[20].通过本研究可见，较低燃料浓度下(0.75≤XF≤0.85)使用预混火焰模型理论能将燃料速度和推举高度关联起来.图6 中虚线表示Choi 得到的 XF为 0.9 时 CH4/N2火焰推举高度拟合线及Kalghatgi 在开放空间得到的 CH4/CO2火焰拟合线.与Choi 直线比较可以看出燃料中掺混更多稀释气会使拟合线的斜率上升；掺混CO2所得拟合线斜率较小.CH4/CO2火焰拟合线与Kalghatgi 线的差异主要归因于本实验加入热伴流空气，增加促进斜率增加.

使用大尺度火焰模型对火焰推举高度研究的结果未在本文中展示.因为与Chung 等人的研究结果相近，采用燃烧气体温度(Tb)的扩散系数对火焰推举高度进行无量纲化并与无量纲燃料流速进行拟合，得到两种温度伴流空气下拟合线斜率相差很大；使用未燃气体当量混合的扩散系数将推举高度无量纲化，可以得到不同温度伴流气体的两参数的无量纲数的拟合函数[19-20].这说明在高温伴流的气氛中，大尺度火焰模型不适用于预测火焰推举高度，未燃气体的扩散、混合对于预测火焰推举高度更为重要.

从以上分析可以看出，预混火焰模型可以将本研究获得的火焰无量纲推举高度及无量纲射流速度统一起来，这说明了该理论在本研究中的适用性.为阐明CO2稀释燃料对推举高度的影响，本研究将预混火焰模型中预测CH4/CO2火焰无量纲推举高度的参数逐个替换成对应CH4/N2火焰中的参数，拟合获得直线斜率C1，通过与初始斜率C0对比来表征不同参数对于火焰推举高度的重要性.定义参数影响系数为(C1-C0)/C0.其中，系数为正表示CH4/CO2火焰中的对应参数促进火焰推举高度增加，反之起抑制作用.

图7 为不同参数对于CH4/CO2火焰的推举特性影响程度.可见，的影响系数最大，νF,0的影响系数相对较小.其中由于掺混气体本身的性质决定Amielh 等使用激光对流场中速度的测量表明，对射流速度的发展及处于渐进状态下轴向中心线上平均速度影响很大[24].从表1 看出，CO2具有较大密度，因此CH4/CO2与空气混合速度比CH4/N2慢，稀释气体所占摩尔分数越大，燃料的密度越大，这样会阻碍湍流强度的发展，进而使燃料与氧化剂的等浓度线出现在距离喷嘴更高的位置.预混火焰模型中认为HL越大推举火焰底部预混火焰面的更容易与局部射流速度平衡[15].CO2的化学特性较N2活泼，通过促进CO2+H＝CO+OH 来抑制CH4火焰支链反应重要的基元反应H+O2＝OH+O 的进行，进而降低火焰中活泼自由基的浓度，减小层流火焰速度[3].通过以上分析可见，CH4/CO2火焰中较小的使火焰更难达到稳定状态，因此通过推举高度增加来维持火焰稳定.当射流速度足够大时，最大湍流火焰传播速度不能与局部平均射流速度平衡，火焰熄灭的影响系数略小于的影响系数说明射流发展混合阶段对于推举火焰的推举特性影响更大，当量混合等浓度线的出现及随燃料流速的增加而向上移动距离均受射流发展混合阶段的影响.