脉动燃烧抑制乙炔扩散火焰碳烟排放的研究

孙钶炜,赵伟炳,张治国,叶阳辉,范志庚

(浙江科技学院 机械与能源工程学院,杭州 310023)

非预混火焰被广泛应用于各种燃烧装置中,但它会产生很多污染物,碳烟是主要有害污染物之一。碳烟不仅会造成严重的空气污染[1-2],而且会降低燃烧室的燃烧效率,增加燃烧室壁面的热负荷[3]。因此,如何有效地抑制碳烟颗粒的排放成为燃烧科学研究的中心课题之一。从燃烧控制的角度来看,可通过调控温度、压力和当量比等参数来调控燃烧过程,进而改变污染物的排放特性[4-6]。实际应用中还可通过改进燃料的配比来降低碳烟颗粒的生成,包括降低燃料中芳香烃组分、采用含氧燃料、掺杂添加剂等。此外,采用催化氧化、颗粒过滤捕集技术等尾气后处理技术也同样可以降低碳烟的排放量[7],还有文献报道采用外加电场的方式也可以降低燃烧过程中碳烟颗粒的生成与排放[8]。

脉动燃烧作为一种控制火焰的有效手段受到了广泛的关注。对火焰施加脉动波会影响火焰的结构和化学水平上的燃烧过程,从而导致火焰颜色和产物发生变化[9-10]。此外,在高噪声级的燃烧器中,自激励脉动可能导致严重的燃烧不稳定现象[11]。通过主动控制可以实现对脉动燃烧热声不稳定情况的调整,达到燃烧效率更高,使用寿命更长,降低噪声,改善运行环境的目的[12-13]。Sapmaz等[14]通过使用电磁阀来产生频率在10～200 Hz之间变化的脉动波并施加到预混火焰中,发现碳烟体积分数随着脉动波频率的增加而增加。Saito等[15]得出了相似的结论,并得出声波脉动可促进空气与燃料的混合并提高火焰温度,使碳烟颗粒再氧化,从而减少碳烟生成的结论。Alex[16]开展了一项对贫氧燃烧火焰施加脉动波的研究,发现施加脉动后会引起火焰温度升高,NOx生成量增加,CO生成量减少,这一结果印证了Satio的猜想。然而,Shaddix等[17]的研究认为,碳烟体积分数和碳烟颗粒的尺寸比非脉动燃烧火焰增加了2～4倍,是因为受到火焰停留时间增加的影响,这与Sapmaz和Saito等的结论相左。Jocher等[18]对脉动层流火焰中碳烟演化的数值模拟的研究也得出了与Shaddix相似的结论。由此可见,脉动燃烧是否可以有效抑制碳烟生成还存在争议,因此需要进一步的研究。因此,本研究通过改变脉动波的振幅、频率、不同波形、喷嘴内径和燃料流量等参数,对脉动燃烧火焰在不同燃烧器结构和声源参数下的碳烟抑制情况进行探究,以期找到一种抑制火焰中碳烟生成的有效方法。

1 试验部分

1.1 试验仪器

玻璃管(外径34 mm,内径20 mm),扬声器(东莞市华创音响器材有限公司,DL50TZF-01),压电式压力传感器(昆山双桥传感器测控技术有限公司,CYG1406),电子天平(德国赛多利斯电子天平,BSA2245-CW),玻璃纤维滤膜,喷嘴(不锈钢管,内径分别为2.5、7.0 mm),本生灯,质量流量计(美国艾里卡特(Alicat)高精度气体质量流量计,M-500SLPM),真空泵。

1.2 试验过程

1—乙炔气瓶;2—质量流量计;3—燃烧器;4—喷嘴;5—扬声器;6—计算机;7—玻璃纤维过滤器;8—真空泵。 图1 脉动燃烧抑制乙炔扩散火焰碳烟生成试验示意图 Fig.1 Diagram of soot suppression of acetylene diffusion flames by pulse combustion

试验使用的燃料为乙炔气体。乙炔气体从气瓶中流出后,由质量流量计控制流量Q在(0.05～0.07 L/min)内变化,并在本生灯处点燃。在乙炔扩散火焰两边设置两端分别安装了扬声器的玻璃管,利用LabVIEW程序控制扬声器产生的干涉波(锯齿波、方波、正弦波)对乙炔扩散火焰施加脉动波。脉动波的频率f和振幅A分别在40～120 Hz和0～0.14 V范围内变化。用压电式压力传感器对扬声器产生的振幅和波形进行测量和校准。燃烧产生的碳烟颗粒采用玻璃纤维过滤器进行收集。脉动燃烧抑制乙炔扩散火焰碳烟生成试验如图1所示。

1.3 分析方法

使用精度为0.1 mg的电子天平对收集到的碳烟颗粒的质量进行标定。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)分析收集到的碳烟的物理化学性质。

2 结果与讨论

2.1 施加脉动波前后的火焰情况

脉动波的频率设定为100 Hz,振幅从0 V增大到0.07 V,燃料流量为0.06 L/min,喷嘴内径为7.0 mm。乙炔扩散火焰在施加脉动波前后的火焰形状如图2所示,从图中可以看出,在不施加脉动波时,火焰上方有大量的碳烟生成;施加脉动波后,随着振幅的增大,火焰长度逐渐减小,当振幅达到0.07 V时,几乎没有碳烟产生。由此可见,使用脉动燃烧技术可以有效地抑制乙炔扩散火焰产生的碳烟,这与前人的研究结果[15]一致。

图2 施加脉动波前后的火焰形状Fig.2 Shape of flame before andafter pulse is applied

2.2 施加脉动波后不同参数条件对碳烟抑制效果的影响

2.2.1 振幅对碳烟抑制效果的影响

施加脉动波的频率和振幅的变化范围分别为40～120 Hz和0～0.14 V,燃料流量为0.06 L/min,喷嘴内径为7.0 mm。振幅对碳烟抑制效果的影响如图3所示,其中,碳烟生成量比为脉动燃烧时产生的碳烟质量(m1)与未加脉动燃烧产生的碳烟质量(m2)的比值,从图中可以看出,随着振幅的增大,碳烟的抑制效果得到了明显的提升。当频率为40 Hz,振幅小于0.01 V时,施加脉动波不会引起碳烟生成量的显著下降;然而,当振幅大于0.015 V时,碳烟生成量迅速减少,且在振幅为0.02 V时碳烟抑制率超过90%。而在频率为120 Hz的条件下,需要施加0.14 V的振幅来达到相似的碳烟抑制率。产生这一现象的原因可能是相比低振幅,高振幅条件下的碳烟在生成区的生长和团聚受到的抑制作用更大,且剧烈震荡使碳烟颗粒得到充分的氧化,使碳烟颗粒的粒径减小。

图3 振幅对碳烟抑制效果的影响Fig.3 Effect of amplitude on soot suppression

2.2.2 频率对碳烟抑制效果的影响

施加脉动波的频率和振幅的变化范围分别为40～120 Hz和0.02 V,燃料流量为0.06 L/min,喷嘴内径为7.0 mm。不同频率对碳烟抑制效果的影响如图4所示,从图中可以看出,碳烟的抑制率首先随频率的增大而增大,在频率为40 Hz的条件下碳烟抑制率达到最优值。但随频率的增大,碳烟抑制率开始下降;当频率大于80 Hz时,继续增加频率,碳烟的抑制率基本上不变。产生这一现象的原因可能是乙炔燃烧产生的固有频率接近40 Hz,与扬声器产生的脉动频率之间发生耦合[19]。这使得乙炔扩散火焰产生的碳烟与氧气得到了更充分的混合,碳烟颗粒的氧化更充分,从而导致低频条件下的碳烟抑制效果更明显。

图4 频率对碳烟抑制效果的影响Fig.4 Effect of frequency on soot suppression

2.2.3 喷嘴内径对碳烟抑制效果的影响

施加脉动波的频率为60、100 Hz,振幅变化范围为0～0.08 V,燃料流量为0.06 L/min,喷嘴内径分别为2.5、7.0 mm。不同喷嘴内径对碳烟抑制效果的影响如图5所示,从图中可以看出,在振幅和频率保持不变的情况下,7.0 mm和2.5 mm内径的喷嘴表现出了相同的碳烟抑制效果,这说明喷嘴内径对碳烟抑制效果不会产生明显的影响。

图5 喷嘴内径对碳烟抑制效果的影响Fig.5 Effect of internal diameter of thenozzle on soot suppression

2.2.4 燃料流量对碳烟抑制效果及碳烟颗粒的影响

施加脉动波的频率为60 Hz,振幅在0.01～0.03 V内变化,燃料流量在0.05～0.07 L/min内变化,喷嘴内径为7.0 mm。不同燃料流量对碳烟抑制效果的影响如图6所示,从图中可以看出,与大燃料流量相比,当燃料流量较小时,碳烟抑制效果更好。初步分析这可能是小燃料流量的火焰停留时间较短,有利于碳烟在最后过程的氧化。而大燃料流量(0.07 L/min)产生的乙炔扩散火焰的长度和火焰停留时间都要大于小燃料流量(0.05 L/min)时的情况。这一情况使小燃料流量的碳烟前驱物更容易得到氧化,碳烟生长和团聚受到的抑制效果比大燃料流量时好。

图6 燃料流量对碳烟抑制效果的影响Fig.6 Effect of flow rate of the fuel on soot suppression

不同燃料流量下的碳烟颗粒SEM图如图7所示。当燃料流量为0.05 L/min时,碳烟呈现颗粒状,颗粒之间排列较为紧密且颗粒大小比较均匀,颗粒与颗粒之间以链状形式相连接;随着燃料流量增大(0.06 L/min),颗粒开始团聚并逐渐形成块状;当燃料流量增大为0.07 L/min时,碳烟颗粒已经明显团聚成块。初步分析出现此现象的原因为碳烟在上升到高温火焰区域时,由于流量过大,导致火焰停留时间更长,碳烟未能到达形成颗粒状时就被气流推出火焰,不利于碳烟最后过程的氧化,同时燃料在其中不完全燃烧,导致出现大块状碳烟[20]。

图7 不同燃料流量下的碳烟颗粒SEM图Fig.7 SEM image of soot particles under different fuel rates

2.2.5 不同脉动波波形对碳烟抑制效果的影响

施加的脉动波频率和振幅分别在40～80 Hz和0～0.08 V范围内变化,施加的脉动波分别为正弦波、方波和锯齿波,燃料流量为0.06 L/min。不同脉动波波形对碳烟抑制效果的影响如图8所示。

图8 不同脉动波波形对碳烟抑制效果的影响Fig.8 Effect of wave shapes on soot suppression

从图8中可以看出,相比正弦波,锯齿波在一开始时的抑制效果要好一些;但随着振幅的增大,正弦波的碳烟抑制效果逐渐超过了锯齿波;在3种波形中,方波具有最好的碳烟抑制效果,锯齿波的碳烟抑制效果最差。产生这种现象的原因可能是方波在3种波中具有最大的能量,在施加方波时乙炔扩散火焰中产生的碳烟颗粒震荡更为剧烈,碳烟颗粒氧化得更加充分。

3 结 语

本研究针对乙炔燃烧高碳烟生成的问题,通过改变脉动波的振幅、频率及喷嘴内径、燃料流量和波形等参数来探讨脉动燃烧对碳烟抑制效果的影响。结果显示:通过增大脉动波的振幅,选用合适的频率,并根据振幅和频率来选用合适的波形有利于抑制乙炔扩散火焰碳烟的生成。经扫描电子显微镜分析收集到的碳烟,其结果表明,脉动燃烧可以抑制碳烟颗粒的团聚和促进碳烟颗粒的氧化,使其颗粒变小,最终达到抑制碳烟生成的目的。本研究为抑制火焰中碳烟生成提供了一种新方法。