甲烷在空气燃烧的等离子体射流助燃效应的光谱研究

张小林， 李寿哲， 冀春俊， 牛裕龙， 白 阳, 廖宏达

1. 大连理工大学能源与动力学院， 辽宁 大连 116024 2. 大连理工大学物理学院三束材料改性教育部重点实验室， 辽宁 大连 116024

引 言

近年来， 大气压非平衡等离子体技术作为一个研究热点被关注， 因为气体温度相对比较低， 热效应较小， 而它能够产生大量的电子、 离子和活性基团， 同时非平衡态等离子体的动力学效应被认为在辅助燃烧中会起到重要的作用。 科研人员已经发展了多种产生等离子体的方式用于助燃研究， 例如介质阻挡放电、 纳秒脉冲电晕放电、 微波等离子体放电等等[1]。 虽然这些放电方式在等离子体助燃方面已经显现出一定的效果， 但是受限于放电方式和燃烧过程不能有效耦合， 以及对等离子体辅助燃烧所涉及的物理机制和过程还不是很清楚的实际情况， 已经取得的成果还不能作为成熟的技术被广泛的应用。 这就需要通过各种助燃方案， 进一步开展深入系统的研究。 在大气压条件下， 以氩气作为载气在高频电源驱动下在较长的柔性介质管中能够产生等离子体射流[2]。 这种等离子体射流的宏观气体温度比较低， 电子温度却很高， 同时良好的可控性和操作灵活性， 在材料表面亲疏水改性、 刻蚀、 医学灭菌消毒以及渗氮的应用中已获得很好的效果[3]。 因此， 将等离子体射流应用于等离子体辅助燃烧中具有重要的实际意义。 本工作通过对等离子体放电装置改进， 设计能够应用等离子体射流技术的燃烧器， 实现大气压等离子体射流助燃。

探究甲烷(CH4)在空气中的燃烧过程， 基于所产生的大气压非平衡态氩等离子体射流， 研究等离子体射流的一些非温度效应对燃烧过程的助燃影响。 利用在大气压下发生的氩等离子体射流， 研究了作为载气的氩气流量和施加的放电电压对非预混和预混燃烧火焰形态的影响， 分析火焰根部自由基粒子的发射光谱强度与载气气流量和放电电压之间的关系， 揭示等离子体射流通过激发活性粒子以及等离子体动力学输运过程来增强甲烷燃烧过程的机理。 对进一步探究等离子体辅助燃烧的效果， 明确等离子体在助燃中的作用是十分重要的。

1 实验部分

采用大气压等离子体射流助燃试验装置(如图1所示)， 主要由等离子体放电系统和测量系统组成。 等离子体助燃的主体部件为十字型石英管燃烧器(四个臂如图1中a， b， c， d)， a臂为长2 mm的喷嘴， d臂长92 mm为氩气产生的等离子体产生区， 载气由此臂进入； 可燃气体由45 mm长的b臂、 c臂进入与d臂产生的等离子体混合并发生作用。 十字型燃烧器采用石英玻璃制成， 内径为3 mm， 外径为5 mm。 实验中气体的流量均由气体质量流量控制器(D07-19B， Sevenstar Electronics Co. Ltd.)准确控制。 实验中采用纯度为99.99%的氩气作为载气， 用来产生氩等离子体射流， 流量在0～10 L·min-1(℃, 1 atm, SLM)范围内可调； 可燃气体为99.99%的甲烷， 考虑到甲烷是易燃易爆的气体， 在甲烷气体的钢瓶出气减压阀的下游安装了回火阀， 流量在0～500 SCCM的范围内变化。

图1 大气压等离子体射流助燃实验装置

等离子体产生的电源为高压交流电源(型号为CTP-2000K)， 工作频率可在3～100 kHz之间调节， 本实验所采用的工作频率为46 kHz， 输出电压在0～25 kV之间可调。 氩等离子体射流的放电电压和放电电流的波形分别用泰克高压探头(衰减比例为1 000∶1)和电流探头并由泰克数字示波器(带宽350 MHz)同时采集。 本实验采用发射光谱仪(OES)检测甲烷燃烧过程中的自由基。 发射光谱仪不仅对测量目标无干扰， 而且具有灵敏度高和响应速度快的特点， 普遍使用在各种等离子体特性的研究和各种参数的诊断中。 本实验光谱仪型号为Acton SP 2750(Princeton Instruments)， 该光谱仪配置了有PIXIS 400电荷耦合元件(CCD)的接收器， 并采用收集角为12.5°的光纤用于光信号的采集和传输。 本实验中， 光纤放置在水平方向上离燃烧器喷嘴(a)大约6 cm的位置， 并在竖直方向上离喷嘴(a)大约0.65 cm进行光信号采集。 采用佳能公司生产的EOS 700D型数码相机， 对燃烧过程进行实时拍照记录。

2 结果与讨论

2.1 氩等离子体射流对甲烷在空气中燃烧过程的影响

首先， 通过改变放电电压调控等离子体射流的状态， 研究在不同的放电电压下， 等离子体射流对非预混甲烷燃烧形成火焰形态的影响。 氩气和甲烷的体积流量分别设定为0.56和0.42 SLM， 将高压电源的工作频率调节到46 kHz， 逐步升高放电电压。 火焰形态表明随着放电电压的增加， 火焰根部蓝色区域不断扩大， 火焰晃动更加剧烈。 当放电电压为8 kV时， 在放电针头上产生了一个小亮点， 表示氩气局部放电刚开始， 对比没有放电的火焰形态， 8 kV下的火焰形态根部蓝色区域扩大了近两倍， 且蓝色区域的形状变为倒锥形， 火焰也开始抖动， 分析认为抖动是由于燃烧的不均匀性造成， 放电时电场振荡引发这样的不均匀性， 中频下强电场振荡导致火焰中粒子的振荡， 使火焰的形态受到影响。 随着放电电压的进一步增加， 氩等离子体射流从局部放电开始其长度不断增加， 当电压达到16 kV时, 氩等离子体射流刚好传播到燃烧器喷嘴(a)处， 并直接作用于火焰根部。 当电压达到22 kV时， 火焰抖动变得非常剧烈并上下振荡， 火焰不时脱离燃烧器喷口， 形成推举火焰， 并发出噗噗的响声， 火焰总体长度变短， 火焰面出现褶皱， 但是火焰根部蓝色区域面积不断扩大， 大约占总火焰面积的1/2， 表明燃烧更加充分且剧烈。 分析认为， 由于等离子体的离子风效应， 使火焰喷嘴处的气体流速增大， 引起火焰面出现褶皱， 增加了反应面积， 使甲烷与周围空气充分混合， 提高了燃烧速率； 另一方面， 气体流速的增大会引起热量的交换， 加快活性基团的输运速度， 使燃烧速度进一步得到提高。

图2展示光谱仪所测量燃烧火焰的自由基发射光谱强度变化情况， 结果表明随着电压的增加， OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)自由基粒子的光谱强度先保持不变， 当电压达到16 kV时， 谱线强度开始增大， 同时伴随着燃烧火焰抖动增大， 导致了数据测量误差相应变大(图中误差棒加长)。 当电压还未达到16 kV时， 氩等离子体射流长度不足以到达图1中燃烧器喷口(a)， 此时与甲烷没有直接的相互作用， 所以OH， CH， C2的光谱强度基本没有变化。 而氩等离子体射流产生的亚稳态粒子数密度随气流输运到达a处是有限的， 对强化燃烧的作用微弱。 当电压为16 kV时， 等离子体射流直接与甲烷相互作用， 等离子体中的活性粒子参与了燃烧过程， 促进了甲烷被分解成大量的自由基， 相应的谱线强度增强， 自由基的增加表现为火焰根部蓝色区域的扩大。 当电压在22 kV时， 谱线强度开始减小， 这是因为等离子体使得管内气体流速增大， 导致燃烧火焰的观察区域发生移动远离图1中喷口(a)(22 kV根部区域)， 使得测量信号的强度变小。 如进一步增大放电电压， 火焰开始出现吹脱现象并最终熄灭。

图2 不同放电电压对OH(A-X)， CH(A-X)，C2(d)发射光谱强度的影响

2.2 预混氧气的甲烷在空气中燃烧时氩等离子体射流的助燃效果

实验结果表明， 放电电压对非预混火焰有一定的助燃作用， 由于氩等离子体射流对氧气的稀释， 氩气量的增加会引起燃烧所需氧气不足， 出现吹脱现象。 为了排除这一因素的干扰， 甲烷先预混一定比例的氧气， 对不同当量比预混等离子体射流的助燃效果开展了进一步实验研究。

2.2.1 不同燃料当量比下燃烧火焰形态的变化

氩气和甲烷的体积流量分别固定为0.56和0.28 SLM， 氧气流量分别为0.0， 0.07， 0.1， 0.14， 0.2和0.28 SLM。 图3(a—f)所示甲烷预混的燃烧火焰结果表明， 随着氧气的不断增加， 火焰长度变得不仅越来越短， 而且呈现出三层不一样颜色的火焰， 如图3(d)内区为深蓝色， 外区为浅蓝色， 中间区为橙黄色。 深蓝色的内区是把预混进入的氧气都消耗完的预混火焰的气体辐射[4]； 橙黄色区域则是通过预混火焰的剩余燃料和周围大气中的氧气形成的含有大量的碳粒辐射的扩散火焰； 最外层的浅蓝色区域是在高温下已反应了的燃烧产物发出的可见光辐射[6]。 再进一步增加氧气含量， 黄色区消失， 深蓝色内锥不仅缩小且变成明亮的浅蓝色， 如图3(f)所示。

图3 预混不同氧气流量对火焰形态的影响

2.2.2 预混氧气的甲烷燃烧火焰形态随放电电压的变化

通常燃料和氧化剂的成分比例用燃料当量比Ф来表征

其中， 下标st表示按化学计量比混合， [CH4]和[O2]分别表示甲烷和氧气的流量。 图4中所示Φ=4时火焰燃烧形态随放电电压的变化。 图4(a)所示随着放电电压的不断增大， 火焰燃烧更加剧烈， 并发出噗噗的声响， 火焰整体更加明亮， 火焰内区缩短， 颜色由深蓝变成淡蓝色， 当电压达到16 kV, 代表扩散火焰的黄色中间区域逐渐变大。 分析认为等离子体的加入， 促进了甲烷气体与预混进入的氧气反应， 因此火焰内区变成淡蓝色， 而火焰尾部出现贫氧， 出现了不完全燃烧的现象。 另外， 图4(b)展示了在放电电压为22 kV的非预混燃烧的火焰形态图， 此时火焰出现了吹脱现象。 与图4(a)中相同实验条件下得到的燃烧火焰照片对比可见， 氧气的加入确实可以减缓火焰的吹脱现象。

图4 (a) Φ=4时， 不同放电电压下火焰形态变化； (b) 放电电压为22 kV时的火焰形态

2.2.3 预混氧气的甲烷燃烧火焰的光谱诊断

图5 放电电压为0和22 kV时1 cm火焰的光谱图

图6为Φ=8, 4, 2时， 自由基OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)的光谱发射强度随放电电压的变化情况。Φ=8和4时， OH， CH， C2的强度随放电电压的增大而增强。 大气压氩等离子体射流中的电子密度和电子温度随着放电电压的增加而增加， 相应地甲烷的解离脱氢反应以及重组反应加快， 产生更多自由基中间产物， 而此时氧气的浓度相对甲烷浓度较低， 抑制了富氧条件下甲烷燃烧过程中发生的氧化反应， 燃烧过程还是以甲烷的脱氢反应为主。 当Φ=2时， 随着放电电压的增大， OH(A-X)的发射光谱强度保持着增大的变化趋势， 而 CH(A-X)， C2(d)的光谱强度先增大后减小， 变化拐点发生在等离子体射流开始直接作用在燃烧火焰的电压值(16 kV)上， 在图中位于虚影区对应的值上。Φ=2预混气体中氧气的含量明显多于Φ=8和4的情形。 因此， 重组反应生成的OH会随着等离子体密度的增加而增加， 同时在较大的放电电压下产生了大量的活性氧原子和分子， 它们足够高的浓度促进了CH和C2的氧化反应的进行而被消耗掉， 相应地CH(A-X)和C2(d)的光谱强度随着放电电压的增加显现出了下降的变化趋势。

图6 不同空燃比时， 放电电压增加对OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)发射光谱强度的影响

3 结 论

采用十字型燃烧器开展了氩等离子体射流对甲烷在空气中燃烧过程影响的发射光谱研究。 实验通过引入施加电场产生的等离子体射流， 随着放电电压的增大， 火焰开始抖动并加剧， 同时上下振荡， 当电压达到22 kV时， 形成推举火焰， 火焰总体长度变短， 火焰面出现褶皱， 但是火焰根部蓝色区域面积不断扩大， 大约占总火焰面积的1/2。 发射光谱测量自由基OH， CH和C2的发射强度表明， 当电压达到16 kV时， 各自由基强度增大， 而当电压进一步增大到22 kV时， 这些自由基粒子的光谱强度却出现下降， 这归因于等离子体使得管内气体流速增大， 导致燃烧观察区发生移动远离喷口， 使得采集到的火焰根部区域变小造成的。 另外， 研究了在不同的燃料当量比下等离子体射流对预混气体助燃的过程， 测量了火焰形态及燃烧中自由基OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)的光谱强度随电压的变化规律。 实验发现燃料当量比为2时， OH的光谱发射强度随电压的增大而增强， 而CH和C2的发射强度在等离子体射流直接作用的情况下减少， 反映了在氩等离子体射流参与助燃下燃烧变得更加充分了。