基于OH*化学发光特性的CH4/O2扩散火焰燃料稀释效应研究

田鑫明，杨家宝，郭庆华，龚 岩，于广锁, 2

【碳中和专栏】

基于OH*化学发光特性的CH4/O2扩散火焰燃料稀释效应研究

田鑫明1，杨家宝1，郭庆华1，龚 岩1，于广锁1, 2

(1. 华东理工大学洁净煤技术研究所，上海 200237；2. 宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室，银川 750021)

利用高分辨率相机成像系统获得了CO2稀释的CH4/O2扩散火焰OH*化学发光分布．揭示了不同稀释水平下OH*层峰值特性以及外锋面半径的变化，并基于此探究了CO2稀释燃料对火焰反应区和结构特性的影响．结果表明，OH*化学发光峰值强度与CO2稀释水平存在线性关系．当达到某一阈值稀释水平时，反应区从轴线处断开，火焰反应区分布形态的变化导致火焰高度迅速下降．随着稀释水平的提高，发生OH*峰值的位移．OH*表征的火焰外锋面可拟合为一段圆弧，拟合圆半径可用于表征火焰弯曲程度．随着稀释水平逐渐升高，火焰外锋面圆半径逐渐增大．

OH*化学发光；CO2稀释；扩散火焰；火焰结构；氧燃当量比

由于日益严峻的“碳达峰”及“碳中和”等生态文明发展要求，沼气、生物质合成气等环境友好型替代能源被广泛关注．沼气主要由50%～80%的CH4及20%～50%的CO2组成，而生物质合成气是生物质热气化产生的合成气，由不同比例的CH4、H2、CO和CO2组成．燃料中大量CO2的存在能够显著地改变火焰燃烧特性，为保证沼气、生物质合成气等替代燃料的高效、安全燃烧，针对甲烷火焰CO2稀释效应的研究具有重要意义．Mortazavi等[1]基于高速相机成像系统，利用图像处理技术研究了CO2稀释对CH4火焰燃烧特性的影响，发现随着CO2含量增加，火焰温度和烟黑浓度均下降，火焰高度升高，点火时间增加．Biswas等[2]发现在层流CH4/空气正扩散火焰中，CO2摩尔分数的增加使火焰温度和火焰高度降低. Erete等[3]比较了不同CO2稀释水平对湍流非预混CH4/空气射流火焰的影响，发现随着CO2稀释水平的增加，火焰的举升高度增加，火焰高度降低，火焰温度降低．Han等[4]采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)研究了CO2稀释对CH4/空气湍流预混火焰的影响，发现CO2稀释使火焰上游局部燃烧强度减弱，火焰下游局部燃烧强度降低，火焰整体燃烧强度在不确定度范围内保持恒定值．宋占锋等[5]在定容燃烧弹内研究了不同CO2体积分数下，天然气/H4/ CO2/空气预混气体层流火焰燃烧特性，指出随着CO2体积分数的增加，混合气燃烧速率降低，拉伸火焰传播速率下降．

传统火焰检测方法如高速相机拍摄、热电偶测温只能检测火焰表观形态及特性．烃类燃烧诊断技术包括PLIF、可调谐激光吸收光谱(TLAS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、相干反斯托克斯拉曼光谱法(CARS)等．但由于激光诊断技术对环境要求高，设备复杂，上述诊断技术不能适应恶劣的燃烧条件．因此基于自发辐射的自由基光谱诊断技术越来越受到重视．火焰自由基光谱诊断能够通过火焰自由基特征化学发光分布获得火焰内部结构及组成，且在恶劣燃烧条件下表现良好，可以最大程度避免对火焰的干扰．相比于PLIF，对火焰内部自发跃迁的自由基进行检测对环境要求低，不需要昂贵的激光发生装置，因此被广泛关注．碳氢火焰的自由基自发辐射诊断主要涉及OH*、CH*、C2*等．Ballester等[6]指出最常用的自由基诊断方法是建立氧燃当量比与不同特征波长自由基化学发光强度之间的关系．Nori等[7]指出在一定的压力和温度条件下，CH*/OH*化学发光强度比可以用来预测贫燃甲烷火焰的氧燃当量比．Wang等[8]针对甲烷/氧气扩散及反扩散火焰的研究中指出，在两种火焰中OH*、CH*、C2*等不同自由基分布可以分别表征火焰不同的反应层结构．

OH*化学发光也可以独立表征火焰结构、氧燃当量比、拉伸率和热释放速率等火焰特征信息．Marchese等[9]采用Abel逆变换对OH*辐射分布进行反卷积处理，研究表明，OH*化学发光峰值位置与最高火焰温度位置接近，说明OH*自由基化学发光分布可表征火焰锋面位置．Higgins等[10]研究了CH4/O2火焰OH*化学发光强度与当量比及压力的关系，发现OH*化学发光强度随当量比增大而增大，随压力增大而减小．另外可进一步将OH*化学发光强度表示为压力及当量比的函数．Docquier等[11]表明OH*、CH*自由基可以表征主火焰的压力和当量比，且OH*发光强度对压力的变化比CH*更敏感．Turner等[12]利用球形层流CH4/空气火焰中的OH*化学发光成像表征火焰厚度．Shim等[13]利用OH*化学发光研究剪切作用对CH4/O2同轴射流火焰结构的影响，通过OH*化学发光峰值位置定位火焰中当量比为1的区域．

现有工作多是独立研究CO2稀释效应或者火焰自由基化学发光特性，基于化学发光尤其是单独的OH*化学发光特性的CO2稀释火焰特性研究仍有待完善．本研究基于同轴射流扩散火焰实验平台，利用紫外相机配合中心波长为310nm的滤光片获得了不同CO2稀释水平CH4/O2扩散火焰的OH*化学发光分布，且运用Abel逆变换对图像进行反卷积处理．探究了OH*化学发光峰值强度、峰值高度分布，并基于此获得了火焰轴向高度、外锋面半径的变化，建立了OH*化学发光强度与CO2稀释水平之间的定量关系．

1 实验部分

1.1 实验装置及方法

研究所用单喷嘴同轴射流扩散火焰OH*化学发光诊断平台如图1所示．喷嘴由三通道组成，中心通道内径为3mm，通入燃料CH4．CH4被通入喷嘴前与不同浓度CO2进行预混．内环隙通道内径4mm，通入O2．为避免空气对火焰产生干扰，外环隙通入Ar．实验系统位于暗室内以减少自然光对火焰光谱检测的影响．

OH*化学发光成像系统由高分辨率CCD相机(e2v CCD47-10)、紫外镜头及滤光片组成．相机成像的响应范围为200～1100nm，分辨率为1056(H)×1027(V)px，像素尺寸为13μm(H)×13μm(V)．滤光片的中心波长为310nm，半峰全宽10nm．经标定，相机拍摄得到的单个像素点尺寸为0.0584mm/ pixel．

1.2 实验条件

实验保持O2流速不变，通过改变CH4流速设置了3组不同氧燃当量比的火焰，分别对应贫燃、化学计量比以及富燃工况．每组工况中保持CH4流速不变，通过改变CO2流速获得不同稀释水平的CH4/O2扩散火焰．氧燃当量比的定义如式(1)所示：

式中：为质量；为物质的量；下标st代表化学计量条件．详细的工况如表1所示，其中X表示CO2稀释水平．

表1 实验条件

Tab.1 Experimentalconditions

2 结果与讨论

2.1 火焰整体形态变化

图2为3组当量比不同稀释水平火焰的OH*二维化学发光分布．随着稀释水平的增加，OH*化学发光强度显著减小．对于未稀释火焰，对称轴两侧的OH*反应区在轴线处汇集，反应区自下而上不断拓展．当稀释水平增加时，反应区范围逐渐缩小，反应锋面变窄，这是由于燃料气速的增大抑制了CH4和O2间的径向扩散．另外稀释水平较小时火焰顶部发生抖动，稀释水平增加使火焰抖动得到改善．火焰上游轴线处弥散的反应区汇集成束状，逐渐向背离轴线的方向延伸．火焰锋面由弯曲逐渐变得平直，锋面半径由小变大．

图3为归一化处理的当量比为1.00不同稀释水平火焰中OH*二维辐射分布．随着稀释水平的增加，火焰反应区变长，火焰核心反应区位置发生改变．CO2流量增大加快火焰整体气速，气速增加使火焰反应位置改变，部分燃料尚未完全反应便被携带至火焰下游，火焰反应区向下游扩展，火焰反应区变长．另外，曹甄俊等[14]基于GRI-Mech 3.0详细化学反应机理对CH4/空气扩散火焰进行模拟，指出CO2有效降低了H、O、OH基团的摩尔分数，抑制了CH4分解的链引发和链传播反应，CH4氧化反应速率变慢，导致更多CH4被气流携带至火焰下游使火焰反应区拉长．不同当量比火焰表现出一致的变化趋势．

2.1.2 轴向火焰高度

火焰高度可定义为OH*化学发光强度显著低于某一阈值时，轴向边界所对应的高度．Siebers等[15]建议该阈值为峰值强度的8%．经检验，在强度低于OH*化学发光峰值强度的10%时分布区域的变化已不明显，顶部边界逐渐破碎，没有形成明显的闭合边界，因此本研究采用OH*峰值强度的10%作为火焰边界．

图4为不同当量比条件下火焰轴向高度随稀释水平的变化图．在稀释水平较低时CO2稀释作用对火焰燃烧强度的影响占主导，稀释时CH4径向扩散速率大幅降低，CO2浓度增加抑制了CH4的氧化反应，使火焰燃烧强度减弱，同时CO2流量上升增加火焰整体气速，部分燃料尚未完全反应便被携带至火焰下游，火焰长度增加．在稀释水平较高时，中心射流通道和环隙通道气速差异导致的剪切作用会增强火焰燃烧，内外通道之间的剪切增强了甲烷与氧气之间的湍动和混合，使火焰高度降低．

不同当量比火焰高度急剧下降时对应的稀释水平不同．当量比为1.25时，在稀释水平54.1%时火焰高度急剧下降；当量比为1.00时，对应稀释水平为26.4%；当量比为0.83时，对应稀释水平低于23.1%．

当稀释水平为52.4%时，出现OH*分布不在轴线处闭合的现象．图5为当量比为1.25时稀释水平为23.1%及56.5%的OH*分布．在火焰反应区由轴向闭合发展至断开的过程中火焰高度略有升高，反应区在轴线处断开后火焰高度急剧下降，直至两侧对称部分完全分离，火焰高度上下小幅度波动，整体高度略有上升趋势．当当量比为1.25时，OH*在稀释水平为52.4%前呈环状分布，在52.4%后逐渐断开，火焰左右两侧不在轴线处闭合．当当量比为1.00时，OH*在稀释水平为28.6%后呈断开状态，对应的稀释水平提前．当当量比为0.83时，在未稀释条件下OH*分布即为左右两侧断开状态，加入稀释剂后OH*分布仍保持断开状态，火焰高度已经处于其他当量比条件突然下降之后的略微上升状态．火焰反应区分布形态的变化进一步导致火焰高度的突然下降，当达到某一阈值稀释水平时，反应区从轴线处断开，轴向两侧对称的反应区逐渐分离，火焰高度下降．随着稀释水平增加，燃料气速增加，导致火焰高度略微增加．当量比越高，对应的阈值稀释水平越大．

图3 归一化处理的当量比为1.00不同稀释水平火焰中OH*二维辐射分布

图4 不同当量比火焰反应区轴向高度变化

图5 背离轴线的OH*分布

2.2 OH*峰值特性

图6为不同当量比下OH*峰值强度随稀释水平的变化．随着稀释水平的增加，峰值强度首先呈线性下降，当稀释水平达到55%时，下降趋势逐渐变缓．峰值强度随稀释水平下降速度变缓的原因是第二个核心反应区的出现．相同稀释水平下＝1.25时峰值强度最高，＝0.83时峰值强度最低．当量比增大使CH4燃烧更加充分，强化了反应．但3条曲线重合度较高，差别在8.6%以内，当量比对火焰OH*峰值强度影响程度较小．

图6 不同稀释水平下OH*化学发光峰值强度

对＝0.83的峰值强度曲线在X为0～50%范围内进行线性拟合，结果如图7所示．线性拟合结果如式(2)所示：

式中：为OH*辐射峰值强度．

拟合结果的相关系数2为0.9939，在稀释水平X为0～50%范围内线性拟合结果良好，峰值强度随稀释水平的增加线性下降．已知OH*峰值强度时，可以推测对应的CO2稀释水平．当X＞50%时，峰值强度与稀释水平关系开始偏离原直线，峰值强度下降速率变缓，当X＞55%，峰值强度随稀释水平几乎不再变化，说明当稀释水平达到55%时，对火焰反应强度的影响已达到饱和．继续增加CO2浓度，稀释效应的影响有限．

OH*峰值高度定义为OH*峰值强度所在位置距喷嘴出口的高度．在Yang等[16]关于氧化剂稀释的扩散火焰光谱诊断中发现了峰值高度的位移现象，并解释了可能的原因．当稀释燃料时也发现了相同的现象，但峰值位移时对应的稀释水平更大．由图8可知，随着稀释水平增加，峰值高度趋于稳定并略有升高，在到达某一阈值后峰值高度急剧下降，出现了峰值的位移．OH*峰值位置由火焰上游转移至喷嘴附近，对应的OH*二维分布如图9所示．当当量比＝1时，发生峰值位移的稀释水平范围为52.4%～58.3%.

图8 不同稀释水平火焰的峰值高度

图9 OH*化学发光峰值位置

两处峰值位置反应机理不同，喷嘴出口附近的OH*由反应(R1)(CH＋O2→CO＋OH*)产生，火焰上游的OH*由反应(R2)(H＋O＋M→OH*＋M)产生[17]. CH4由喷嘴喷出后发生分解反应生成CH和H，O2与喷嘴出口附近的CH直接发生反应(R1)．火焰下游O2分解为游离态氧，与H发生反应(R2)．稀释剂含量增加抑制了氧分子分解为游离氧的过程，(R2)反应物减少，导致OH*生成反应逐渐由反应(R2)向(R1)过渡．另外，三通道喷嘴中射出的流体会在喷嘴附近产生径向流场，从环隙向中心通道扩散．中心通道CH4/CO2混合气气速增加会增大其卷吸能力，从而加速了环隙氧化剂的径向扩散，混合程度提高，促进了喷嘴附近OH*的生成．

2.3 锋面半径

通过对OH*二维分布进一步研究发现火焰的外锋面可很好地拟合为一段圆弧，如图10所示．火焰外锋面拟合圆半径可以用来表征火焰弯曲程度．外锋面半径越小，表示火焰越弯曲．通过对不同当量比及稀释水平火焰外锋面进行拟合，可得到拟合圆半径与当量比及稀释水平的关系．

图10 火焰外锋面拟合圆示意

图11为通过图10的方法获得的拟合圆半径分布．随着稀释水平逐渐升高，火焰外锋面圆半径逐渐增大，且梯度逐渐变大．在当量比为0.83及1.00时，随着稀释水平升高出现了一段接近水平的直线，对应的稀释范围分别为42.7%～53.7%及47.3%～54.2%，在此稀释范围内，外锋面半径几乎不变，随后对应曲线呈加速上升趋势，说明反应区已逐渐背离轴线．随着当量比逐渐增加，外锋面圆半径逐渐减小．火焰外锋面圆半径与气速呈正相关．相同稀释水平条件下，当量比减小，CH4流量增大，整体气速加快，半径增大．相同当量比条件下，稀释水平增大，CO2流量增大，整体气速加快，半径增大．

图11 不同稀释水平火焰的外锋面拟合圆半径

3 结 论

本研究基于同轴射流扩散火焰实验平台，利用紫外相机配合中心波长为310nm的滤光片获得了不同CO2稀释水平CH4/O2扩散火焰的OH*化学发光分布，并基于此进一步探究了火焰反应区和结构特性．结果表明：

(1) 随着稀释水平的增加，OH*化学发光强度逐渐降低，火焰反应区逐渐拉伸．火焰高度随CO2的增加呈上升-下降-上升的变化趋势．当达到某一阈值稀释水平时，反应区从轴线处断开，轴向两侧对称的反应区逐渐分离，火焰高度迅速下降．稀释水平进一步增大伴随燃料整体气速增加，导致火焰高度略有上升.

(3) 火焰外锋面可拟合为圆弧．外锋面圆半径能表征火焰弯曲程度，外锋面半径越小，火焰越弯曲.外锋面半径随着稀释水平的增大逐渐增大，且上升梯度逐渐变大．当量比的增加使外锋面半径逐渐减小．

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Fuel Dilution Effect Based on OH*Chemiluminescence in CH4/O2Diffusion Flame

Tian Xinming1，Yang Jiabao1，Guo Qinghua1，Gong Yan1，Yu Guangsuo1, 2

(1. Institute of Clean Coal Technology，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2. State Key Laboratory of High-Efficiency Utilization of Coal and Green Chemical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)

The OH*chemiluminescence distributions of CO2-diluted CH4/O2diffusion flame were obtained through a high-resolution camera imaging system. The peak properties of the OH*layer and the changes of the outer front radius at different dilution levels were revealed. The influence of the CO2dilution in fuel on the flame reaction zone and structural characteristics was further explored. The results show that there is a linear relationship between the peak intensity of OH*chemiluminescence and the CO2dilution level. When a certain threshold dilution level is reached，the reaction zone is disconnected from the axis，and the morphology change of flame reaction zone causes the rapid decrease of flame height. As the dilution level increases，a shift of the OH*peak occurs. In addition，the flame outer front indicated by OH*can be fitted into a circular arc，and the degree of flame curvature can be the characterized by the radius of the fitted circle. With the gradual rise of the dilution level，the radius of the flame outer front gradually increases.

OH*chemiluminescence；CO2dilution；diffusion flame；flame structure；oxygen/fuel equivalence ratio

O433.52

A

1006-8740(2022)03-0254-07

2021-06-28．

国家自然科学基金资助项目(21878093)；宁夏重点研发计划资助项目(2019BCH01001)．

田鑫明（1998—  ），男，硕士研究生，xmtian_ecust@163.com.

于广锁，男，博士，教授，gsyu@ecust.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R202106012

(责任编辑：隋韶颖)