不同初始條件下乙醇－空氣預混合氣層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)分析

張志遠，鄭建軍，黃佐華，馬向平，韓 樹

(1裝甲兵工程學院機械工程系，北京100072;2西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)

燃料乙醇可用剩余糧食、能源作物和秸稈等生物資源制成，屬于可再生燃料。乙醇又是含氧燃料，內(nèi)燃機燃用乙醇可以實現(xiàn)無煙排放，并能大幅度降低CO排放。因此，無論從降低對石油的依賴度還是從實現(xiàn)內(nèi)燃機的潔凈燃燒方面，乙醇都是有較好應用前景的內(nèi)燃機替代燃料。乙醇燃料可以采用摻燒方式100%替代汽油燃料，因此其作為內(nèi)燃機替代燃料的應用研究已開展得相當廣泛，并獲得了許多燃用乙醇或乙醇－汽油混合燃料的內(nèi)燃機性能和排放的研究成果。但對于乙醇和乙醇－汽油混合燃料燃燒特性的內(nèi)在機理認識還不清楚，有必要對內(nèi)燃機燃用乙醇燃料以及乙醇－汽油混合燃料燃燒方面開展系統(tǒng)深入的基礎研究和應用研究，為內(nèi)燃機技術的不斷發(fā)展提供理論和技術支撐［1］。

乙醇燃料的預混層流燃燒特性實驗研究和利用乙醇化學反應動力學機理的模擬計算是乙醇基礎燃燒研究的2個重要方面。在乙醇燃料預混層流燃燒特性研究方面，文獻［2－5］作者分別用不同的試驗方法對乙醇－空氣預混合氣的層流燃燒速度進行了測定，得出了相同的層流燃燒速度隨初始條件(初始壓力、初始溫度和氣體稀釋度)變化而變化的規(guī)律。為了對乙醇－空氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S初始條件變化的原因從火焰結(jié)構(gòu)上給予解釋，筆者利用Chemkin提供的火焰模擬類反應模型中的層流預混火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎隳Ｐ停瑢Σ煌跏紬l件下乙醇－空氣混合氣一維穩(wěn)態(tài)層流預混火焰進行模擬計算，給出一維層流自由傳播火焰中反應物、自由基、碳基中間產(chǎn)物和燃燒產(chǎn)物分布規(guī)律，分析火焰結(jié)構(gòu)中的物種分布特別是中間自由基的分布與層流燃燒速度的關系，嘗試從化學反應動力學角度解釋乙醇－空氣預混合氣層流燃燒速度隨初始壓力、初始溫度和稀釋度的變化規(guī)律。

1 擴展乙醇化學反應機理的驗證

在乙醇燃料的燃燒中，也按C/H/O化學反應產(chǎn)生火焰。燃料攻擊中涉及同碳氫燃料一樣的自由基(H、O、OH、HO2)。醇類火焰與一般碳氫燃料火焰的區(qū)別是初始攻擊時會產(chǎn)生更多的含氧基，而在通常的碳氫燃料燃燒中它們僅以微量出現(xiàn)。燃燒中間產(chǎn)物也是相似的，因為涉及同樣的元素，所以最終的絕熱產(chǎn)物也是一樣的。文獻中給出的乙醇化學反應機理有2個:一是N.M.Marinov給出的高溫條件下乙醇氧化的詳細化學動力學反應機理，其包含57個物種，383步反應［6］;二是 Priyank Saxena給出的一個新的乙醇擴展簡化機理，其包含53個物種和288步基元反應［7］。Marinov機理是一個詳細化學動力學機理，通過與實驗測定的層流燃燒速度和激波管測定的著火延遲期數(shù)據(jù)比較，證明了該機理的有效性。而且該機理的計算結(jié)果也與通過連續(xù)反應器和攪動床反應器測定的物種濃度數(shù)據(jù)進行了比較。但是Marinov機理不涉及NOx生成的化學反應動力學機理。本研究通過耦合Marinov機理和NO機理［8］，生成一個新的包含63個物種、392步反應的擴展乙醇化學動力學反應機理。

為驗證該擴展乙醇化學反應機理對于計算乙醇－空氣預混合氣燃燒過程的適應性，筆者首先利用Chemkin 4.0層流火焰速率計算模型和該擴展乙醇化學反應機理，計算了初始溫度Tu=423 K、初始壓力 Pu=0.1 MPa、當量比 φ =0.7 ～1.4 的乙醇 － 空氣預混合氣層流燃燒速率u1。圖1給出了乙醇－空氣預混合氣層流燃燒速率計算結(jié)果和文獻［5］中同樣初始條件下實驗結(jié)果的比較，可以看出:計算結(jié)果和實驗結(jié)果非常吻合，表明高溫下擴展乙醇化學動力學反應機理適用于計算本文實驗條件下的乙醇－空氣混合氣預混層流燃燒過程。

圖1 乙醇－空氣混合氣層流燃燒速度計算結(jié)果和實驗結(jié)果的比較

2 乙醇－空氣混合氣預混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)分析

筆者采用Chemkin 4.0層流火焰速率計算模型和Marinov擴展乙醇化學反應機理計算不同初始條件下的乙醇－空氣層流預混燃燒特性。圖2－4分別給出了不同初始壓力、不同初始溫度和不同氣體稀釋度下化學計量當量比一維層流自由傳播乙醇－空氣的火焰結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出:乙醇－空氣燃燒火焰的反應物(C2H5OH和O2)、燃燒產(chǎn)物(CO2、CO和 H2O)、活性基(H、OH、O、HO2和 H2O2)和碳基中間產(chǎn)物(CH3CHO、C2H4、CH2O、CH4、C2H6、CH3、HCCO和CH2CO)的濃度隨燃燒區(qū)與火焰面距離的變化曲線。乙醇－空氣火焰中主要反應物和燃燒產(chǎn)物的摩爾分數(shù)量級為10－2～10－1，火焰中自由基的最大摩爾分數(shù)量級為10－4～10－3，因此火焰中主要物種摩爾分數(shù)由反應物組分所決定，同時燃燒化學反應過程對其也有影響。從碳基中間產(chǎn)物的摩爾分布曲線可以看出:碳基中間產(chǎn)物最大摩爾分數(shù)量級為10－5～10－3?；鹧娼Y(jié)構(gòu)分析表明:在乙醇－空氣混合氣預混火焰中OH的摩爾分數(shù)在整個火焰反應區(qū)范圍內(nèi)最大，其次是H，然后是O，而HO2和H2O2基團的最大濃度值較小。在碳基中間產(chǎn)物中，乙醛CH3CHO是C2基與O2或其他活性組分次級反應的主要產(chǎn)物，其濃度最大。其次是乙烯C2H4，它不僅通過乙醇的直接裂解產(chǎn)生，還通過乙醇中氫原子抽離形成的CH2CH2OH的裂解產(chǎn)生，其摩爾濃度也較大。

2.1 不同初始壓力下乙醇－空氣一維層流自由傳播火焰結(jié)構(gòu)

圖2給出了初始溫度Tu=423 K、初始壓力Pu分別為0.1 MPa和0.5 MPa時化學計量當量比一維層流自由傳播乙醇－空氣的火焰結(jié)構(gòu)。可以看出:隨著初始壓力的增加，火焰反應區(qū)域變薄，反應物摩爾分數(shù)下降速度和生成物摩爾分數(shù)增加速度明顯加快?；钚曰?H、OH和O)濃度下降，其中以H基最為明顯。HO2和H2O2基團最大濃度的變化不明顯。在給定當量比條件下，層流燃燒速度隨初始壓力增加而降低［5］。初始壓力的增加導致H、OH和O基濃度下降是造成乙醇燃燒反應速率變慢的主要原因之一。碳基中間產(chǎn)物濃度最大值隨初始壓力的變化無明顯改變。

圖2 不同初始壓力下乙醇－空氣預混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)比較

2.2 不同初始溫度下乙醇－空氣一維層流自由傳播火焰結(jié)構(gòu)

圖3給出了初始壓力 Pu=0.1MPa、初始溫度Tu分別為373 K和423 K時化學計量當量比一維層流自由傳播乙醇－空氣的火焰結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?初始溫度的增加對反應物、燃燒產(chǎn)物以及碳基中間產(chǎn)物的濃度基本上無影響。隨著初始溫度的增加，濃度變化最明顯的是活性基H、OH和O，在整個燃燒反應區(qū)內(nèi)3種活性基濃度都有增加，這也是乙醇－空氣混合氣預混層流燃燒速率隨初始溫度增加而增加的主要原因之一。

2.3 不同氣體稀釋度下乙醇－空氣一維層流自由傳播火焰結(jié)構(gòu)

圖4給出了初始壓力Pu=0.1 MPa、初始溫度Tu=373 K、氮氣稀釋度φr分別為0%和15%時化學計量當量比一維層流自由傳播乙醇－空氣的火焰結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?由于氮氣的稀釋，反應物的濃度下降，燃燒產(chǎn)物的濃度變化不明顯。隨著氮氣的添加，碳基中間產(chǎn)物最大摩爾分數(shù)對應位置向火焰區(qū)下游移動。由于氮氣稀釋降低了火焰溫度，導致這些碳基中間產(chǎn)物的生成和消耗反應向溫度更高的下游位置移動。碳基中間產(chǎn)物中乙醛濃度最大，乙醛是乙醇燃燒中最主要的中間產(chǎn)物，其次是乙烯。所以乙醛的裂解和氧化機理是乙醇燃燒機理必須包含進來的重要一部分。氮氣稀釋氣的添加降低了乙醛的濃度，從而乙醛排放降低。另一方面，氮氣稀釋氣的添加直接導致活性基H、OH和O濃度在整個燃燒反應區(qū)內(nèi)明顯下降，這也是乙醇－空氣混合氣預混層流燃燒速率隨氮氣稀釋度增加而減小的主要原因之一。

圖3 不同初始溫度下乙醇－空氣預混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)比較

圖4 不同氣體稀釋度下乙醇－空氣預混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)比較

2.4 不同初始條件下乙醇－空氣預混層流燃燒NOx排放預測

擴展的乙醇－空氣化學反應機理增加了NO、NO2和N2O的反應機理，圖5給出了基于該機理計算的NO、NO2和N2O的濃度分布曲線?？梢钥闯?NO是NOx中的主要生成物，其濃度隨著火焰區(qū)溫度的升高而增加，最后在計算區(qū)域邊界達到最高濃度。相對而言，NO2和N2O濃度比NO濃度相差1～2個數(shù)量級，N2O濃度在火焰中心區(qū)達到最大濃度，N2O受溫度影響不大。具體分析初始壓力、初始溫度和氮氣稀釋度對NO生成的影響可以發(fā)現(xiàn):由于NOx的生成和N2、O2、H、O、OH 和 N 的濃度有很大關系，而這些物質(zhì)主要在高溫區(qū)生成;因而NOx的生成與火焰溫度直接相關。初始壓力增加，火焰燃燒溫度增加，NOx生成濃度增加。由于化學反應區(qū)域變薄，可以看出NO和N2O增加速度很快，其中NO最為顯著。初始溫度增加，NO濃度增加，N2O變化很小。氮氣添加到乙醇－空氣混合氣后，稀釋度增加，火焰溫度降低，NOx濃度降低。其中，NO大幅度下降，而N2O和NO2變化很小。

圖5 不同初始條件下乙醇－空氣火焰NOx濃度分布曲線

3 結(jié)論

筆者提出了一個擴展的乙醇化學反應機理并給予了驗證。利用此擴展機理進行模擬計算得到如下主要結(jié)論:主要自由基OH、H和O濃度隨初始壓力增加而減小;隨初始溫度增加而增加;隨氮氣稀釋度的增加而減小。自由基濃度隨初始條件的變化規(guī)律部分地解釋了試驗和計算得到的層流燃燒速度隨初始條件的變化規(guī)律。

筆者的研究表明，基于一個恰當機理的乙醇－空氣混合氣一維穩(wěn)態(tài)層流預混火焰模擬計算，一方面可以指導層流燃燒速度測定試驗的進行，另一方面從化學反應動力學角度解釋了乙醇－空氣預混合氣層流燃燒速度隨初始條件的變化規(guī)律。同樣的研究用于基于恰當簡化機理的高碳碳氫化合物也會對高碳碳氫化合物或高碳碳氫化合物和乙醇混合燃料預混層流燃燒的研究起到積極的指導作用。

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