二甲醚摻氫低壓層流預(yù)混火焰

陳朝陽，張春化，黃佐華，李玉陽

（1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029）

二甲醚摻氫低壓層流預(yù)混火焰

陳朝陽1，張春化1，黃佐華2，李玉陽3

（1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029）

利用同步輻射真空紫外光電離結(jié)合分子束取樣質(zhì)譜技術(shù)，研究了當(dāng)量比為1.5，燃料摻氫體積分?jǐn)?shù)為0%、40%和80%的二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣低壓層流預(yù)混火焰。測量了火焰溫度曲線和火焰物種的摩爾分?jǐn)?shù)分布曲線，分析了摻氫對火焰溫度、燃燒主要產(chǎn)物CO和CO2以及主要燃燒中間物CH2O、CH3、C2H2和C2H4的影響。研究結(jié)果表明：在低壓預(yù)混二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣火焰中，隨著摻氫比的增大，火焰溫度逐漸降低，火焰中CO、CO2、CH2O、CH3、C2H2和C2H4的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸減?。辉诤蠡鹧鎱^(qū)，CO與CO2的摩爾分?jǐn)?shù)比隨著摻氫比的增大而減小，說明摻氫有利于CO氧化成CO2，促進(jìn)二甲醚完全燃燒。

二甲醚；同步輻射；層流預(yù)混燃燒；氫氣；火焰結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著石油供給問題的日益緊張和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，清潔石油替代燃料成為內(nèi)燃機研究與發(fā)展中的熱點問題。其中，二甲醚（DME）和氫氣（H2）因其優(yōu)異的性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注，被視為目前最有發(fā)展?jié)摿Φ某鍧嵦娲剂稀１?中列出了二甲醚和氫氣與燃燒相關(guān)的幾個基本物理化學(xué)性質(zhì)。

表1 二甲醚和氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)比較

1 試驗

試驗在中國科技大學(xué)國家同步輻射實驗室燃燒與火焰實驗站完成。試驗裝置圖及其詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)［10］。本文研究中，摻氫比R（H2）定義為氫氣占整個混合燃料的體積分?jǐn)?shù)，即R（H2）＝V（H2）／［V（H2）＋V（DME）］。試驗中氣體總流量保持為3.000 mL／min，燃燒室壓力維持在4.0 kPa，試驗中各氣體流量見表2。

同步輻射試驗主要包括兩個方面的內(nèi)容：一是固定燃燒爐位置，鑒定火焰物種；二是掃描燃燒爐位置，探測火焰物種濃度的空間分布曲線。二甲醚／氧氣／氬氣火焰物種鑒定的試驗已在文獻(xiàn)［11］中做了報導(dǎo)，這里不再贅述，本文重點分析摻氫對二甲醚火焰的影響。

表2 試驗中各氣體流量mL／min

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 火焰溫度曲線

溫度對化學(xué)反應(yīng)過程以及火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懞艽?，因此火焰溫度是火焰結(jié)構(gòu)分析的重要組成部分。圖1給出了二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣混合氣火焰溫度分布曲線。由圖1可以看出：隨著摻氫比的增大，二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣混合氣的火焰溫度逐漸降低。文獻(xiàn)［12］在研究低壓預(yù)混甲烷／氫氣／氧氣／氮氣火焰時也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。該試驗中，保持總的混合氣流量和燃燒室壓力不變，由于氫氣的體積熱值要比二甲醚的低很多，因此，加入氫氣后，單位體積混合氣的總放熱量降低。另外，氫氣的燃燒速度比二甲醚的快，加入氫氣后提高了混合氣的燃燒速度，也增加了燃?xì)庀蛉紵隣t的放熱速度，使得燃燒放熱損失進(jìn)一步增大。這兩方面的因素都使得火焰溫度隨著摻氫系數(shù)的增大而逐漸降低。

圖1 火焰溫度隨火焰距離的變化曲線

2.2 火焰主要物種摩爾分?jǐn)?shù)曲線

圖2為DME／H2／O2／Ar火焰主要物種的摩爾分?jǐn)?shù)曲線。試驗中為了避免石英噴嘴與燃燒爐表面接觸而被損壞，采樣起點與燃燒爐表面有一定距離（試驗中為1 mm），因此，在采樣起點時燃料和氧氣已有部分消耗，也有一定量的H2、H2O、CO和CO2生成。由圖2可以看出：火焰中二甲醚和氧氣的濃度逐漸減小，說明他們逐漸被消耗掉；CO和H2的濃度先增大，后減小，說明CO和H2在反應(yīng)初期以生成反應(yīng)為主，隨著燃燒的進(jìn)行又逐漸被消耗掉。由于試驗所用燃料當(dāng)量比較大，火焰中CO和H2不能完全被氧化，在火焰后期仍有較多的CO和H2存在。

氬氣在火焰中作為稀釋氣體摻入，燃燒前后其絕對量不變?；鹧嬷袣鍤獾奈镔|(zhì)的量濃度的變化反映了燃燒過程中各物種總摩爾數(shù)的變化情況。在純的二甲醚火焰和摻氫40%的火焰中，氬氣的物質(zhì)的量濃度在主火焰區(qū)逐漸減小，在后火焰區(qū)內(nèi)緩慢增大。這是二甲醚在燃燒過程中分解氧化成許多小分子物種，使得火焰物種總的分子數(shù)增大，隨著燃燒的進(jìn)行，燃料分解成的小分子物質(zhì)又逐漸被氧化成CO2和H2O，又使總分子數(shù)逐漸減??；摻氫80%時，氬氣的摩爾分?jǐn)?shù)在主火焰區(qū)略微增大，在火焰后區(qū)達(dá)到穩(wěn)定值并基本保持不變。這是因為氫氣的氧化是總分子數(shù)減小的反應(yīng)，在摻氫比較大時，二甲醚的分解反應(yīng)與氫氣的氧化反應(yīng)共同作用，結(jié)果使得火焰物種總的分子數(shù)減小。

對比圖2a～圖2c可以看出：隨著摻氫比的增大，火焰主要產(chǎn)物中CO和CO2的濃度減小，H2和H2O的濃度增大，且在摻氫80%時變化更為明顯。這是因為混合氣摻氫后，火焰中二甲醚的濃度減小，可燃混合氣的C／H降低，因此含碳產(chǎn)物的濃度減小，H2和H2O的濃度增加。H2在火焰中既是中間產(chǎn)物，又是燃燒產(chǎn)物，燃料摻氫時，H2還是燃燒反應(yīng)物。然而，在分析3種配比的火焰中發(fā)現(xiàn)：在火焰發(fā)展前期，火焰中H2的濃度都呈增大的趨勢，待火焰中的二甲醚完全消耗完以后，H2的濃度逐漸下降之后又緩慢增大。這可能是由于二甲醚中CH鍵比氫分子中HH鍵鍵能小，二甲醚分子的脫氫反應(yīng)比氫分子的脫氫反應(yīng)容易進(jìn)行，反應(yīng)過程中會優(yōu)先氧化二甲醚，在火焰發(fā)展前期，火焰中H2的生成反應(yīng)較其消耗反應(yīng)占主導(dǎo)地位。

CO是發(fā)動機的有害排放物之一。二甲醚發(fā)動機的排放性能較其他常規(guī)燃料發(fā)動機有很大的改善，但CO仍有一定排放。圖2d是二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣火焰中不同摻氫比時CO和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)之比。從圖2d中可以看出：在后火焰區(qū)，隨著摻氫比的增大，CO與CO2的摩爾分?jǐn)?shù)比減小，這說明摻氫有利于將CO氧化成CO2。實際燃燒過程中，燃燒熱量主要是在CO氧化成CO2時放出的。摻氫后有利于CO氧化成CO2，說明摻氫更有利于促進(jìn)二甲醚完全燃燒，有利于提高二甲醚燃燒放熱率，提高燃燒的經(jīng)濟性，同時改善CO排放。

圖2 DME／H2／O2／Ar火焰主要物種摩爾分?jǐn)?shù)曲線

2.3 火焰主要中間物種摩爾分?jǐn)?shù)曲線

圖3給出的是不同摻氫比下二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣火焰主要中間物種的摩爾分?jǐn)?shù)曲線。試驗結(jié)果顯示：甲醛、甲烷和甲基是二甲醚火焰的主要C1中間物種，乙烯和乙炔是二甲醚火焰的主要C2中間物種。

火焰中二甲醚通過熱解反應(yīng)和脫氫反應(yīng)兩種方式消耗。其熱解反應(yīng)是由單分子反應(yīng)開始的，通過斷裂CO鍵，二甲醚熱解成CH3O和CH3，CH3O很容易失去一個H而生成CH2O［13］。二甲醚分子的脫氫反應(yīng)主要是由火焰中的自由基（包括OH、H、O、CH3、CH3O等）奪取二甲醚分子中的H，生成甲氧基甲基。甲氧基甲基不穩(wěn)定，它可以通過斷裂CO鍵生成甲醛和甲基。由此可見，在二甲醚氧化分解過程中，CH2O和CH3是重要的燃燒中間物，其在火焰中的濃度也相對較大。甲醛經(jīng)兩次脫氫反應(yīng)，逐步生成HCO和CO，CO則被火焰中的OH等氧化成CO2。

在富燃二甲醚火焰中，CH3主要通過二甲醚脫氫產(chǎn)物甲氧基甲基的裂解反應(yīng)生成。甲基比較活潑，在火焰中可以和更多的分子反應(yīng)。二甲醚火焰中的主要C2中間物種中的乙烯由甲基的復(fù)合反應(yīng)生成：兩個甲基復(fù)合生成乙基，乙基迅速被H或O2奪去一個H生成乙烯，乙烯進(jìn)一步脫去H就可以生成乙炔，從摩爾分?jǐn)?shù)曲線上來看，乙炔的摩爾分?jǐn)?shù)最大值位置居于乙烯的摩爾分?jǐn)?shù)最大值位置之后。這種差異可能是由于乙烯的CH鍵鍵能比乙基的CH鍵鍵能高，因而反應(yīng)速率較慢，而乙炔又比較穩(wěn)定，消耗也較慢，這種累積作用導(dǎo)致了乙炔極大值位置的滯后出現(xiàn)。由于甲基的復(fù)合反應(yīng)是二甲醚火焰中乙烯和乙炔生成反應(yīng)的先導(dǎo)反應(yīng)，火焰中乙烯和乙炔的產(chǎn)生與火焰中甲基的量有密切關(guān)系。

二甲醚摻氫后，由于部分二甲醚被氫氣取代，混合氣中二甲醚的物質(zhì)的量減少，含碳燃燒中間物甲醛和甲基的物質(zhì)的量也在減少；氫氣與氧氣的反應(yīng)使總的燃燒產(chǎn)物物質(zhì)的量減少，進(jìn)樣氣體的總物質(zhì)的量相同時，摻混氫氣的二甲醚／氧氣／氬氣混合氣燃燒時的生成物的總物質(zhì)的量小于二甲醚／氧氣／氬氣混合氣燃燒時的生成物的總物質(zhì)的量；此外，不同摻氫比也會影響二甲醚燃燒中間物的物質(zhì)的量。這3種因素的綜合影響決定了火焰中甲醛和甲基的摩爾分?jǐn)?shù)。

圖3 DME／H2／O2／Ar火焰主要中間物種摩爾分?jǐn)?shù)曲線

3 結(jié)論

（1）隨著摻氫比例的增大，二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣低壓預(yù)混火焰的火焰溫度逐漸降低。

（2）隨著摻氫比例的增大，二甲醚／氫氣／氧氣／氬氣低壓預(yù)混火焰中CO、CO2、CH2O、CH3、C2H2和C2H4的絕對濃度都會減小。

（3）在后火焰區(qū)，CO與CO2的摩爾分?jǐn)?shù)比隨著摻氫比的增大而減小，說明摻氫有利于CO氧化成CO2，有利于促進(jìn)二甲醚完全燃燒。

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TK16

A

1672－6871（2014）04－0022－04

陜西省自然科學(xué)基金項目（2012JQ7031）；長安大學(xué)中央高校專項基金項目（CHD2011JC148）

陳朝陽（1982－），女，陜西富平人，講師，博士，主要從事代用燃料燃燒特性方面的研究.

2013－09－14