多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及特性

潘月琴　孫凱文

多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及特性

潘月琴1孫凱文2

1上海市虹口區(qū)業(yè)余大學(xué) （上海200080） 2華東理工大學(xué) （上海200237）

摘要在分析多重射流燃燒特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了預(yù)混合多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器，研究了其結(jié)構(gòu)及燃燒特性。采用燃燒后熱流體的空白模擬實(shí)驗(yàn)考察了多重射流氫氧焰反應(yīng)器的火焰形式，定性分析了反應(yīng)區(qū)的溫度場和濃度場，利用經(jīng)驗(yàn)公式對多重射流的空氣動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了分析和模擬計(jì)算，從理論上說明預(yù)混合火焰可以提供較為均勻的溫度場和濃度場。

關(guān)鍵詞多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器納米粒子

反應(yīng)器是氣相燃燒合成納米材料的核心設(shè)備，而氫氧焰燃燒是氧化物納米顆粒材料產(chǎn)業(yè)化制備最具應(yīng)用前景的方法之一。氫氣與空氣的混合氣體在該反應(yīng)器內(nèi)燃燒，為制備納米氧化物提供必需的反應(yīng)組分（水蒸氣）和反應(yīng)所需高溫條件；納米氧化物顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅取決于化學(xué)反應(yīng)和顆粒成核生長動(dòng)力學(xué)，還受制于燃燒火焰的結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)混合、熱質(zhì)傳遞等多種工程因素。這些過程相互關(guān)聯(lián)、互相影響，使燃燒反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜。1973年，F(xiàn)ormenti等[1]開發(fā)了擴(kuò)散火焰反應(yīng)器，利用氫氧焰燃燒合成了Al2O3，TiO2，ZrO2，GeO2等納米粉體。1982年，Ulrich等[2]利用H2在空氣中燃燒，借助于湍動(dòng)射流燒嘴和蜂窩式平板式火焰燒嘴反應(yīng)器，合成了納米SiO2粒子。1994年，Araki，F(xiàn)otou，Pratsinis，Katz等[3]針對納米顆粒的氣相燃燒合成反應(yīng)器開展了大量研究，包括氫氧焰反應(yīng)器燃燒火焰的形態(tài)、反應(yīng)器對納米顆粒形態(tài)的控制等。Breiner和Duan等[4-5]分別將空氣、H2和SiCl4蒸汽的混合氣體以自由射流形式從燒嘴高速噴出并點(diǎn)燃，形成自由射流火焰反應(yīng)器。

本文針對現(xiàn)有燃燒反應(yīng)器內(nèi)部火焰的溫度和濃度梯度較大，容易造成顆粒材料形態(tài)控制困難等缺陷，從多重射流燃燒原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了預(yù)混合多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器。采用燃燒后熱流體的空白模擬（空模）實(shí)驗(yàn)研究了多重射流的燃燒特征，對反應(yīng)區(qū)溫度場和濃度場進(jìn)行了定量分析，并利用經(jīng)驗(yàn)公式對多重射流的空氣動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了分析和模擬計(jì)算。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

在納米顆粒的制備過程中，均勻的溫度場、濃度場及良好的停留時(shí)間分布對于控制顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)極其重要。但是，在氣體的自由射流燃燒過程中，燃燒區(qū)域的溫度和濃度均存在很大差異，因而在設(shè)計(jì)燃燒反應(yīng)器時(shí)應(yīng)保證反應(yīng)區(qū)域的溫度和濃度一致，并且保證氣體速度相同。為了實(shí)現(xiàn)該目的，應(yīng)盡量擴(kuò)大射流的勢流核心區(qū)域，并使化學(xué)反應(yīng)及顆粒的成核生長在該區(qū)域完成。為解決預(yù)混合火焰的燃燒穩(wěn)定性問題，并進(jìn)一步提高反應(yīng)區(qū)的溫度場、濃度場和停留時(shí)間的均勻性，根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]報(bào)道的同軸多重射流的氣體動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了多重射流燃燒反應(yīng)器，通過環(huán)形輔助火焰和環(huán)形氣流的保護(hù)，有效地減少了單一自由射流的卷吸，擴(kuò)大了勢流核心區(qū)的范圍。預(yù)混合多重射流燃燒反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，反應(yīng)器由多重射流燒嘴、燃燒室和預(yù)混器等構(gòu)成，多重射流燒嘴由中心反應(yīng)管、輔助環(huán)（二環(huán)）、三環(huán)、補(bǔ)充環(huán)（四環(huán)）等部分構(gòu)成。空氣、H2和汽化的反應(yīng)物料（以TiCl4為例）按一定的配比在混合器中充分混合，然后以高氣速射流進(jìn)入反應(yīng)器噴嘴的中心管進(jìn)行燃燒反應(yīng)；另一路空氣和H2混合后以稍低于中心管的氣速從輔助環(huán)射流而出進(jìn)行輔助燃燒，以擴(kuò)大勢流核心區(qū)的范圍并保證燃燒的穩(wěn)定性；三環(huán)和補(bǔ)充環(huán)兩路射流空氣以更低的氣速對燃燒反應(yīng)區(qū)進(jìn)行“保護(hù)”，可以進(jìn)一步提高反應(yīng)區(qū)溫度場、濃度場和停留時(shí)間的均勻性，從而可以在燃燒室中生成晶形、粒度、形貌等分布均勻的納米顆粒。

圖1　多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2空模實(shí)驗(yàn)

本文采用空模實(shí)驗(yàn)研究預(yù)混合多重射流氫氧焰的燃燒特征，即在沒有反應(yīng)物料的情況下，將空氣、H2等按照反應(yīng)的比例通入各環(huán)進(jìn)行燃燒，以確定物料在火焰中的溫度場和停留時(shí)間分布。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1　空模實(shí)驗(yàn)條件m3/h

1.3多重射流燒嘴的模擬計(jì)算

對于自由射流火焰，其勢流核心區(qū)的最大長度可由經(jīng)驗(yàn)公式[4]估算：

其中，R0為燒嘴的出口半徑，m；a為湍流強(qiáng)度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。軸心速度衰減可由式（2）估算：

其中，um為軸線上距燒嘴出口距離為x時(shí)的最大速度，m/s；u0為燒嘴出口的初始速度，m/s。對于同軸多重射流火焰，軸心速度衰減的近似計(jì)算公式為：

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1多重射火焰特征

圖2為不同條件下多重射流氫氧焰的燃燒特征，A為擴(kuò)散火焰，二環(huán)只進(jìn)H2，其他各環(huán)進(jìn)空氣，燃燒火焰發(fā)散且火焰內(nèi)的溫度層次分明，可見溫度場是不均勻的;B～E是不同條件下的預(yù)混火焰，可以看到經(jīng)過預(yù)混合的多重射流氫氧焰分布均勻穩(wěn)定，火焰核心區(qū)內(nèi)的溫度場也基本均勻，如果物料經(jīng)過預(yù)混合且能保持穩(wěn)定的氣體速度，則氫氧焰可以獲得良好的濃度、溫度和停留時(shí)間分布。

圖2　不同條件下的火焰形式

在其他各環(huán)通氣量不變的情況下，當(dāng)中心管H2的流量由1.14 m3/h降到0.57 m3/h（圖2中B～E），時(shí)，火焰亮度的不同說明火焰中存在不同的溫度場分布。當(dāng)中心管的氣體速率由100 m/s降到60 m/s時(shí)，火焰長度發(fā)生改變，表明反應(yīng)物料在火焰中的停留時(shí)間分布發(fā)生了變化。因此通過控制燃燒條件可以很容易地控制化學(xué)反應(yīng)和納米顆粒生成的溫度場和停留時(shí)間分布，進(jìn)而得到不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)的納米材料。

2.2勢流核心區(qū)長度

勢流核心區(qū)的最大長度直接關(guān)系到中心反應(yīng)管氣流在勢流核心區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，可以定量地反映出反應(yīng)區(qū)溫度和濃度的均勻程度。在勢流核心區(qū)內(nèi)，較為均勻的溫度和濃度有利于形成粒徑均一的納米顆粒。勢流核心區(qū)的最大長度受射流燒嘴的幾何尺寸、湍動(dòng)強(qiáng)度、射流速度等因素的影響。Beer等[7]用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a來綜合表征這些因素的影響。當(dāng)射流速度和湍動(dòng)強(qiáng)度增大時(shí)，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a隨之增大。本研究選取0.005，0.010，0.015 m三種出口直徑，在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a在0.025～0.050之間變化時(shí)，考察其對不同出口直徑（d）下勢流核心區(qū)最大長度的影響規(guī)律，研究結(jié)果如圖3所示。在a增大的過程中，勢流核心區(qū)的最大長度呈現(xiàn)減小的趨勢；射流燒嘴的出口直徑從0.005 m增大到0.015 m時(shí)，勢流核心區(qū)的最大長度由0.12 m增大到0.32 m。在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)增大的過程中，由于射流速度和湍動(dòng)強(qiáng)度增大，對外界氣流的卷吸增大，所以勢流核心區(qū)的長度較小。在預(yù)混合多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器中，由于采用預(yù)混合火焰，為了防止回火現(xiàn)象的發(fā)生，須采用較高的操作氣速，湍動(dòng)強(qiáng)度可達(dá)105，所以a在0.04～0.05之間比較符合本實(shí)驗(yàn)的操作條件。實(shí)際的勢流核心區(qū)長度約為0.075～0.20 m,這與火焰勢流核心區(qū)的試測長度基本一致。

2.3勢流核心區(qū)內(nèi)停留時(shí)間分布

由于氫氧燃燒、反應(yīng)、成核生長都是極快速的過程，反應(yīng)氣體在高溫區(qū)停留時(shí)間的微小變化就可能對納米顆粒形態(tài)產(chǎn)生很大影響。在0.005，0.010和0.015 m三種出口直徑條件下考察經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a對勢流核心區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間分布的影響，結(jié)果如圖4所示。單一自由射流（d=0.005 m）的勢流核心區(qū)很短，在較高的湍動(dòng)強(qiáng)度時(shí)（a=0.04）反應(yīng)氣流的停留時(shí)間僅為1.0 ms。而同軸多重射流（d=0.015 m）在同樣的湍動(dòng)強(qiáng)度下，可以使停留時(shí)間增大至3.0 ms，這對納米顆粒的均勻性是十分重要的。

圖3　勢流核心區(qū)最大長度與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a之間的關(guān)系

圖4　勢流核心區(qū)內(nèi)停留時(shí)間與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a的關(guān)系

2.4軸心速度衰減規(guī)律

射流軸心的速度衰減表征了射流保持原流動(dòng)狀態(tài)的能力，較小的速度衰減意味著較小的外界影響，有利于保持射流自身均勻的濃度場和溫度場。軸心速度衰減受中心反應(yīng)管的射流速度、出口直徑、輔助環(huán)的出口直徑及與燒嘴出口處的軸心距離的影響。本實(shí)驗(yàn)考察了中心反應(yīng)管出口直徑d01=0.005 m、射流速度u01=80 m/s；輔助環(huán)出口直徑d02=0.010，0.015 m，射流速度u02=80 m/s時(shí)中心射流的速度衰減情況，如圖5所示，可以看出，在沒有輔助射流時(shí)，隨著距燒嘴出口的軸心距離的增大，軸心射流速度急劇減小，在距出口處20d0處，速度衰減至出口處速度的0.188倍，在40d0處速度衰減為出口氣速的0.097倍。在此情況下，已經(jīng)完全失去了射流出口的流動(dòng)特性，無法提供反應(yīng)所需的均勻的溫度場和濃度場。在有輔助射流存在的情況下，中心射流速度衰減可以大幅度地減小。輔助環(huán)出口直徑越大，對中心射流的“保護(hù)”作用越強(qiáng)，在輔助環(huán)出口直徑為0.015 m時(shí)，20d0處速度衰減為出口氣速的0.844倍，40d0處速度為出口氣速的0.367倍。此時(shí)，基本可以保證物料的水解、納米顆粒的成核生長均在受外界影響較小的勢流核心區(qū)內(nèi)進(jìn)行。

圖5　射流的軸心速度衰減與輔助環(huán)出口直徑的關(guān)系

3　結(jié)論

（1）在分析多重射流燃燒特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工了預(yù)混合多重射流氫氧焰燃燒反應(yīng)器，該燃燒反應(yīng)器可以提供良好的溫度和濃度場分布。

（2）利用經(jīng)驗(yàn)公式研究了多重射流空氣動(dòng)力學(xué)特征，采用多重射流燃燒可以增大勢流核心區(qū)，對提高納米顆粒的均勻性具有重要意義。

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中圖分類號TQ052.7

收稿日期：2015年7月

第一作者簡介：潘月琴女1961年生本科講師現(xiàn)從事納米材料的制備與應(yīng)用研究工作

The Structure and Characteristics of Multi-jet H2/Air Flame Combustor

Pan Yueqin Sun Kaiwen

Abstract:Based on the analysis of the characteristics of the multi-jet flame,the premixed multi-jet H2/air flame combustor is first designed,and its structure and combustion characteristics are studied then.The flame forms of this multi-jet H2/air flame combustor are detected via the simulation experiment without materials while the temperature and concentration fields are qualitatively analyzed,the aerodynamic features are simulated and calculated by utilizing the empirical formulas.Eventually,it has been theoretically proven that the uniform temperature and concentration fields can be obtained from the premixed flame.

Key words:Multi-jet;H2/air flame;Combustor;Nanoparticle