CH4/CO2非預(yù)混射流火焰燃燒特性實驗研究

陳鈺方 ，張孝春，李 星 ，張 京，汪小憨，趙黛青

(1.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006；2.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；4.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640)

隨著工業(yè)的發(fā)展，化石燃料潛在的短缺危機日益凸顯，作為可再生替代燃料的沼氣資源具有很大的應(yīng)用前景[1-2].生物沼氣的主要成分是CH4，同時還摻雜大量不可燃氣體(CO2).國內(nèi)外學(xué)者研究了CO2摻混下的火焰?zhèn)鞑ニ俣萚3]、溫度[4]、最小點火能[5]、射流火焰穩(wěn)定性[6]等，結(jié)果表明CO2對火焰的燃燒特性有顯著影響.國內(nèi)學(xué)者對采用沼氣為燃料條件下燃燒動力裝置的工作特性進行了研究[7-8]，已經(jīng)在提高沼氣為燃料的發(fā)動機的運行效率、降低污染物排放等方面取得一定進展，然而含雜質(zhì)沼氣的相關(guān)研究還不夠充分.為了能夠更好地指導(dǎo)含雜質(zhì)生物沼氣在工業(yè)燃燒裝置中的應(yīng)用，提高能源利用率，繼續(xù)開展相關(guān)基礎(chǔ)研究，掌握其基礎(chǔ)燃燒特性，是十分必要的.

非預(yù)混射流火焰是工業(yè)燃燒裝置中廣泛采用的一種燃燒形式，推舉火焰是一種常見的火焰形態(tài)，它使火焰遠離噴嘴，保護噴嘴并延長其使用壽命[9].學(xué)者們通過擴散射流火焰的基礎(chǔ)研究來對湍流火焰的火焰形態(tài)、推舉和吹熄機制進行深入探討[10-12]，但由于湍流火焰中的流動、化學(xué)反應(yīng)等較層流火焰更為復(fù)雜，因此對于湍流火焰穩(wěn)定性分析理論并不統(tǒng)一[9].Vanquickenborne 等[13]提出的預(yù)混火焰模型和Broadwell 等[14]提出的大尺度火焰模型是兩種能夠有效預(yù)測火焰推舉和吹熄的模型.Kalghatgi[15]通過實驗測得較大雷諾數(shù)范圍、CH4等多種氣體燃料摻混空氣或CO2(稀釋濃度小于15%)射流火焰吹熄極限，并根據(jù)預(yù)混火焰模型獲得統(tǒng)一經(jīng)驗公式.Miake-Lye等[16]對Broadwell 等人的研究進行簡化，將湍流推舉火焰的穩(wěn)定由相鄰大尺度流場之間的拉伸率決定，該理論能夠用來分析CH4等氣體燃料的火焰推舉機制.研究表明，預(yù)混火焰模型和大尺度火焰模型均能用于分析射流火焰的推舉特性.

近年來高溫燃燒技術(shù)在節(jié)能方面的優(yōu)勢使其得到廣泛關(guān)注[17-18]，采用該燃燒技術(shù)可以將低熱值燃氣得到較好利用.Kim 等[19]和Choi 等[20]實驗研究了伴流空氣溫度從300 K 到900 K 的C3H8/N2和CH4/N2火焰的推舉高度和吹熄極限，結(jié)合預(yù)混火焰模型和大尺度火焰模型對實驗結(jié)果進行分析，給出了基于兩種模型建立起的無量綱公式.然而，以上對于火焰駐定機制的研究，燃料中摻混氣大多是N2，且在稀釋氣都是處于較低濃度的條件下進行的.目前，關(guān)于預(yù)混火焰模型和大尺度火焰模型在分析生物沼氣火焰在不同環(huán)境溫度下推舉特性的適用性尚不明確，對于生物沼氣火焰推舉高度也缺乏詳細分析.

本文對常溫和預(yù)熱伴流空氣下、較低燃料摩爾分數(shù)的CH4/CO2非預(yù)混射流火焰的燃燒特性進行了實驗研究.測量了CH4/CO2火焰的火焰高度、推舉高度，并與相同工況下CH4/N2非預(yù)混射流火焰結(jié)果進行對比.通過預(yù)混火焰模型對CH4/CO2火焰中CO2對火焰推舉特性的影響進行了分析.

1 實驗裝置及工況

1.1 實驗裝置系統(tǒng)

高溫伴流射流火焰實驗系統(tǒng)如圖1 所示，采用內(nèi)徑為2 mm，壁厚為0.5 mm 的不銹鋼圓管作為燃料噴管.燃料管長度選為55 cm，氣體燃料在燃料管中流動為充分發(fā)展流.燃料管外側(cè)布置水冷套管.空壓機壓縮提供的空氣先通過管式爐進行加熱(標定功率3 kW)，再利用陶瓷蜂窩蓄熱體(1 mm 方形小孔)進行整流獲得溫度、流速均勻的伴流.伴流通過了直徑為95 mm、長50 cm 的石英圓管玻璃罩.通過布置R型熱電偶檢測伴流溫度.通過質(zhì)量流量計(MKSGE50 系列)來控制各路氣體的流量，在實驗前所有質(zhì)量流量計均使用濕式流量計(Shinagawa，W-NK)標定.燃料和稀釋氣體流量計的最大量程分別為7 200 cm3/min 和5 000 cm3/min，空氣流量計的最大量程為150 L/min.CH4、CO2和N2的純度為99.999%.

圖1 高溫伴流射流火焰實驗裝置Fig.1 Schematic of high temperature co-flow jet flame burner

當燃料流速加到一定值時，火焰底部脫離管口仍在繼續(xù)燃燒，這種燃燒現(xiàn)象被稱為推舉現(xiàn)象，此時的燃料流速被稱為推舉臨界速度.實驗過程中采用單反相機(Nikon D-600)記錄下不同稀釋比的燃料流速逐漸增加的火焰形態(tài)，通過與照片中標尺的長度比較獲取不同流速下火焰高度及推舉高度.火焰高度及推舉高度的定義如圖1 所示.火焰較穩(wěn)定時每個流速取3 張照片的平均值，高流速下推舉火焰上下震蕩較為明顯，此時采用6 張照片取平均值的方法來降低震蕩影響.每組實驗重復(fù)3 次，確保所測火焰高度、推舉臨界速度、推舉高度、吹熄極限的重現(xiàn)性良好.

1.2 實驗工況設(shè)置

通過實驗對摻混氣分別為N2和CO2的CH4射流火焰燃燒特性進行了研究，燃料中CH4摩爾分數(shù)XF的范圍：0.65≤XF≤0.85.常溫條件下，伴流空氣的速度為0.35 m/s.由于伴流溫度升高，外部空氣的影響增強，一般通過增大伴流速度來降低外部空氣的影響[19].本文采用相似方法，將溫度600 K 時的伴流速度增至0.6 m/s，與高溫伴流氣體速度為0.35 m/s 時的實驗對比發(fā)現(xiàn)，增加伴流速度至0.6 m/s 會使火焰高度最大降低12 mm，推舉高度最大增加2.4 mm，兩種預(yù)熱伴流速度下得到的實驗結(jié)果相對誤差均小于10%.因此，可認為600 K 伴流氣體速度增至0.6 m/s在本實驗中帶來的影響可以忽略.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 火焰形態(tài)與火焰推舉

為了研究燃料中含有CO2對射流火焰燃燒特性的影響，首先從宏觀角度觀察燃料中摻混不同稀釋氣火焰形態(tài)的區(qū)別.圖2 為燃料流速靠近推舉臨界速度時，CH4/CO2與CH4/N2火焰的火焰形態(tài)圖片.其中，常溫伴流下兩種火焰燃料流速為6 m/s，預(yù)熱空氣伴流下燃料流速為16 m/s.可見CH4/CO2火焰相對較暗，兩種燃料摻混稀釋氣火焰未發(fā)生推舉時火焰高度沒有明顯差別.

圖2 燃料流速接近推舉臨界速度時的火焰形態(tài)(XF＝0.75)Fig.2 Form of flames at fuel velocities close to critical velocity of liftoff(XF＝0.75)

CH4/CO2與CH4/N2推舉火焰根部的形態(tài)照片如圖3 所示.其中，常溫伴流下兩種火焰燃料流速為8 m/s，預(yù)熱空氣伴流下燃料流速為18 m/s.由圖可見，燃料流速達到火焰推舉的臨界速度時，推舉火焰在較高環(huán)境溫度下 HL偏低；相同燃料流速下，CH4/CO2火焰推舉高度更高.

圖3 推舉火焰根部的形態(tài)(XF＝0.75)Fig.3 Form of the base of lifted flames(XF＝0.75)

2.2 不同燃料流速下火焰高度與推舉高度

圖4 常溫和預(yù)熱伴流下的火焰高度Fig.4 Flame heights with normal-temperature and preheated co-flows

圖4 給出了300 K 和600 K 伴流空氣下不同摩爾分數(shù)CH4/CO2和CH4/N2射流火焰的火焰高度.在層流火焰條件下，火焰高度與U0呈線性正相關(guān)，溫度和不同稀釋氣對火焰高度影響較小.當U0增大到一定量時，火焰高度達到峰值；之后繼續(xù)增加U0，火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧?，火焰高度基本不?燃料中CH4摩爾分數(shù)越高，其湍流火焰高度越高；相同燃料摩爾分數(shù)下，CH4/N2湍流火焰的火焰高度高于CH4/CO2火焰.圖中“+”和“×”分別表示 CH4/CO2和CH4/N2火焰熄滅的臨界速度，由于燃料的流量計最大量程的限制，本實驗未測得600 K 伴流空氣下XF為0.8 和0.85 時CH4/N2火焰的熄滅極限.

Hottel 等[21]指出隨著U0不斷增加，火焰高度驟降，此時火焰完成由層流到湍流的轉(zhuǎn)變過程.在本研究中，所有火焰形成湍流火焰均已發(fā)生推舉.由圖2看出，CH4/CO2火焰中XF≤0.75 時，常溫和預(yù)熱伴流條件下火焰未發(fā)生推舉已經(jīng)熄滅.為了進一步對比分析兩種火焰在湍流狀態(tài)下火焰推舉特性，本研究選用CH4摩爾分數(shù)0.75、0.80 和0.85 作為研究目標.

火焰在300 K 和600 K 伴流空氣氛圍中推舉高度如圖5 所示，其中“☆”表示火焰發(fā)生推舉的臨界速度.火焰處于預(yù)熱伴流空氣的環(huán)境中，更高的射流速度才能使火焰推舉.與文獻[6]對比發(fā)現(xiàn)，在本實驗中加入伴流對火焰推舉的臨界速度影響不大.稀釋劑種類和伴流溫度確定時，相同流速下稀釋氣體摩爾分數(shù)每增加0.05，火焰推舉高度增加約3 mm；伴流氣體溫度為300 K 和600 K 時，相同甲烷濃度的燃料流速下兩種火焰最大推舉高度差分別為14.7 mm 和7.8 mm.

圖5 常溫和預(yù)熱伴流下火焰的推舉高度Fig.5 Flame liftoff heights with normal-temperature and preheated co-flows

通過以上實驗結(jié)果可見，不同稀釋氣含量的火焰發(fā)生推舉的臨界速度相差不大，但CH4/CO2火焰推舉高度較高且更易吹熄.下面采用預(yù)混火焰模型分析兩種火焰推舉高度的變化.

2.3 火焰推舉高度理論分析

通過前人利用預(yù)混火焰模型和大尺度火焰模型對非預(yù)混射流火焰推舉高度進行的擬合分析看出，使用這些模型得到的推舉高度與射流流速之間的關(guān)系可簡化湍流燃燒問題，可以對火焰的推舉特性有更深刻的理解，以便發(fā)現(xiàn)不同工況的共性規(guī)律[15-16,19-20].

預(yù)混火焰模型假設(shè)射流燃料由噴嘴到達到底部火焰面時已與周圍氧化劑充分混合，此時推舉火焰的推舉高度取決于火焰底部局部流動速度與局部最大湍流速度的平衡位置.因此，推舉火焰的穩(wěn)定取決于局部平均射流速度與湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁欠衿胶猓畲笸牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扔扇剂吓c氧化劑當量混合后的層流火焰速度的最大值決定.

本研究采用CHEMKIN-PRO 中的1 D-Premixed模型及詳細機理GRI-Mech 3.0[22]來計算相關(guān)研究表明采用該機理得到的計算結(jié)果可以和實驗結(jié)果較好吻合[3].通過光學(xué)薄模型(optically thin model)[23]考慮輻射性氣體對最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?表1 給出了計算出的與燃料熱物性參數(shù)，可以看出與相差極小，此后的分析采用作為層流火焰速度.

在射流火焰推舉高度預(yù)混火焰模型中，湍流火焰速度受常溫下燃料運動黏性系數(shù)νF,0和燃料與空氣密度比影響.當湍流火焰速度與局部射流速度平衡時，可用與Rex相關(guān)的函數(shù)來表示，Rex是與軸向火焰高度相關(guān)的雷諾數(shù)，取決于和該理論得到的無量綱火焰推舉高度與燃料速度如式(1)所示：

采用關(guān)于推舉高度的預(yù)混火焰理論模型得到的不同燃料摩爾分數(shù)的火焰無量綱推舉高度與無量綱射流速度呈線性關(guān)系，如圖6(a)、(b)所示，兩種火焰的線性擬合表達式如式(2)和(3)所示：

其中下標1、2 分別表示CH4/N2和CH4/CO2火焰，兩條擬合線的確定系數(shù)R2均為0.99.

表1 不同溫度下不同燃料混合氣密度、黏度及層流火焰速度Tab.1 Mixed gas density，kinematic viscosity，and laminar flame velocity with different fuels and at different initial temperatures

圖6 基于預(yù)混火焰模型得出不同火焰的無量綱推舉高度和射流速度的線性擬合Fig.6 Linear fitting of dimensionless liftoff height and dimensionless jet velocity based on the premixed flame model

相關(guān)學(xué)者采用預(yù)混火焰模型給出了不同溫度伴流空氣下XF為1.0、0.9 和0.8 的CH4/N2火焰推舉高度擬合公式，3 種燃料濃度的工況擬合線斜率分別為53、58 和66[20].通過本研究可見，較低燃料濃度下(0.75≤XF≤0.85)使用預(yù)混火焰模型理論能將燃料速度和推舉高度關(guān)聯(lián)起來.圖6 中虛線表示Choi 得到的 XF為 0.9 時 CH4/N2火焰推舉高度擬合線及Kalghatgi 在開放空間得到的 CH4/CO2火焰擬合線.與Choi 直線比較可以看出燃料中摻混更多稀釋氣會使擬合線的斜率上升；摻混CO2所得擬合線斜率較小.CH4/CO2火焰擬合線與Kalghatgi 線的差異主要歸因于本實驗加入熱伴流空氣，增加促進斜率增加.

使用大尺度火焰模型對火焰推舉高度研究的結(jié)果未在本文中展示.因為與Chung 等人的研究結(jié)果相近，采用燃燒氣體溫度(Tb)的擴散系數(shù)對火焰推舉高度進行無量綱化并與無量綱燃料流速進行擬合，得到兩種溫度伴流空氣下擬合線斜率相差很大；使用未燃氣體當量混合的擴散系數(shù)將推舉高度無量綱化，可以得到不同溫度伴流氣體的兩參數(shù)的無量綱數(shù)的擬合函數(shù)[19-20].這說明在高溫伴流的氣氛中，大尺度火焰模型不適用于預(yù)測火焰推舉高度，未燃氣體的擴散、混合對于預(yù)測火焰推舉高度更為重要.

從以上分析可以看出，預(yù)混火焰模型可以將本研究獲得的火焰無量綱推舉高度及無量綱射流速度統(tǒng)一起來，這說明了該理論在本研究中的適用性.為闡明CO2稀釋燃料對推舉高度的影響，本研究將預(yù)混火焰模型中預(yù)測CH4/CO2火焰無量綱推舉高度的參數(shù)逐個替換成對應(yīng)CH4/N2火焰中的參數(shù)，擬合獲得直線斜率C1，通過與初始斜率C0對比來表征不同參數(shù)對于火焰推舉高度的重要性.定義參數(shù)影響系數(shù)為(C1-C0)/C0.其中，系數(shù)為正表示CH4/CO2火焰中的對應(yīng)參數(shù)促進火焰推舉高度增加，反之起抑制作用.

圖7 為不同參數(shù)對于CH4/CO2火焰的推舉特性影響程度.可見，的影響系數(shù)最大，νF,0的影響系數(shù)相對較小.其中由于摻混氣體本身的性質(zhì)決定Amielh 等使用激光對流場中速度的測量表明，對射流速度的發(fā)展及處于漸進狀態(tài)下軸向中心線上平均速度影響很大[24].從表1 看出，CO2具有較大密度，因此CH4/CO2與空氣混合速度比CH4/N2慢，稀釋氣體所占摩爾分數(shù)越大，燃料的密度越大，這樣會阻礙湍流強度的發(fā)展，進而使燃料與氧化劑的等濃度線出現(xiàn)在距離噴嘴更高的位置.預(yù)混火焰模型中認為HL越大推舉火焰底部預(yù)混火焰面的更容易與局部射流速度平衡[15].CO2的化學(xué)特性較N2活潑，通過促進CO2+H＝CO+OH 來抑制CH4火焰支鏈反應(yīng)重要的基元反應(yīng)H+O2＝OH+O 的進行，進而降低火焰中活潑自由基的濃度，減小層流火焰速度[3].通過以上分析可見，CH4/CO2火焰中較小的使火焰更難達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此通過推舉高度增加來維持火焰穩(wěn)定.當射流速度足夠大時，最大湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔荒芘c局部平均射流速度平衡，火焰熄滅的影響系數(shù)略小于的影響系數(shù)說明射流發(fā)展混合階段對于推舉火焰的推舉特性影響更大，當量混合等濃度線的出現(xiàn)及隨燃料流速的增加而向上移動距離均受射流發(fā)展混合階段的影響.

圖7 CH4/CO2火焰中不同參數(shù)對于火焰推舉高度的影響Fig.7 Effects of different parameters of CH4/CO2flame on flame liftoff height

結(jié)合以上分析可知，CH4/CO2火焰推舉高度主要是燃料以及火焰上游氣體的混合特性(主要是稀釋氣的物化特性)決定，影響混合特性的關(guān)鍵參數(shù)對于預(yù)測火焰推舉高度的無量綱參數(shù)起重要作用，也會對預(yù)測直線的斜率造成影響.

3 結(jié)論

對常溫和預(yù)熱空氣伴流條件下不同燃料濃度CH4/CO2非預(yù)混射流火焰的火焰高度、推舉高度進行了實驗研究，并與CH4/N2火焰進行了對比，得到以下結(jié)論.

(1) 火焰未發(fā)生推舉時，兩種火焰高度相差不大.形成推舉湍流火焰后，相同條件下CH4/CO2火焰的火焰高度比CH4/N2火焰的低.

(2) 兩種火焰發(fā)生推舉的轉(zhuǎn)捩速度隨伴流溫度升高而增加.伴流溫度升高，火焰推舉高度降低.相同流速下，同種火焰燃料中稀釋氣體摩爾分數(shù)每增加0.05，火焰推舉高度增加約3 mm.

(3) 采用預(yù)混火焰理論模型能夠?qū)H4/CO2火焰無量綱推舉高度與無量綱燃料流速線性擬合.無量綱推舉高度與無量綱燃料流速擬合線的斜率受稀釋氣體種類及濃度的控制.由于CO2稀釋燃料相較N2稀釋燃料具有更大的密度及較低的層流火焰速度，這導(dǎo)致CH4/CO2火焰推舉高度增加來維持火焰穩(wěn)定燃燒.