等離子體對CH4-空氣著火特性的影響因素分析

王美琪，陳 雷，曾 文，裴 歡，劉 宇，楊 昆

(沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源的需求和污染物的排放問題成為人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的兩大難題[1]。天然氣由于其環(huán)保、儲量大等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。但天然氣主要成分甲烷的C-H鍵斷裂過程需要較高能量,這會導(dǎo)致點火可靠性差等問題[2]。為了找到解決辦法，國內(nèi)外許多學(xué)者對甲烷的燃燒特性進(jìn)行了研究[3，4]。其中，等離子體由于包含大量非束縛態(tài)帶電粒子，可以加速燃料的點火，引起了研究人員的極大關(guān)注[5，6]。

胡宏斌[7]進(jìn)行了等離子體輔助甲烷燃燒的實驗研究。結(jié)果表明，等離子體輔助低熱量氣體燃料的燃燒性能得到了顯著改善，具體表現(xiàn)為提高點火可靠性、擴(kuò)大稀薄燃燒極限和提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?。張浩[8]采用有限元分析方法求解了一維等離子體助燃模型，研究結(jié)果表明：電離產(chǎn)生的等離子體增加了O的來源途徑，提高了O的生成速率，使著火延遲時間縮短。可以看出，在等離子體輔助甲烷燃燒領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。但是，由于等離子體化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性以及電離產(chǎn)生活性粒子的多樣性[9-10]，目前對等離子體的研究仍局限于理論和基礎(chǔ)實驗，從微觀和機(jī)理的角度研究成果頗為少見。因此，有必要研究等離子體輔助燃燒的燃燒機(jī)理，并探索在輔助甲烷燃燒中起主要作用的關(guān)鍵活性顆粒的類型。

1 研究方法

1.1 構(gòu)建機(jī)理

等離子體輔助CH4/空氣化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理分為兩部分，放電階段和點火階段[11]。放電階段是能量轉(zhuǎn)移和中性粒子活化的過程。經(jīng)過粒子激發(fā)、離解、電離、電荷交換、激發(fā)粒子淬滅、電子離子重組等一系列反應(yīng)，最終產(chǎn)生了大量的活性粒子[12]。在點火階段，將放電階段產(chǎn)生的活性粒子作為初始成分添加到CH4/空氣混合物中，模擬等離子體增強(qiáng)甲烷點火的整個過程。本文在GRI 3.0的基礎(chǔ)上添加O3的相關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式，形成等離子體激勵甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理，著重研究了O3粒子對反應(yīng)的刺激作用。表1為O3相關(guān)的部分化學(xué)反應(yīng)方程式。

表1 O3相關(guān)化學(xué)反應(yīng)

1.2 著火延遲時間

著火延遲時間是可燃物已達(dá)到著火條件時，由初始狀態(tài)到躍變狀態(tài)所需要的時間[13]。開展等離子體增強(qiáng)甲烷點火的著火延遲時間的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)分析，能夠?qū)μ岣甙l(fā)動機(jī)熱效率和減少污染排放的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)[14]，并對理解等離子體增強(qiáng)甲烷的著火特性、燃燒機(jī)理、污染物生成和構(gòu)建合理的燃燒反應(yīng)模型提供理論數(shù)據(jù)支撐。設(shè)定著火時間有多種方法，可以選擇溫度、壓力和自由基發(fā)射光譜強(qiáng)度的變化來設(shè)定著火延遲時間[15]。本文選擇反應(yīng)開始時刻到OH自由基生成速率最快的時刻之間的時間間隔作為著火延遲時間。

2 計算結(jié)果

在起始溫度T為1 200 K、起始壓強(qiáng)P為1atm、不考慮能量損失和周圍活性顆粒擴(kuò)散的情況下，分別計算正常燃燒和等離子體助燃條件下，不同當(dāng)量比(Φ=0.8、1.0、1.2)、不同壓力(p=1、5、10 bar)的著火延遲時間隨溫度的變化情況；并計算了不同當(dāng)量比燃燒的溫度變化以及燃燒產(chǎn)物的摩爾濃度隨時間的變化。

2.1 不同溫度對著火延遲時間的影響

圖1為初始溫度對著火延遲時間的影響。從圖1中可以明顯看出，GRI 3.0機(jī)理和加入0.5%O3的等離子體助燃機(jī)理隨著初始溫度的升高，著火延遲時間明顯減小。這是因為當(dāng)溫度升高時，燃料分子能量增加，反應(yīng)中的活性粒子數(shù)量增多，極大提升了反應(yīng)速率，因此縮短了著火延遲時間。在反應(yīng)中加入0.5% O3后，著火延遲時間比正常燃燒的著火延遲時間縮短了很多。在1 600 K時，加入0.5%O3的著火延遲時間大約為4.8×10-4s，甲烷自點火的著火延遲時間大約為1.88×10-3s。

2.2 摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化

圖2為燃燒反應(yīng)過程中的主要反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的演化過程。如圖2a、圖2b所示，CH4在開始時緩慢消耗，反應(yīng)速率較慢，在著火時刻反應(yīng)速率迅速增大，CH4迅速被消耗，直至摩爾分?jǐn)?shù)變?yōu)?。如圖2c、圖2d所示，圖2c OH的摩爾分?jǐn)?shù)剩余量約為0.015,反應(yīng)過程中OH的最大摩爾分?jǐn)?shù)為0.139。圖2d OH的摩爾分?jǐn)?shù)剩余量約為0.017,反應(yīng)過程中OH的最大摩爾分?jǐn)?shù)為0.144。加入O3后生成OH的時間縮短，同時促進(jìn)了OH消耗，因此縮短了著火延遲時間。

圖1 著火延遲時間隨溫度的變化

2.3 不同當(dāng)量比對著火延遲時間的影響

圖3顯示了當(dāng)量比分別為0.8、1.0、1.2時著火延遲時間隨初始溫度的變化趨勢。在不同的溫度下，CH4/空氣/O3混合氣的著火延遲時間隨著當(dāng)量比的變化而變化明顯，著火溫度與著火延遲時間呈線性關(guān)系。在相同的初始溫度下，隨著混合氣當(dāng)量比的增加，混合氣從富氧混合氣達(dá)到化學(xué)恰當(dāng)比，再到貧氧混合氣，混合氣的著火延遲時間呈增加趨勢。

從圖4中可以看出，燃料燃燒的溫度上限在當(dāng)量比為1.0時最大，其次是濃混合氣，稀混合氣的燃燒最高溫度最小。當(dāng)量比為1.0時，溫度升高速率最大。這是由于濃混合氣活性分子數(shù)量多，反應(yīng)速度加快，但隨著燃燒的進(jìn)行，氧分子被消耗，使最終的放熱量減少，燃燒最高溫度降低。稀混合氣則是由于缺少燃料，最終的放熱率減少，燃燒最高溫度低。在理論空燃比附近，燃料分子和氧分子的燃燒最為充分，放出的總熱量最多，燃燒最高溫度最大。

圖3 當(dāng)量比對著火延遲時間的影響

圖4 當(dāng)量比對溫度上限的影響

2.4 溫度敏感性分析

為了更好地理解加入O3對甲烷點火的影響，選擇了14個對甲烷著火延遲時間有重要影響的化學(xué)反應(yīng)。在初始溫度1400K，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和加入0.5%O3的條件下，進(jìn)行了自點火的敏感性分析。結(jié)果如圖5所示，加入0.5%O3后，各反應(yīng)式對著火延遲時間的影響明顯增強(qiáng)，可以看出R38、R119和R156的敏感性系數(shù)非常高且大于0。這3個反應(yīng)是產(chǎn)生OH自由基的主要反應(yīng)。加入O3后，敏感性系數(shù)增加，OH自由基的產(chǎn)生速率增加，因此著火延遲時間減少。盡管加入0.5%O3也會在不同程度上提高負(fù)敏感性系數(shù)以增加著火延遲時間，但CH4/空氣/O3混合氣的總體著火延遲時間卻有所減少。

圖5 敏感性分析

3 結(jié)論

對CH4/空氣/O3混合氣體的點火過程進(jìn)行了數(shù)值計算，并與CH4/空氣混合氣體的點火過程進(jìn)行對比。得出了O3對甲烷著火延遲時間的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)與CH4燃燒反應(yīng)機(jī)理相比，加入O3后燃燒起始時間明顯加快，在1 600 K時，著火延遲時間減少了78.7%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時間減小，O3對著火延遲時間的影響作用降低。O3有助于加快反應(yīng)速度，減少著火延遲時間。

(2)當(dāng)量比為1.0時，不同壓力下的著火延遲時間與著火溫度呈線性關(guān)系；同時，隨著著火溫度與壓力的升高，著火延遲時間逐漸縮短。

(3)根據(jù)敏感性分析，加入0.5%O3后，各反應(yīng)式對著火延遲時間的影響明顯增強(qiáng)。R38、R119和R156的反應(yīng)式明顯減少了CH4混合氣的著火延遲時間。盡管加入0.5%O3也會在不同程度上提高負(fù)敏感性系數(shù)導(dǎo)致增加著火延遲時間，但CH4/空氣/O3混合氣的總體著火延遲時間卻減少了。