基于OH*化學發(fā)光特性的CH4/O2擴散火焰燃料稀釋效應研究

田鑫明，楊家寶，郭慶華，龔?巖，于廣鎖, 2

【碳中和專欄】

基于OH*化學發(fā)光特性的CH4/O2擴散火焰燃料稀釋效應研究

田鑫明1，楊家寶1，郭慶華1，龔?巖1，于廣鎖1, 2

(1. 華東理工大學潔凈煤技術研究所，上海 200237；2. 寧夏大學省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，銀川 750021)

利用高分辨率相機成像系統(tǒng)獲得了CO2稀釋的CH4/O2擴散火焰OH*化學發(fā)光分布．揭示了不同稀釋水平下OH*層峰值特性以及外鋒面半徑的變化，并基于此探究了CO2稀釋燃料對火焰反應區(qū)和結構特性的影響．結果表明，OH*化學發(fā)光峰值強度與CO2稀釋水平存在線性關系．當達到某一閾值稀釋水平時，反應區(qū)從軸線處斷開，火焰反應區(qū)分布形態(tài)的變化導致火焰高度迅速下降．隨著稀釋水平的提高，發(fā)生OH*峰值的位移．OH*表征的火焰外鋒面可擬合為一段圓弧，擬合圓半徑可用于表征火焰彎曲程度．隨著稀釋水平逐漸升高，火焰外鋒面圓半徑逐漸增大．

OH*化學發(fā)光；CO2稀釋；擴散火焰；火焰結構；氧燃當量比

由于日益嚴峻的“碳達峰”及“碳中和”等生態(tài)文明發(fā)展要求，沼氣、生物質合成氣等環(huán)境友好型替代能源被廣泛關注．沼氣主要由50%～80%的CH4及20%～50%的CO2組成，而生物質合成氣是生物質熱氣化產生的合成氣，由不同比例的CH4、H2、CO和CO2組成．燃料中大量CO2的存在能夠顯著地改變火焰燃燒特性，為保證沼氣、生物質合成氣等替代燃料的高效、安全燃燒，針對甲烷火焰CO2稀釋效應的研究具有重要意義．Mortazavi等[1]基于高速相機成像系統(tǒng)，利用圖像處理技術研究了CO2稀釋對CH4火焰燃燒特性的影響，發(fā)現隨著CO2含量增加，火焰溫度和煙黑濃度均下降，火焰高度升高，點火時間增加．Biswas等[2]發(fā)現在層流CH4/空氣正擴散火焰中，CO2摩爾分數的增加使火焰溫度和火焰高度降低. Erete等[3]比較了不同CO2稀釋水平對湍流非預混CH4/空氣射流火焰的影響，發(fā)現隨著CO2稀釋水平的增加，火焰的舉升高度增加，火焰高度降低，火焰溫度降低．Han等[4]采用平面激光誘導熒光技術(PLIF)研究了CO2稀釋對CH4/空氣湍流預混火焰的影響，發(fā)現CO2稀釋使火焰上游局部燃燒強度減弱，火焰下游局部燃燒強度降低，火焰整體燃燒強度在不確定度范圍內保持恒定值．宋占鋒等[5]在定容燃燒彈內研究了不同CO2體積分數下，天然氣/H4/ CO2/空氣預混氣體層流火焰燃燒特性，指出隨著CO2體積分數的增加，混合氣燃燒速率降低，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆担?/p>

傳統(tǒng)火焰檢測方法如高速相機拍攝、熱電偶測溫只能檢測火焰表觀形態(tài)及特性．烴類燃燒診斷技術包括PLIF、可調諧激光吸收光譜(TLAS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、相干反斯托克斯拉曼光譜法(CARS)等．但由于激光診斷技術對環(huán)境要求高，設備復雜，上述診斷技術不能適應惡劣的燃燒條件．因此基于自發(fā)輻射的自由基光譜診斷技術越來越受到重視．火焰自由基光譜診斷能夠通過火焰自由基特征化學發(fā)光分布獲得火焰內部結構及組成，且在惡劣燃燒條件下表現良好，可以最大程度避免對火焰的干擾．相比于PLIF，對火焰內部自發(fā)躍遷的自由基進行檢測對環(huán)境要求低，不需要昂貴的激光發(fā)生裝置，因此被廣泛關注．碳氫火焰的自由基自發(fā)輻射診斷主要涉及OH*、CH*、C2*等．Ballester等[6]指出最常用的自由基診斷方法是建立氧燃當量比與不同特征波長自由基化學發(fā)光強度之間的關系．Nori等[7]指出在一定的壓力和溫度條件下，CH*/OH*化學發(fā)光強度比可以用來預測貧燃甲烷火焰的氧燃當量比．Wang等[8]針對甲烷/氧氣擴散及反擴散火焰的研究中指出，在兩種火焰中OH*、CH*、C2*等不同自由基分布可以分別表征火焰不同的反應層結構．

OH*化學發(fā)光也可以獨立表征火焰結構、氧燃當量比、拉伸率和熱釋放速率等火焰特征信息．Marchese等[9]采用Abel逆變換對OH*輻射分布進行反卷積處理，研究表明，OH*化學發(fā)光峰值位置與最高火焰溫度位置接近，說明OH*自由基化學發(fā)光分布可表征火焰鋒面位置．Higgins等[10]研究了CH4/O2火焰OH*化學發(fā)光強度與當量比及壓力的關系，發(fā)現OH*化學發(fā)光強度隨當量比增大而增大，隨壓力增大而減?。硗饪蛇M一步將OH*化學發(fā)光強度表示為壓力及當量比的函數．Docquier等[11]表明OH*、CH*自由基可以表征主火焰的壓力和當量比，且OH*發(fā)光強度對壓力的變化比CH*更敏感．Turner等[12]利用球形層流CH4/空氣火焰中的OH*化學發(fā)光成像表征火焰厚度．Shim等[13]利用OH*化學發(fā)光研究剪切作用對CH4/O2同軸射流火焰結構的影響，通過OH*化學發(fā)光峰值位置定位火焰中當量比為1的區(qū)域．

現有工作多是獨立研究CO2稀釋效應或者火焰自由基化學發(fā)光特性，基于化學發(fā)光尤其是單獨的OH*化學發(fā)光特性的CO2稀釋火焰特性研究仍有待完善．本研究基于同軸射流擴散火焰實驗平臺，利用紫外相機配合中心波長為310nm的濾光片獲得了不同CO2稀釋水平CH4/O2擴散火焰的OH*化學發(fā)光分布，且運用Abel逆變換對圖像進行反卷積處理．探究了OH*化學發(fā)光峰值強度、峰值高度分布，并基于此獲得了火焰軸向高度、外鋒面半徑的變化，建立了OH*化學發(fā)光強度與CO2稀釋水平之間的定量關系．

1?實驗部分

1.1?實驗裝置及方法

研究所用單噴嘴同軸射流擴散火焰OH*化學發(fā)光診斷平臺如圖1所示．噴嘴由三通道組成，中心通道內徑為3mm，通入燃料CH4．CH4被通入噴嘴前與不同濃度CO2進行預混．內環(huán)隙通道內徑4mm，通入O2．為避免空氣對火焰產生干擾，外環(huán)隙通入Ar．實驗系統(tǒng)位于暗室內以減少自然光對火焰光譜檢測的影響．

OH*化學發(fā)光成像系統(tǒng)由高分辨率CCD相機(e2v CCD47-10)、紫外鏡頭及濾光片組成．相機成像的響應范圍為200～1100nm，分辨率為1056(H)×1027(V)px，像素尺寸為13μm(H)×13μm(V)．濾光片的中心波長為310nm，半峰全寬10nm．經標定，相機拍攝得到的單個像素點尺寸為0.0584mm/ pixel．

1.2?實驗條件

實驗保持O2流速不變，通過改變CH4流速設置了3組不同氧燃當量比的火焰，分別對應貧燃、化學計量比以及富燃工況．每組工況中保持CH4流速不變，通過改變CO2流速獲得不同稀釋水平的CH4/O2擴散火焰．氧燃當量比的定義如式(1)所示：

式中：為質量；為物質的量；下標st代表化學計量條件．詳細的工況如表1所示，其中X表示CO2稀釋水平．

表1?實驗條件

Tab.1?Experimentalconditions

2?結果與討論

2.1?火焰整體形態(tài)變化

圖2為3組當量比不同稀釋水平火焰的OH*二維化學發(fā)光分布．隨著稀釋水平的增加，OH*化學發(fā)光強度顯著減?。畬τ谖聪♂尰鹧妫瑢ΨQ軸兩側的OH*反應區(qū)在軸線處匯集，反應區(qū)自下而上不斷拓展．當稀釋水平增加時，反應區(qū)范圍逐漸縮小，反應鋒面變窄，這是由于燃料氣速的增大抑制了CH4和O2間的徑向擴散．另外稀釋水平較小時火焰頂部發(fā)生抖動，稀釋水平增加使火焰抖動得到改善．火焰上游軸線處彌散的反應區(qū)匯集成束狀，逐漸向背離軸線的方向延伸．火焰鋒面由彎曲逐漸變得平直，鋒面半徑由小變大．

圖3為歸一化處理的當量比為1.00不同稀釋水平火焰中OH*二維輻射分布．隨著稀釋水平的增加，火焰反應區(qū)變長，火焰核心反應區(qū)位置發(fā)生改變．CO2流量增大加快火焰整體氣速，氣速增加使火焰反應位置改變，部分燃料尚未完全反應便被攜帶至火焰下游，火焰反應區(qū)向下游擴展，火焰反應區(qū)變長．另外，曹甄俊等[14]基于GRI-Mech 3.0詳細化學反應機理對CH4/空氣擴散火焰進行模擬，指出CO2有效降低了H、O、OH基團的摩爾分數，抑制了CH4分解的鏈引發(fā)和鏈傳播反應，CH4氧化反應速率變慢，導致更多CH4被氣流攜帶至火焰下游使火焰反應區(qū)拉長．不同當量比火焰表現出一致的變化趨勢．

2.1.2?軸向火焰高度

火焰高度可定義為OH*化學發(fā)光強度顯著低于某一閾值時，軸向邊界所對應的高度．Siebers等[15]建議該閾值為峰值強度的8%．經檢驗，在強度低于OH*化學發(fā)光峰值強度的10%時分布區(qū)域的變化已不明顯，頂部邊界逐漸破碎，沒有形成明顯的閉合邊界，因此本研究采用OH*峰值強度的10%作為火焰邊界．

圖4為不同當量比條件下火焰軸向高度隨稀釋水平的變化圖．在稀釋水平較低時CO2稀釋作用對火焰燃燒強度的影響占主導，稀釋時CH4徑向擴散速率大幅降低，CO2濃度增加抑制了CH4的氧化反應，使火焰燃燒強度減弱，同時CO2流量上升增加火焰整體氣速，部分燃料尚未完全反應便被攜帶至火焰下游，火焰長度增加．在稀釋水平較高時，中心射流通道和環(huán)隙通道氣速差異導致的剪切作用會增強火焰燃燒，內外通道之間的剪切增強了甲烷與氧氣之間的湍動和混合，使火焰高度降低．

不同當量比火焰高度急劇下降時對應的稀釋水平不同．當量比為1.25時，在稀釋水平54.1%時火焰高度急劇下降；當量比為1.00時，對應稀釋水平為26.4%；當量比為0.83時，對應稀釋水平低于23.1%．

當稀釋水平為52.4%時，出現OH*分布不在軸線處閉合的現象．圖5為當量比為1.25時稀釋水平為23.1%及56.5%的OH*分布．在火焰反應區(qū)由軸向閉合發(fā)展至斷開的過程中火焰高度略有升高，反應區(qū)在軸線處斷開后火焰高度急劇下降，直至兩側對稱部分完全分離，火焰高度上下小幅度波動，整體高度略有上升趨勢．當當量比為1.25時，OH*在稀釋水平為52.4%前呈環(huán)狀分布，在52.4%后逐漸斷開，火焰左右兩側不在軸線處閉合．當當量比為1.00時，OH*在稀釋水平為28.6%后呈斷開狀態(tài)，對應的稀釋水平提前．當當量比為0.83時，在未稀釋條件下OH*分布即為左右兩側斷開狀態(tài)，加入稀釋劑后OH*分布仍保持斷開狀態(tài)，火焰高度已經處于其他當量比條件突然下降之后的略微上升狀態(tài)．火焰反應區(qū)分布形態(tài)的變化進一步導致火焰高度的突然下降，當達到某一閾值稀釋水平時，反應區(qū)從軸線處斷開，軸向兩側對稱的反應區(qū)逐漸分離，火焰高度下降．隨著稀釋水平增加，燃料氣速增加，導致火焰高度略微增加．當量比越高，對應的閾值稀釋水平越大．

圖3?歸一化處理的當量比為1.00不同稀釋水平火焰中OH*二維輻射分布

圖4?不同當量比火焰反應區(qū)軸向高度變化

圖5?背離軸線的OH*分布

2.2?OH*峰值特性

圖6為不同當量比下OH*峰值強度隨稀釋水平的變化．隨著稀釋水平的增加，峰值強度首先呈線性下降，當稀釋水平達到55%時，下降趨勢逐漸變緩．峰值強度隨稀釋水平下降速度變緩的原因是第二個核心反應區(qū)的出現．相同稀釋水平下＝1.25時峰值強度最高，＝0.83時峰值強度最低．當量比增大使CH4燃燒更加充分，強化了反應．但3條曲線重合度較高，差別在8.6%以內，當量比對火焰OH*峰值強度影響程度較?。?/p>

圖6?不同稀釋水平下OH*化學發(fā)光峰值強度

對＝0.83的峰值強度曲線在X為0～50%范圍內進行線性擬合，結果如圖7所示．線性擬合結果如式(2)所示：

式中：為OH*輻射峰值強度．

擬合結果的相關系數2為0.9939，在稀釋水平X為0～50%范圍內線性擬合結果良好，峰值強度隨稀釋水平的增加線性下降．已知OH*峰值強度時，可以推測對應的CO2稀釋水平．當X＞50%時，峰值強度與稀釋水平關系開始偏離原直線，峰值強度下降速率變緩，當X＞55%，峰值強度隨稀釋水平幾乎不再變化，說明當稀釋水平達到55%時，對火焰反應強度的影響已達到飽和．繼續(xù)增加CO2濃度，稀釋效應的影響有限．

OH*峰值高度定義為OH*峰值強度所在位置距噴嘴出口的高度．在Yang等[16]關于氧化劑稀釋的擴散火焰光譜診斷中發(fā)現了峰值高度的位移現象，并解釋了可能的原因．當稀釋燃料時也發(fā)現了相同的現象，但峰值位移時對應的稀釋水平更大．由圖8可知，隨著稀釋水平增加，峰值高度趨于穩(wěn)定并略有升高，在到達某一閾值后峰值高度急劇下降，出現了峰值的位移．OH*峰值位置由火焰上游轉移至噴嘴附近，對應的OH*二維分布如圖9所示．當當量比＝1時，發(fā)生峰值位移的稀釋水平范圍為52.4%～58.3%.

圖8?不同稀釋水平火焰的峰值高度

圖9?OH*化學發(fā)光峰值位置

兩處峰值位置反應機理不同，噴嘴出口附近的OH*由反應(R1)(CH＋O2→CO＋OH*)產生，火焰上游的OH*由反應(R2)(H＋O＋M→OH*＋M)產生[17]. CH4由噴嘴噴出后發(fā)生分解反應生成CH和H，O2與噴嘴出口附近的CH直接發(fā)生反應(R1)．火焰下游O2分解為游離態(tài)氧，與H發(fā)生反應(R2)．稀釋劑含量增加抑制了氧分子分解為游離氧的過程，(R2)反應物減少，導致OH*生成反應逐漸由反應(R2)向(R1)過渡．另外，三通道噴嘴中射出的流體會在噴嘴附近產生徑向流場，從環(huán)隙向中心通道擴散．中心通道CH4/CO2混合氣氣速增加會增大其卷吸能力，從而加速了環(huán)隙氧化劑的徑向擴散，混合程度提高，促進了噴嘴附近OH*的生成．

2.3?鋒面半徑

通過對OH*二維分布進一步研究發(fā)現火焰的外鋒面可很好地擬合為一段圓弧，如圖10所示．火焰外鋒面擬合圓半徑可以用來表征火焰彎曲程度．外鋒面半徑越小，表示火焰越彎曲．通過對不同當量比及稀釋水平火焰外鋒面進行擬合，可得到擬合圓半徑與當量比及稀釋水平的關系．

圖10?火焰外鋒面擬合圓示意

圖11為通過圖10的方法獲得的擬合圓半徑分布．隨著稀釋水平逐漸升高，火焰外鋒面圓半徑逐漸增大，且梯度逐漸變大．在當量比為0.83及1.00時，隨著稀釋水平升高出現了一段接近水平的直線，對應的稀釋范圍分別為42.7%～53.7%及47.3%～54.2%，在此稀釋范圍內，外鋒面半徑幾乎不變，隨后對應曲線呈加速上升趨勢，說明反應區(qū)已逐漸背離軸線．隨著當量比逐漸增加，外鋒面圓半徑逐漸減?。鹧嫱怃h面圓半徑與氣速呈正相關．相同稀釋水平條件下，當量比減小，CH4流量增大，整體氣速加快，半徑增大．相同當量比條件下，稀釋水平增大，CO2流量增大，整體氣速加快，半徑增大．

圖11?不同稀釋水平火焰的外鋒面擬合圓半徑

3?結?論

本研究基于同軸射流擴散火焰實驗平臺，利用紫外相機配合中心波長為310nm的濾光片獲得了不同CO2稀釋水平CH4/O2擴散火焰的OH*化學發(fā)光分布，并基于此進一步探究了火焰反應區(qū)和結構特性．結果表明：

(1) 隨著稀釋水平的增加，OH*化學發(fā)光強度逐漸降低，火焰反應區(qū)逐漸拉伸．火焰高度隨CO2的增加呈上升-下降-上升的變化趨勢．當達到某一閾值稀釋水平時，反應區(qū)從軸線處斷開，軸向兩側對稱的反應區(qū)逐漸分離，火焰高度迅速下降．稀釋水平進一步增大伴隨燃料整體氣速增加，導致火焰高度略有上升.

(3) 火焰外鋒面可擬合為圓?。怃h面圓半徑能表征火焰彎曲程度，外鋒面半徑越小，火焰越彎曲.外鋒面半徑隨著稀釋水平的增大逐漸增大，且上升梯度逐漸變大．當量比的增加使外鋒面半徑逐漸減?。?/p>

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Fuel Dilution Effect Based on OH*Chemiluminescence in CH4/O2Diffusion Flame

Tian Xinming1，Yang Jiabao1，Guo Qinghua1，Gong Yan1，Yu Guangsuo1, 2

(1. Institute of Clean Coal Technology，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2. State Key Laboratory of High-Efficiency Utilization of Coal and Green Chemical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)

The OH*chemiluminescence distributions of CO2-diluted CH4/O2diffusion flame were obtained through a high-resolution camera imaging system. The peak properties of the OH*layer and the changes of the outer front radius at different dilution levels were revealed. The influence of the CO2dilution in fuel on the flame reaction zone and structural characteristics was further explored. The results show that there is a linear relationship between the peak intensity of OH*chemiluminescence and the CO2dilution level. When a certain threshold dilution level is reached，the reaction zone is disconnected from the axis，and the morphology change of flame reaction zone causes the rapid decrease of flame height. As the dilution level increases，a shift of the OH*peak occurs. In addition，the flame outer front indicated by OH*can be fitted into a circular arc，and the degree of flame curvature can be the characterized by the radius of the fitted circle. With the gradual rise of the dilution level，the radius of the flame outer front gradually increases.

OH*chemiluminescence；CO2dilution；diffusion flame；flame structure；oxygen/fuel equivalence ratio

O433.52

A

1006-8740(2022)03-0254-07

2021-06-28．

國家自然科學基金資助項目(21878093)；寧夏重點研發(fā)計劃資助項目(2019BCH01001)．

田鑫明（1998—??），男，碩士研究生，xmtian_ecust@163.com.

于廣鎖，男，博士，教授，gsyu@ecust.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R202106012

(責任編輯：隋韶穎)