雙模式放電中DBD放電參數(shù)對(duì)甲烷滑動(dòng)弧火焰光譜及活性粒子的影響分析

裴 歡，陳 雷*，王思遠(yuǎn)，楊 昆，宋 鵬

1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136 2. 大連民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605

引 言

等離子體強(qiáng)化燃燒是近十幾年迅速發(fā)展起來(lái)的新型燃燒理論及技術(shù)手段[1]，其基本原理是采用放電技術(shù)激發(fā)氣體分子形成活性粒子，通過(guò)提高反應(yīng)體系活性、 提高反應(yīng)物溫度、 強(qiáng)化可燃?xì)怏w流場(chǎng)傳熱傳質(zhì)的強(qiáng)度等因素實(shí)現(xiàn)燃燒強(qiáng)化[2]。 在眾多的放電方式中，介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge，DBD)和滑動(dòng)弧放電(gliding arc discharge，GAD)是兩種較為常用的放電方法。 DBD可利用放電產(chǎn)生的活性自由基促進(jìn)燃燒，進(jìn)而達(dá)到改善燃料燃燒特性的目的[3]，是非平衡等離子體助燃的有效手段。 GAD是在高壓電場(chǎng)激勵(lì)下電極與金屬壁面最窄處產(chǎn)生電弧通道，電弧被氣流驅(qū)動(dòng)著沿氣流方向向前方滑動(dòng)的一種放電形式[4]，滑動(dòng)弧放電過(guò)程可以產(chǎn)生大量的高能電子、 活性基團(tuán)，可以提高化學(xué)反應(yīng)速率[5]、 加快化學(xué)反應(yīng)程度。 丁玉柱[6]等通過(guò)發(fā)射光譜法測(cè)量分析甲烷電離產(chǎn)生的CH基團(tuán)可以促進(jìn)甲烷燃燒。

在目前的等離子體強(qiáng)化燃燒研究工作中，研究對(duì)象多為單一放電方式。 如果在電弧放電前先設(shè)法激勵(lì)氣體產(chǎn)生活性粒子，并且活性粒子作為反應(yīng)物進(jìn)行二次電弧放電，則有望對(duì)電弧放電的點(diǎn)火過(guò)程起到額外的強(qiáng)化作用。 而目前，采用這種“雙模式放電”的等離子體強(qiáng)化燃燒的相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

基于此，本研究結(jié)合自主設(shè)計(jì)的雙模式放電等離子體激勵(lì)器，采用原子發(fā)射光譜法，對(duì)甲烷-空氣-氬氣混合氣體的強(qiáng)化燃燒火焰進(jìn)行了測(cè)量。 在眾多活性粒子中，CH基是CH4裂解的重要的中間產(chǎn)物，同時(shí)CH基也是CH4大分子化合物離解成為小分子化合物的重要標(biāo)志，自身化學(xué)性質(zhì)也很活潑，能與許多活性基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其分布能顯示出燃燒的反應(yīng)程度； OH自由基的增加能夠促進(jìn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生，從而加快整個(gè)反應(yīng)速率[7]。 因此，本文重點(diǎn)分析放電參數(shù)對(duì)火焰中CH基和OH基的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由雙模式等離子體放電激勵(lì)器、 CTP-2000K微秒脈沖型低溫等離子體電源和滑動(dòng)弧電源、 示波器、 單反相機(jī)、 光譜儀和計(jì)算機(jī)組成。 自主設(shè)計(jì)的雙模式放電等離子體放電激勵(lì)器由紫銅針狀電極、 紫銅柱狀電極、 聚四氟乙烯外殼、 金屬外殼等組成，該點(diǎn)火器的主體包含DBD放電段和GAD放電段兩部分： DBD放電段主要是柱狀電極和聚四氟絕緣件，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)阻擋放電的過(guò)程中產(chǎn)生大量的活性粒子，對(duì)燃燒產(chǎn)生輔助作用； GAD放電段主要是由一個(gè)金屬空腔結(jié)構(gòu)與中心針狀電極組成，金屬空腔結(jié)構(gòu)為該點(diǎn)火器的金屬外殼，電弧放電產(chǎn)生的高溫電弧會(huì)將燃料點(diǎn)燃。 試驗(yàn)過(guò)程中采用南京蘇曼公司產(chǎn)的CTP-2000K微秒脈沖型低溫等離子體電源和滑動(dòng)弧電源為電極供電，微秒脈沖型低溫等離子體電源放電電流電阻采樣阻值為50 Ω，電壓、 電流及放電頻率等參數(shù)由德科技的DSO-X3012T型數(shù)字型示波器來(lái)采集； 氬氣 (純度為99.99%) 、 空氣、 甲烷分別由氣瓶供給； 火焰的光譜信息由海洋光學(xué)MX2500+8八通道光纖式光譜儀采集，其光纖探頭固定在離火焰中部軸向10 mm的位置，采集到的光譜信息通過(guò)軟件保存在計(jì)算機(jī)中。

圖1 試驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test deviceand measurement system

1.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)潘寧效應(yīng)所知，氬氣是惰性氣體不參加化學(xué)反應(yīng)。 電離過(guò)程中亞穩(wěn)態(tài)的氬原子與分子撞擊而發(fā)生的離化效應(yīng)，有利于幫助甲烷的電離，容易使得C—H鍵斷裂。 故在甲烷/空氣混合氣中摻混氬氣促進(jìn)電離，并進(jìn)行滑動(dòng)弧點(diǎn)火，對(duì)光譜儀采集的光譜圖進(jìn)行分析。 在相同輸入功率下，通過(guò)氣瓶輸入氣體，固定氬氣流量不變，調(diào)整空氣流量為4.76 L·min-1，并加入甲烷0.5 L·min-1，保證氬氣與空氣-甲烷的氣體體積流量比達(dá)到Ar∶(CH4+Air)=1∶30，并保持當(dāng)量比φ=1。 控制DBD段放電電壓和放電頻率分別在15～20 kV和6～10 kHz范圍內(nèi)變化，GAD段的電壓和頻率分別保持4 kV與10 kHz恒定，通過(guò)不同放電參數(shù)下的火焰光譜進(jìn)行分析，判斷其對(duì)火焰的影響。 表1所示為本試驗(yàn)具體工況。

表1 DBD激勵(lì)甲烷滑動(dòng)弧火焰試驗(yàn)工況Table 1 Test condition of activated methanegliding arc flame of DBD

1.3 方法

采用高速攝影法+發(fā)射光譜法的檢測(cè)方法對(duì)甲烷燃燒火焰進(jìn)行診斷，重點(diǎn)研究火焰的特征光譜及活性粒子隨放電參數(shù)的變化趨勢(shì)。 火焰中會(huì)有較多處于高能級(jí)的分子發(fā)生躍遷過(guò)程，而不同分子進(jìn)行躍遷過(guò)程時(shí)產(chǎn)生的特征譜線(xiàn)波長(zhǎng)是不同的[8]。 由于火焰中部的光譜信息最強(qiáng)，因此在試驗(yàn)時(shí)如圖2所示沿火焰高度方向?qū)⒒鹧嫒确?，并以火焰中部為測(cè)量點(diǎn)對(duì)火焰發(fā)射光譜進(jìn)行采集，為了避免實(shí)驗(yàn)偶然性，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均采集五次取平均值。

圖2 火焰結(jié)構(gòu)劃分方法Fig.2 Flame structure division method

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰特征譜線(xiàn)分析

圖3所示為雙模式放電的特征譜線(xiàn)圖，圖4為不同種類(lèi)活性基的特征譜線(xiàn)，其中圖4(a)為OH基團(tuán)特征譜線(xiàn)，圖4(b)為CH基團(tuán)特征譜線(xiàn)。 圖3中DBD段的放電頻率為10 kHz、放電電壓分別為0，18和20 kV，放電電壓為0 kV時(shí)對(duì)應(yīng)單GAD放電點(diǎn)火。

圖3 雙模式放電的特征譜線(xiàn)圖Fig.3 Characteristic spectral line diagramof dual-mode discharge

圖4 雙模式放電情況下不同活性基對(duì)應(yīng)的火焰譜線(xiàn)圖(a): OH基團(tuán)特征譜線(xiàn); (b): CH基團(tuán)特征譜線(xiàn)Fig.4 Flame line diagram for different activebases in dual-mode discharge(a): OH; (b): CH

如圖3和圖4所示，DBD激勵(lì)甲烷滑動(dòng)弧火焰光譜中主要有OH基團(tuán)、 N2第二正帶系N2SPS(second positive system，SPS)系列譜線(xiàn)[9]、 甲烷脫氫后產(chǎn)生的CH基團(tuán)[10]。 這些自由基是反應(yīng)的中間產(chǎn)物，能夠促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，提高反應(yīng)速率。 單GAD點(diǎn)火的火焰光譜中得到的活性基譜線(xiàn)的相對(duì)光譜強(qiáng)度很低，DBD放電后，自由基的相對(duì)光譜強(qiáng)度都出現(xiàn)增長(zhǎng)。

圖4(a)為OH基團(tuán)的光譜，主要分布在306～315 nm之間，圖4(b)為CH基團(tuán)的光譜，甲烷脫氫后產(chǎn)生的CH基團(tuán)分布在430～435 nm區(qū)間范圍。 如圖所示，雙模式放電的光譜強(qiáng)度明顯強(qiáng)于單模式放電； 隨著放電電壓的增大，OH基和CH基的光譜強(qiáng)度隨之增大。 DBD放電后，這些自由基光譜強(qiáng)度得到了明顯的提高，說(shuō)明放電加大了自由基的產(chǎn)生，可以促進(jìn)GAD的火焰反應(yīng)程度。

2.2 電壓-電流波形

由于不同放電電壓條件下的電流-電壓波形圖的結(jié)構(gòu)十分類(lèi)似，因此僅給出如圖5所示的15 kV的波形圖。

如圖5所示，在每個(gè)放電周期內(nèi)，電壓上升沿及下降沿上均可發(fā)現(xiàn)一個(gè)劇烈的電流脈沖，上升沿放電完全后開(kāi)始下一次的放電。 由于同軸內(nèi)外電極不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致放電電流的脈沖絲數(shù)量在上下周期是不一致的，而且放電由內(nèi)電極向外電極運(yùn)動(dòng)時(shí)更容易發(fā)生。 放電過(guò)程中脈沖下降沿的反向電流峰一直低于正向電流峰，隨著電壓升高，反向電流峰越來(lái)越明顯，峰值逐漸增大[11]。

2.3 放電參數(shù)對(duì)火焰光譜活性粒子的影響

2.3.1 放電參數(shù)對(duì)CH基團(tuán)的影響

CH基是甲烷裂解的重要的中間產(chǎn)物，同時(shí)CH基也是CH4大分子化合物離解成為小分子化合物的重要標(biāo)志，自身化學(xué)性質(zhì)也很活潑，能與許多活性基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 因此，火焰中CH基的分布可以表示燃燒程度，也可以體現(xiàn)DBD激勵(lì)甲烷對(duì)火焰燃燒的輔助作用。

圖6所示為CH基光譜強(qiáng)度隨電壓及頻率的變化。 從圖中可以看出，單模式放電時(shí)CH基的相對(duì)光譜強(qiáng)度較低，DBD放電后CH基升高，同時(shí)隨著電壓及頻率的升高，火焰中CH基的相對(duì)光譜強(qiáng)度均明顯增大，這說(shuō)明隨著放電參數(shù)的增大甲烷的電離程度也更加明顯。 甲烷離解生成CH基的方程式如下[12]

CH4+e→CH3+H+e

(1)

CH3+e→CH2+H+e

(2)

CH2+e→CH+H+e

(3)

從式(1)—式(3)可以看出，CH4分子的C—H鍵的斷裂主因是其與高能電子及活性基團(tuán)之間的非彈性碰撞。 當(dāng)放電電壓較低時(shí)，電子平均動(dòng)能較低，CH4分子與電子發(fā)生非彈性碰撞程度低，故低電壓時(shí)CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度相對(duì)較低。 隨著電壓和頻率的逐漸增大，電子平均動(dòng)能增大，CH4分子與電子發(fā)生非彈性碰撞程度不斷增大，DBD段產(chǎn)生的活性粒子數(shù)增加，所以CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度升高。 隨峰值電壓的增大放電區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)隨之增大，DBD放電段等離子體內(nèi)高能電子在電場(chǎng)的作用下具有更高能量，活性粒子從激發(fā)態(tài)退激到基態(tài)的數(shù)目也隨之增大，放電區(qū)內(nèi)生成的高能電子數(shù)目變多。 CH4裂解的程度越大，生成的CH基越多，火焰中CH基的光譜強(qiáng)度也越高。

圖6 CH基光譜強(qiáng)度隨電壓及頻率的變化趨勢(shì)Fig.6 Changes of spectral intensity of CHbase with voltage and frequency

2.3.2 放電參數(shù)對(duì)OH基團(tuán)的影響

OH基是燃料燃燒過(guò)程中重要的中間體[13]，主要分布在火焰前鋒和產(chǎn)物區(qū)。 根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理，活性基的含量可以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，加快整個(gè)反應(yīng)速率。 通過(guò)對(duì)OH基分布特征的分析，可以得到甲烷燃燒的化學(xué)反應(yīng)速率信息。

圖7為火焰中OH基光譜強(qiáng)度隨電壓及頻率的變化趨勢(shì)。 如圖7所示，單模式時(shí)OH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度較低，DBD放電后OH基團(tuán)相對(duì)光譜強(qiáng)度升高，隨放電電壓和放電頻率的增長(zhǎng)，其表現(xiàn)整體增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，放電電壓升高時(shí)，OH基團(tuán)逐漸增加，出口的火焰燃燒反應(yīng)更加充分，較高的火焰溫度利于OH生成。 電壓為15 kV時(shí)，此時(shí)甲烷燃燒不完全，較低的溫度不利于燃燒過(guò)程生成OH。 而隨著電壓和頻率升高，活性粒子增多，甲烷與空氣混合更加充分，火焰溫度也逐漸升高，促進(jìn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中OH生成，有效促進(jìn)火焰內(nèi)部的鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)程。

圖7 OH基光譜強(qiáng)度隨電壓及頻率的變化趨勢(shì)Fig.7 Changes of spectral intensity of OHbase with voltage and frequency

當(dāng)電壓達(dá)到19 kV，放電頻率達(dá)到9 kHz時(shí)，OH基呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)高壓電極上會(huì)附著大量高速電子，在DBD放電段介質(zhì)層上形成反向電場(chǎng)，內(nèi)部反向電場(chǎng)與外部電場(chǎng)之間相互抵消，導(dǎo)致總電場(chǎng)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)降低，高能電子獲得的能量發(fā)生損耗，不利于OH基的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

利用自主設(shè)計(jì)的DBD-滑動(dòng)弧雙模式等離子體激勵(lì)器對(duì)摻混體積流量比為1∶30的氬氣/甲烷/空氣混合氣進(jìn)行點(diǎn)火，通過(guò)發(fā)射光譜法和電化學(xué)診斷法對(duì)燃燒火焰進(jìn)行檢測(cè)，主要得出以下結(jié)論：

(1)單一GAD點(diǎn)火得到的火焰光譜中活性粒子的特征譜線(xiàn)相對(duì)光譜強(qiáng)度很低； DBD放電后，活性粒子的光譜強(qiáng)度增大，特征譜線(xiàn)更加明顯。

(2)DBD段放電電壓及放電頻率的增大可有效提升火焰內(nèi)部的活性粒子含量，甲烷經(jīng)過(guò)DBD激勵(lì)后，隨放電電壓和頻率的增加，火焰中OH基、 CH基等主要活性粒子都隨之增加。

(3)DBD激勵(lì)甲烷后，滑動(dòng)弧段出口處甲烷燃燒反應(yīng)更加充分，火焰溫度越高越容易產(chǎn)生OH基，雙模式放電與單模式GAD相比，可有效促進(jìn)火焰內(nèi)部的鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)程，促進(jìn)燃料燃燒。