成果介紹:H20和N2對(duì)CO預(yù)混燃?xì)庀ɑ鹛匦缘挠绊?/h5>
2015-12-15 10:02:09 安裝信息網(wǎng)
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作者：張毅
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，根據(jù)燃料發(fā)熱量的大小可將其分為高熱值燃料、中熱值燃料和低熱值燃料[1]，[2]。高熱值燃料的熱值大于15.07 MJ/m3，如天然氣、甲烷等；中熱值燃料的熱值為6.28—15.07 MJ/m3,如填埋氣、以氧氣為氣化劑的合成煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等；低熱值燃料的熱值小于6.28 MJ/m3，如以空氣為氣化劑的合成煤氣、生物質(zhì)氣化氣和高爐煤氣等。以生物質(zhì)氣化氣和高爐煤氣為代表的典型低熱值燃料，來(lái)源廣、產(chǎn)量大，受到廣泛關(guān)注。充分利用這些低熱值燃料，不僅能擴(kuò)寬可利用燃料的范圍，節(jié)約主流燃料，而且生產(chǎn)或轉(zhuǎn)化中低熱值燃料也是處理鋼廠放散氣、副產(chǎn)氣、廢棄物和垃圾填埋氣、生物質(zhì)氣化氣的過(guò)程，有利于凈化環(huán)境和控制污染物排放。
然而，由于低熱值燃料具有熱值較低、稀釋氣體含量較高、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢等特點(diǎn)，使其潔凈、穩(wěn)定燃燒的難度相當(dāng)大，須要采取有針對(duì)性的措施和解決方案一在改進(jìn)低熱值燃?xì)馊紵夹g(shù)中，以H20作為燃燒添加劑的輔助技術(shù)由來(lái)已久。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就H20對(duì)燃?xì)馊紵阅艿挠绊戇M(jìn)行了多方面研究，其中H20對(duì)火焰結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、火焰速度、排放物水平的影響及相關(guān)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的模擬為研究的主要內(nèi)容。顧欣通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，甲烷一空氣混合燃料加H20后，回流區(qū)軸向距離縮短，回流強(qiáng)度減弱，使燃燒的穩(wěn)定性變差，更容易產(chǎn)生局部熄火[3]。Mazas A在不同當(dāng)量比和H20添加比例下，對(duì)甲烷預(yù)混燃燒的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，隨著H2O添加量的增加，層流火焰速度下降．并且在貧燃狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)得更加明顯[4] 。T Bnushaki采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，在不同當(dāng)量比和不同H2O添加比例下．研究了在甲烷一空氣混合燃料中添加H20對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀Y(jié)果表明，加H2O使火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢[5]。Li比較了添加N2，H20，C02和Ar對(duì)甲烷燃燒NOx排放水平的影響，認(rèn)為H20稀釋是NOx減排的最有效手段[6]。Belokon研究了模型燃燒室中甲烷一濕空氣燃燒擴(kuò)散火焰的NOx排放及燃燒效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加H20量增加，
N0x含量顯著降低，CO和LTHC含量增加，燃燒效率下降同。
各國(guó)學(xué)者對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室加H20燃燒進(jìn)行了一系列研究，選用的燃料以甲烷為主。燃?xì)饧親20，一方面能夠降低燃燒溫度和減少N0x排放：另一方面也帶來(lái)燃燒穩(wěn)定性變差、燃燒效率下降、火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档偷葐?wèn)題。鑒于加H20燃燒的優(yōu)越性能和潛在不利因素同時(shí)并存的問(wèn)題，為充分發(fā)揮加H20燃燒的優(yōu)勢(shì)，并避免或控制對(duì)燃燒的不利影響，有必要對(duì)其影響進(jìn)行更細(xì)致、深入的研究。本文以CO為研究對(duì)象，在平口燒嘴上考察了CO和CH4熄火特性的區(qū)別，研究了添加不同N2比例對(duì)熄火特性的影響，以及H20對(duì)CO預(yù)混燃燒熄火特性的影響。通過(guò)Chemkin軟件對(duì)添加不同比例H20的CO層流火焰速度和敏感性系數(shù)變化進(jìn)行了模擬計(jì)算，期望能為以CO為主要可燃成分的低熱值燃料的潔凈穩(wěn)燃設(shè)計(jì)提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
本文實(shí)驗(yàn)是預(yù)混燃燒，即在點(diǎn)火前將燃料、含H20空氣充分混合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，燃?xì)庵械囊宦坊蚨嗦肥紫冗M(jìn)入燃料混合器充分混合，接著與空氣、H20在燃燒前混合器中充分混合。上述兩個(gè)混合器內(nèi)部均設(shè)置多孔板，使氣體混合得更加均勻。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用平口燒嘴，直徑為12 mm，長(zhǎng)度為80 mm,平口燒嘴、入口管和底座均可拆卸 由于燃料和空氣在進(jìn)人入口管之前已充分混合．因此入口管只有一根；為保證在出口處燃料和空氣混合得均勻穩(wěn)定，燒嘴管應(yīng)有一定的長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先點(diǎn)火，待火焰穩(wěn)定燃燒后，逐漸緩慢減小燃?xì)饬髁俊Ｃ看螠p小流量，均要保持火焰穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間，然后再繼續(xù)減小流量，直至火焰熄滅。實(shí)驗(yàn)中，記錄燃燒過(guò)程和熄火前一刻的數(shù)據(jù)，用于貧熄相關(guān)的計(jì)算。
1.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。進(jìn)口燃料由高壓儲(chǔ)氣罐提供，并經(jīng)過(guò)兩級(jí)減壓閥減壓；由下游的質(zhì)量流量控制器(MFC)控制流量（精度0.5%）。按實(shí)驗(yàn)所需比例混和的不同組分氣體，進(jìn)入燃燒混合器中快速形成均勻混氣，隨后在燃燒前混合器中與來(lái)自穩(wěn)壓罐的空氣混合，最終由點(diǎn)火器在燒嘴出口附近點(diǎn)燃。空氣由風(fēng)機(jī)提供，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量，在進(jìn)行加H2O實(shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)啟空氣加熱器，其主要作用是加熱空氣，并防止與蒸汽混合后冷凝。試驗(yàn)中燃料流量和壓力數(shù)據(jù)信號(hào)由LabVIEW軟件采集。
1.3 H20添加管路布置
由于本實(shí)驗(yàn)所要研究的是氣態(tài)H20對(duì)火焰 穩(wěn)定性的影響，因此需要專門的儀器將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。本實(shí)驗(yàn)選用的汽化器能將進(jìn)入其中的液態(tài)H20迅速完全汽化，并且能通過(guò)配套溫控儀控制出口蒸汽溫度，最高汽化溫度為600 0C。
實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格控制水蒸汽的流量，因此采用在汽化器前控制流量的方式，使用了能夠比較精確控制微小流量的蠕動(dòng)泵。通過(guò)控制蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)精確控制汽化器的入口流量。蠕動(dòng)泵的流量范圍為0.000 11～190 ml/min，最高轉(zhuǎn)速為50 r/min,轉(zhuǎn)速分辨率為0.1，精度誤差小于0.5%。在蒸汽流動(dòng)的管路和蒸汽與燃料、空氣的混合氣體流通的管路上均布置有加熱帶，并通過(guò)溫控儀控制其加熱溫度，以確保參加燃燒的H20為氣態(tài)二實(shí)驗(yàn)的相關(guān)管路采用了耐溫材料。
1.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程
首先，調(diào)節(jié)空氣量保持在一定值不變，再調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁恐猎O(shè)計(jì)值，用點(diǎn)火器點(diǎn)火，待火焰穩(wěn)定后，逐漸緩慢減小燃?xì)饬髁恐敝料�，最后記錄熄火時(shí)刻的CO，N2和空氣的流量。熄火特性實(shí)驗(yàn)主要是記錄熄火瞬間的燃燒狀態(tài)以及熄火時(shí)刻的數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行特性分析。
由于常壓下N2為氣態(tài)，因此在添加N2的實(shí)驗(yàn)研究中，可以與燃料同時(shí)通過(guò)MFC控制流量，相對(duì)于燃料CO的比例來(lái)計(jì)算添加比，操作比較方便。通過(guò)蠕動(dòng)泵控制面板獨(dú)立操作來(lái)控制H2O的添加比例，為方便實(shí)驗(yàn)的操作，H20添加比的參考對(duì)象為空氣流量，且仍為體積比。在研究H20對(duì)CO預(yù)混火焰熄火特性的影響時(shí)，首先調(diào)節(jié)空氣量和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速保持在一定值不變，即固定空氣量和水量，調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁恐猎O(shè)計(jì)值，再用點(diǎn)火器點(diǎn)火：待火焰穩(wěn)定后，按比例逐漸緩慢減小燃?xì)饬髁恐敝料�，記錄熄火時(shí)刻的CO，N2，H20和空氣的流量值；然后，按照單因子變量原則，將水量調(diào)節(jié)為下一個(gè)設(shè)計(jì)值并同定，按照上述步驟做下一組實(shí)驗(yàn)；最后，整理昕有記錄數(shù)據(jù)，并作數(shù)據(jù)分析和處理。為比較不同添加劑的影響差異，計(jì)算中作為添加劑的N2和H20均不計(jì)入當(dāng)量比中。另外，本文的當(dāng)量比均為平口燒嘴出口之前的混合當(dāng)量比，不計(jì)出口周圍空氣的影響。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 CO與CH4熄火特性的比較
CH4是熱值高、可燃范圍廣、穩(wěn)定性好的燃?xì)�，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，也一直被用于與燃燒有關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)中。本文重點(diǎn)研究以高爐煤氣為背景的低熱值燃料，CO是主要的可燃成分，由于CO熱值低、不易點(diǎn)燃、燃燒穩(wěn)定性差，實(shí)際應(yīng)用較少，尤其是以CO作為單一燃料的應(yīng)用。因此，將CH4燃料作為實(shí)驗(yàn)參照，比較分析CO與CH4熄火特性的差異。
圖3所示為以空氣流量值為橫坐標(biāo)，熄火當(dāng)量比為縱坐標(biāo)的CO和CH4的熄火特性對(duì)比。
由圖3可知：①同一實(shí)驗(yàn)條件下．CO的穩(wěn)定燃燒范圍遠(yuǎn)小于CH4。從曲線上方的穩(wěn)定工作范圍看，CO對(duì)應(yīng)的熄火曲線明顯比CH4窄；從可燃極限空氣流量的范圍來(lái)看，CH4臨界空氣量約為2.0 m3／h，CO的臨界值約為0.6 m3/h。②CO極小值點(diǎn)的位置相對(duì)于CH4明顯居左，前者在0.1 m3/h左右，而后者大于0.8 m3／h。在各自臨界空氣量范圍內(nèi)的極值點(diǎn)兩側(cè)，CO的熄火當(dāng)量比的變化比CH4更劇烈，尤其是在極值點(diǎn)右側(cè)，CH4相應(yīng)的曲線走勢(shì)很平穩(wěn)，而C0相直曲線走勢(shì)陡峭綜上5斤述，C0熄火特性曲線上方穩(wěn)定燃燒的區(qū)域范圍更窄小，即CO的穩(wěn)定性比CH4穩(wěn)定性差。
2.2 N2對(duì)CO預(yù)混燃燒熄火特性的影響
在中低熱值燃料中，除可燃成分CO外，還含有不可燃．但對(duì)燃燒反應(yīng)起促進(jìn)或抑制作用的其他成分，如C02，N2等。N2是合成氣、高爐煤氣、生物質(zhì)氣化氣等中低熱值燃料中主要不可燃成分。因此，進(jìn)一步對(duì)C0燃料在添加不同比例N2情況下的熄火特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。
由于實(shí)驗(yàn)室的N2質(zhì)量流量控制器(MFC)只有在給定流量大于0.24 L/min時(shí)．MFC的返回示數(shù)才會(huì)穩(wěn)定，而當(dāng)N2添加比例小于20%時(shí)，有部分N2添加量小于0.24 Umin。因此，為減少誤差，同時(shí)考慮到實(shí)際低熱值燃料中N2含量范圍，本實(shí)驗(yàn)的N2添加比設(shè)定在20%—70%。
以空氣流量為橫坐標(biāo)，熄火當(dāng)量比為縱坐標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，不同N2添加比下的特性曲線都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，且斜率越來(lái)越大。就不同N2比例的曲線來(lái)看，同一空氣量下，隨著N2比例的增大，熄火當(dāng)量比逐漸增大；在空氣人口流量較小時(shí)，添加不同比例N2對(duì)熄火當(dāng)量比影響不大，而在空氣流量較大時(shí)，熄火當(dāng)量比變大的程度越來(lái)越顯著。因此，N2添加比例越高，混合燃?xì)獾娜紵�(wěn)定性越差。
2.3 H20對(duì)CO熄火特性的影響
在進(jìn)行CO燃料添加H20的實(shí)驗(yàn)中，為了更明確地顯示H20添加比例的影響，把空氣量固定為0.3 m3/h，結(jié)果如圖5所示。
圖5顯示，在空氣量為0.3 m3/h的條件下，特性曲線的形狀大致呈“V”型，即在一定H20比例范圍內(nèi)，熄火當(dāng)量比隨H20比例增大而減小，而超過(guò)這一范圍．熄火當(dāng)量比隨H20比例增大而增大。實(shí)驗(yàn)條件下．水蒸氣添加比例為3%~15%時(shí)出現(xiàn)熄火當(dāng)量比極小值：綜合以上分析可以得出，添加H20可以在一定范圍內(nèi)減小C0的熄火當(dāng)量比，提高CO預(yù)混火焰的穩(wěn)定性，而超過(guò)這一范圍時(shí)，火焰穩(wěn)定性降低。
通過(guò)以上對(duì)比可見(jiàn)，對(duì)于CO為主要可燃成分的低熱值燃料預(yù)混燃燒，H20與N2的作用差異顯著，添加H2O能在一定條件下體現(xiàn)為與惰性和稀釋特性相反的作用。可以推斷，向以CO為主的混合燃料中添加適量的H20有可能產(chǎn)生增強(qiáng)燃燒和提高火焰穩(wěn)定性的促進(jìn)作用。
3數(shù)值模擬分析
3.1 H20對(duì)CO燃料層流火焰速度的影響
火焰?zhèn)鞑ニ俣饶苤苯忧绎@著地影響平口燒嘴火焰的穩(wěn)定性，增大火焰?zhèn)鞑ニ俣饶軌蛟鰪?qiáng)火焰穩(wěn)定性；降低火焰?zhèn)鞑ニ俣葘p小火焰穩(wěn)定性[8]。因此，本文利用Chemkin軟件的Premix模型，選用GRI 3.0 燃燒反應(yīng)機(jī)理，對(duì)添加不同比例H20的CO混合燃料層流火焰速度進(jìn)行了數(shù)值模擬，從層流火焰速度變化的角度解釋火焰熄火特性的變化，并通過(guò)敏感性分析，闡述基元反應(yīng)的變化。
添加不同比例H20之后，層流火焰速度模擬結(jié)果如圖6所示。向CO中加入H20，能在一定范圍內(nèi)顯著提高層流火焰?zhèn)鞑ニ俣�，并在到達(dá)極大值后減小，這與熄火當(dāng)量比隨添加H20比例變化的趨勢(shì)在機(jī)理上相吻合。這表明了向以C0為主要可燃成分的低熱值燃料中添加不同比例的H20，能改變其火焰?zhèn)鞑ニ俣�，進(jìn)而影響火焰的穩(wěn)定性。
3.2 H20對(duì)CO燃料層流火焰速度影響的敏感性分析
Chemkin后處理程序的敏感性分析能夠直觀地分析組分、基元反應(yīng)、反應(yīng)條件等因素對(duì)系統(tǒng)溫度、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊确磻?yīng)參數(shù)變化的敏感程度，也即某一條件的改變對(duì)研究參數(shù)的影響程度。量化這一敏感程度的參數(shù)為敏感性系數(shù)。根據(jù)敏感性系數(shù)的大小可以考察哪些變量對(duì)目標(biāo)參數(shù)影響較大，哪些變量影響較小。在分析層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)基元反應(yīng)敏感性分析時(shí)，敏感性系數(shù)為正值表示基元反應(yīng)具有使層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮淖饔茫好舾行韵禂?shù)為負(fù)值表示基元反應(yīng)具有使層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小的作用：敏感性系數(shù)絕對(duì)值越大，相應(yīng)的作用越明顯。通過(guò)對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊幕磻?yīng)敏感性分析，能夠找出
CO中加入H20后新產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)或加強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)。
圖7為在C0中添加H20的比例不大于10%的敏感性系數(shù)分布。由圖7可見(jiàn)，向CO中添加H20后，對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懽畲蟮幕磻?yīng)是鏈傳遞反應(yīng)R99．其次是鏈分支反應(yīng)R46、鏈終止反應(yīng)R45，R36等，其中R45和R36具有負(fù)的敏感性系數(shù)。圖7表明，在H20比例為0.2%`~10%時(shí)，隨著H20比例的增大，R99和R46敏感性系數(shù)逐漸增大，且在H20比例為0.5%～5%時(shí)增幅最大，而后增幅逐漸減小，加之R36和R45的負(fù)敏感系數(shù)在數(shù)值上隨H20比例增大而逐漸增大（相對(duì)R99和R46的值仍較�。�，使層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮淖饔弥饾u減弱。因此，隨著H20比例的增大，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫婚_(kāi)始迅速增大，接著增幅逐漸減小，并達(dá)到極大值。
圖8為在CO中添加H20的比例不小于10%時(shí)的敏感性系數(shù)分布。隨著H20比例的繼續(xù)增大，具有正敏感性系數(shù)的鏈分支反應(yīng)R99和R46變化較��；在負(fù)敏感性系數(shù)一側(cè)，鏈終止反應(yīng)R35的敏感性系數(shù)值迅速增大，使降低火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖饔酶鼜?qiáng)，即隨著H20比例的繼續(xù)增大，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_(kāi)始減小。
從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度看，純CO在干燥空氣中燃燒，由于沒(méi)有OH，H等含H基團(tuán)的參與，其主要基元反應(yīng)：
等基元反應(yīng)，產(chǎn)生大量的H，OH基等活性很強(qiáng)的粒子，其中，自由基H是加速火焰速度最有效的基團(tuán)，它在鏈分支反
應(yīng)中起到了決定性作用[9]，[11]。這些活性粒子濃度的增大，強(qiáng)化了基元反應(yīng)，增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣?
然而，H20含量的繼續(xù)增大，又會(huì)不同程度地影響這些基元反應(yīng)，使某些基元反應(yīng)增強(qiáng)，而另一些基元反應(yīng)減弱：最終層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮『妥兓厔?shì)是所有基元反應(yīng)共同作用的結(jié)果，綜合表現(xiàn)為：隨著H20添加比例的持續(xù)增大，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认茸兇蠛鬁p小。向CO中添加H2O能提高火焰穩(wěn)定性的原因：提高了吹熄點(diǎn)附近燃燒區(qū)域的活性粒子H，OH基的濃度，提高了化學(xué)反應(yīng)速率，更快釋放燃燒的熱量，有利于增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度看，添加H2O對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃燒穩(wěn)定性的影響具有相同的內(nèi)因[9]
4結(jié)論
本文對(duì)以CO為主要成分的混合燃料進(jìn)行了預(yù)混火焰熄火特性實(shí)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)值模擬研究。
實(shí)驗(yàn)比較了CH4和CO的燃燒穩(wěn)定性差異，CO相比于CH4更難點(diǎn)火，穩(wěn)定燃燒的范圍更窄。
實(shí)驗(yàn)表明：向以CO為主要可燃成分的燃料中添加H20和添加N2，呈現(xiàn)出顯著的差異。添加N2可降低預(yù)混火焰穩(wěn)定性；在一定比例范圍內(nèi)，添加H20能夠提高CO預(yù)混火焰的穩(wěn)定性，在添加比例為3%~15%時(shí)有極值點(diǎn)。
模擬計(jì)算表明，隨著H20添加比例的加大，層流火焰速度先迅速增大到極大值，而后減小，這和熄火當(dāng)量比的變化趨勢(shì)在機(jī)理上吻合，且極值點(diǎn)出現(xiàn)的區(qū)間也相一致。敏感性分析表明：C0中添加適當(dāng)比例的H20能增大火焰?zhèn)鞑ニ俣群头�(wěn)定性，其原因是添加H2O后昕產(chǎn)生的H，OH等基團(tuán)，增強(qiáng)了OH+CO <=>H+CO2和H+H02<=>20H等鏈傳遞反應(yīng)的反應(yīng)速率．增大了火焰速度，強(qiáng)化了燃燒：
5摘要：
針對(duì)以CO為主要可燃成分的低熱值燃?xì)�，設(shè)汁加T了平口燒嘴裝置。在該裝置上進(jìn)行了 CO與CH4 預(yù)混熄火特性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)；考察了H20，N2對(duì)C0預(yù)混火焰熄火特性的影響。結(jié)果表明：與CH4相比,CO點(diǎn)火 困難，穩(wěn)定燃燒范圍更窄；隨著N2添加比的增大，熄火當(dāng)量比逐漸增大；添加適當(dāng)比例的H20能夠提高預(yù)混火焰的穩(wěn)定性。采用CHEMKIN軟件對(duì)在實(shí)驗(yàn)氣體中添加不同比例H20的層流火焰速度和敏感性系數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)比實(shí)驗(yàn)熄火特性曲線和層流火焰速度變化曲線，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)相近，并且均在H20的添加比例為3%～15%時(shí)出現(xiàn)極值點(diǎn)。
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作者：張毅
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，根據(jù)燃料發(fā)熱量的大小可將其分為高熱值燃料、中熱值燃料和低熱值燃料[1]，[2]。高熱值燃料的熱值大于15.07 MJ/m3，如天然氣、甲烷等；中熱值燃料的熱值為6.28—15.07 MJ/m3,如填埋氣、以氧氣為氣化劑的合成煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等；低熱值燃料的熱值小于6.28 MJ/m3，如以空氣為氣化劑的合成煤氣、生物質(zhì)氣化氣和高爐煤氣等。以生物質(zhì)氣化氣和高爐煤氣為代表的典型低熱值燃料，來(lái)源廣、產(chǎn)量大，受到廣泛關(guān)注。充分利用這些低熱值燃料，不僅能擴(kuò)寬可利用燃料的范圍，節(jié)約主流燃料，而且生產(chǎn)或轉(zhuǎn)化中低熱值燃料也是處理鋼廠放散氣、副產(chǎn)氣、廢棄物和垃圾填埋氣、生物質(zhì)氣化氣的過(guò)程，有利于凈化環(huán)境和控制污染物排放。
然而，由于低熱值燃料具有熱值較低、稀釋氣體含量較高、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢等特點(diǎn)，使其潔凈、穩(wěn)定燃燒的難度相當(dāng)大，須要采取有針對(duì)性的措施和解決方案一在改進(jìn)低熱值燃?xì)馊紵夹g(shù)中，以H20作為燃燒添加劑的輔助技術(shù)由來(lái)已久。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就H20對(duì)燃?xì)馊紵阅艿挠绊戇M(jìn)行了多方面研究，其中H20對(duì)火焰結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、火焰速度、排放物水平的影響及相關(guān)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的模擬為研究的主要內(nèi)容。顧欣通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，甲烷一空氣混合燃料加H20后，回流區(qū)軸向距離縮短，回流強(qiáng)度減弱，使燃燒的穩(wěn)定性變差，更容易產(chǎn)生局部熄火[3]。Mazas A在不同當(dāng)量比和H20添加比例下，對(duì)甲烷預(yù)混燃燒的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，隨著H2O添加量的增加，層流火焰速度下降．并且在貧燃狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)得更加明顯[4] 。T Bnushaki采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，在不同當(dāng)量比和不同H2O添加比例下．研究了在甲烷一空氣混合燃料中添加H20對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀Y(jié)果表明，加H2O使火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢[5]。Li比較了添加N2，H20，C02和Ar對(duì)甲烷燃燒NOx排放水平的影響，認(rèn)為H20稀釋是NOx減排的最有效手段[6]。Belokon研究了模型燃燒室中甲烷一濕空氣燃燒擴(kuò)散火焰的NOx排放及燃燒效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加H20量增加，
N0x含量顯著降低，CO和LTHC含量增加，燃燒效率下降同。
各國(guó)學(xué)者對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室加H20燃燒進(jìn)行了一系列研究，選用的燃料以甲烷為主。燃?xì)饧親20，一方面能夠降低燃燒溫度和減少N0x排放：另一方面也帶來(lái)燃燒穩(wěn)定性變差、燃燒效率下降、火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档偷葐?wèn)題。鑒于加H20燃燒的優(yōu)越性能和潛在不利因素同時(shí)并存的問(wèn)題，為充分發(fā)揮加H20燃燒的優(yōu)勢(shì)，并避免或控制對(duì)燃燒的不利影響，有必要對(duì)其影響進(jìn)行更細(xì)致、深入的研究。本文以CO為研究對(duì)象，在平口燒嘴上考察了CO和CH4熄火特性的區(qū)別，研究了添加不同N2比例對(duì)熄火特性的影響，以及H20對(duì)CO預(yù)混燃燒熄火特性的影響。通過(guò)Chemkin軟件對(duì)添加不同比例H20的CO層流火焰速度和敏感性系數(shù)變化進(jìn)行了模擬計(jì)算，期望能為以CO為主要可燃成分的低熱值燃料的潔凈穩(wěn)燃設(shè)計(jì)提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
本文實(shí)驗(yàn)是預(yù)混燃燒，即在點(diǎn)火前將燃料、含H20空氣充分混合。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，燃?xì)庵械囊宦坊蚨嗦肥紫冗M(jìn)入燃料混合器充分混合，接著與空氣、H20在燃燒前混合器中充分混合。上述兩個(gè)混合器內(nèi)部均設(shè)置多孔板，使氣體混合得更加均勻。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用平口燒嘴，直徑為12 mm，長(zhǎng)度為80 mm,平口燒嘴、入口管和底座均可拆卸 由于燃料和空氣在進(jìn)人入口管之前已充分混合．因此入口管只有一根；為保證在出口處燃料和空氣混合得均勻穩(wěn)定，燒嘴管應(yīng)有一定的長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先點(diǎn)火，待火焰穩(wěn)定燃燒后，逐漸緩慢減小燃?xì)饬髁俊Ｃ看螠p小流量，均要保持火焰穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間，然后再繼續(xù)減小流量，直至火焰熄滅。實(shí)驗(yàn)中，記錄燃燒過(guò)程和熄火前一刻的數(shù)據(jù)，用于貧熄相關(guān)的計(jì)算。
1.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。進(jìn)口燃料由高壓儲(chǔ)氣罐提供，并經(jīng)過(guò)兩級(jí)減壓閥減壓；由下游的質(zhì)量流量控制器(MFC)控制流量（精度0.5%）。按實(shí)驗(yàn)所需比例混和的不同組分氣體，進(jìn)入燃燒混合器中快速形成均勻混氣，隨后在燃燒前混合器中與來(lái)自穩(wěn)壓罐的空氣混合，最終由點(diǎn)火器在燒嘴出口附近點(diǎn)燃。空氣由風(fēng)機(jī)提供，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量，在進(jìn)行加H2O實(shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)啟空氣加熱器，其主要作用是加熱空氣，并防止與蒸汽混合后冷凝。試驗(yàn)中燃料流量和壓力數(shù)據(jù)信號(hào)由LabVIEW軟件采集。
1.3 H20添加管路布置
由于本實(shí)驗(yàn)所要研究的是氣態(tài)H20對(duì)火焰 穩(wěn)定性的影響，因此需要專門的儀器將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。本實(shí)驗(yàn)選用的汽化器能將進(jìn)入其中的液態(tài)H20迅速完全汽化，并且能通過(guò)配套溫控儀控制出口蒸汽溫度，最高汽化溫度為600 0C。
實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格控制水蒸汽的流量，因此采用在汽化器前控制流量的方式，使用了能夠比較精確控制微小流量的蠕動(dòng)泵。通過(guò)控制蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)精確控制汽化器的入口流量。蠕動(dòng)泵的流量范圍為0.000 11～190 ml/min，最高轉(zhuǎn)速為50 r/min,轉(zhuǎn)速分辨率為0.1，精度誤差小于0.5%。在蒸汽流動(dòng)的管路和蒸汽與燃料、空氣的混合氣體流通的管路上均布置有加熱帶，并通過(guò)溫控儀控制其加熱溫度，以確保參加燃燒的H20為氣態(tài)二實(shí)驗(yàn)的相關(guān)管路采用了耐溫材料。
1.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程
首先，調(diào)節(jié)空氣量保持在一定值不變，再調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁恐猎O(shè)計(jì)值，用點(diǎn)火器點(diǎn)火，待火焰穩(wěn)定后，逐漸緩慢減小燃?xì)饬髁恐敝料�，最后記錄熄火時(shí)刻的CO，N2和空氣的流量。熄火特性實(shí)驗(yàn)主要是記錄熄火瞬間的燃燒狀態(tài)以及熄火時(shí)刻的數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行特性分析。
由于常壓下N2為氣態(tài)，因此在添加N2的實(shí)驗(yàn)研究中，可以與燃料同時(shí)通過(guò)MFC控制流量，相對(duì)于燃料CO的比例來(lái)計(jì)算添加比，操作比較方便。通過(guò)蠕動(dòng)泵控制面板獨(dú)立操作來(lái)控制H2O的添加比例，為方便實(shí)驗(yàn)的操作，H20添加比的參考對(duì)象為空氣流量，且仍為體積比。在研究H20對(duì)CO預(yù)混火焰熄火特性的影響時(shí)，首先調(diào)節(jié)空氣量和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速保持在一定值不變，即固定空氣量和水量，調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁恐猎O(shè)計(jì)值，再用點(diǎn)火器點(diǎn)火：待火焰穩(wěn)定后，按比例逐漸緩慢減小燃?xì)饬髁恐敝料�，記錄熄火時(shí)刻的CO，N2，H20和空氣的流量值；然后，按照單因子變量原則，將水量調(diào)節(jié)為下一個(gè)設(shè)計(jì)值并同定，按照上述步驟做下一組實(shí)驗(yàn)；最后，整理昕有記錄數(shù)據(jù)，并作數(shù)據(jù)分析和處理。為比較不同添加劑的影響差異，計(jì)算中作為添加劑的N2和H20均不計(jì)入當(dāng)量比中。另外，本文的當(dāng)量比均為平口燒嘴出口之前的混合當(dāng)量比，不計(jì)出口周圍空氣的影響。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 CO與CH4熄火特性的比較
CH4是熱值高、可燃范圍廣、穩(wěn)定性好的燃?xì)�，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，也一直被用于與燃燒有關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)中。本文重點(diǎn)研究以高爐煤氣為背景的低熱值燃料，CO是主要的可燃成分，由于CO熱值低、不易點(diǎn)燃、燃燒穩(wěn)定性差，實(shí)際應(yīng)用較少，尤其是以CO作為單一燃料的應(yīng)用。因此，將CH4燃料作為實(shí)驗(yàn)參照，比較分析CO與CH4熄火特性的差異。
圖3所示為以空氣流量值為橫坐標(biāo)，熄火當(dāng)量比為縱坐標(biāo)的CO和CH4的熄火特性對(duì)比。
由圖3可知：①同一實(shí)驗(yàn)條件下．CO的穩(wěn)定燃燒范圍遠(yuǎn)小于CH4。從曲線上方的穩(wěn)定工作范圍看，CO對(duì)應(yīng)的熄火曲線明顯比CH4窄；從可燃極限空氣流量的范圍來(lái)看，CH4臨界空氣量約為2.0 m3／h，CO的臨界值約為0.6 m3/h。②CO極小值點(diǎn)的位置相對(duì)于CH4明顯居左，前者在0.1 m3/h左右，而后者大于0.8 m3／h。在各自臨界空氣量范圍內(nèi)的極值點(diǎn)兩側(cè)，CO的熄火當(dāng)量比的變化比CH4更劇烈，尤其是在極值點(diǎn)右側(cè)，CH4相應(yīng)的曲線走勢(shì)很平穩(wěn)，而C0相直曲線走勢(shì)陡峭綜上5斤述，C0熄火特性曲線上方穩(wěn)定燃燒的區(qū)域范圍更窄小，即CO的穩(wěn)定性比CH4穩(wěn)定性差。
2.2 N2對(duì)CO預(yù)混燃燒熄火特性的影響
在中低熱值燃料中，除可燃成分CO外，還含有不可燃．但對(duì)燃燒反應(yīng)起促進(jìn)或抑制作用的其他成分，如C02，N2等。N2是合成氣、高爐煤氣、生物質(zhì)氣化氣等中低熱值燃料中主要不可燃成分。因此，進(jìn)一步對(duì)C0燃料在添加不同比例N2情況下的熄火特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。
由于實(shí)驗(yàn)室的N2質(zhì)量流量控制器(MFC)只有在給定流量大于0.24 L/min時(shí)．MFC的返回示數(shù)才會(huì)穩(wěn)定，而當(dāng)N2添加比例小于20%時(shí)，有部分N2添加量小于0.24 Umin。因此，為減少誤差，同時(shí)考慮到實(shí)際低熱值燃料中N2含量范圍，本實(shí)驗(yàn)的N2添加比設(shè)定在20%—70%。
以空氣流量為橫坐標(biāo)，熄火當(dāng)量比為縱坐標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，不同N2添加比下的特性曲線都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，且斜率越來(lái)越大。就不同N2比例的曲線來(lái)看，同一空氣量下，隨著N2比例的增大，熄火當(dāng)量比逐漸增大；在空氣人口流量較小時(shí)，添加不同比例N2對(duì)熄火當(dāng)量比影響不大，而在空氣流量較大時(shí)，熄火當(dāng)量比變大的程度越來(lái)越顯著。因此，N2添加比例越高，混合燃?xì)獾娜紵�(wěn)定性越差。
2.3 H20對(duì)CO熄火特性的影響
在進(jìn)行CO燃料添加H20的實(shí)驗(yàn)中，為了更明確地顯示H20添加比例的影響，把空氣量固定為0.3 m3/h，結(jié)果如圖5所示。
圖5顯示，在空氣量為0.3 m3/h的條件下，特性曲線的形狀大致呈“V”型，即在一定H20比例范圍內(nèi)，熄火當(dāng)量比隨H20比例增大而減小，而超過(guò)這一范圍．熄火當(dāng)量比隨H20比例增大而增大。實(shí)驗(yàn)條件下．水蒸氣添加比例為3%~15%時(shí)出現(xiàn)熄火當(dāng)量比極小值：綜合以上分析可以得出，添加H20可以在一定范圍內(nèi)減小C0的熄火當(dāng)量比，提高CO預(yù)混火焰的穩(wěn)定性，而超過(guò)這一范圍時(shí)，火焰穩(wěn)定性降低。
通過(guò)以上對(duì)比可見(jiàn)，對(duì)于CO為主要可燃成分的低熱值燃料預(yù)混燃燒，H20與N2的作用差異顯著，添加H2O能在一定條件下體現(xiàn)為與惰性和稀釋特性相反的作用。可以推斷，向以CO為主的混合燃料中添加適量的H20有可能產(chǎn)生增強(qiáng)燃燒和提高火焰穩(wěn)定性的促進(jìn)作用。
3數(shù)值模擬分析
3.1 H20對(duì)CO燃料層流火焰速度的影響
火焰?zhèn)鞑ニ俣饶苤苯忧绎@著地影響平口燒嘴火焰的穩(wěn)定性，增大火焰?zhèn)鞑ニ俣饶軌蛟鰪?qiáng)火焰穩(wěn)定性；降低火焰?zhèn)鞑ニ俣葘p小火焰穩(wěn)定性[8]。因此，本文利用Chemkin軟件的Premix模型，選用GRI 3.0 燃燒反應(yīng)機(jī)理，對(duì)添加不同比例H20的CO混合燃料層流火焰速度進(jìn)行了數(shù)值模擬，從層流火焰速度變化的角度解釋火焰熄火特性的變化，并通過(guò)敏感性分析，闡述基元反應(yīng)的變化。
添加不同比例H20之后，層流火焰速度模擬結(jié)果如圖6所示。向CO中加入H20，能在一定范圍內(nèi)顯著提高層流火焰?zhèn)鞑ニ俣�，并在到達(dá)極大值后減小，這與熄火當(dāng)量比隨添加H20比例變化的趨勢(shì)在機(jī)理上相吻合。這表明了向以C0為主要可燃成分的低熱值燃料中添加不同比例的H20，能改變其火焰?zhèn)鞑ニ俣�，進(jìn)而影響火焰的穩(wěn)定性。
3.2 H20對(duì)CO燃料層流火焰速度影響的敏感性分析
Chemkin后處理程序的敏感性分析能夠直觀地分析組分、基元反應(yīng)、反應(yīng)條件等因素對(duì)系統(tǒng)溫度、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊确磻?yīng)參數(shù)變化的敏感程度，也即某一條件的改變對(duì)研究參數(shù)的影響程度。量化這一敏感程度的參數(shù)為敏感性系數(shù)。根據(jù)敏感性系數(shù)的大小可以考察哪些變量對(duì)目標(biāo)參數(shù)影響較大，哪些變量影響較小。在分析層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)基元反應(yīng)敏感性分析時(shí)，敏感性系數(shù)為正值表示基元反應(yīng)具有使層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮淖饔茫好舾行韵禂?shù)為負(fù)值表示基元反應(yīng)具有使層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小的作用：敏感性系數(shù)絕對(duì)值越大，相應(yīng)的作用越明顯。通過(guò)對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊幕磻?yīng)敏感性分析，能夠找出
CO中加入H20后新產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)或加強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)。
圖7為在C0中添加H20的比例不大于10%的敏感性系數(shù)分布。由圖7可見(jiàn)，向CO中添加H20后，對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懽畲蟮幕磻?yīng)是鏈傳遞反應(yīng)R99．其次是鏈分支反應(yīng)R46、鏈終止反應(yīng)R45，R36等，其中R45和R36具有負(fù)的敏感性系數(shù)。圖7表明，在H20比例為0.2%`~10%時(shí)，隨著H20比例的增大，R99和R46敏感性系數(shù)逐漸增大，且在H20比例為0.5%～5%時(shí)增幅最大，而后增幅逐漸減小，加之R36和R45的負(fù)敏感系數(shù)在數(shù)值上隨H20比例增大而逐漸增大（相對(duì)R99和R46的值仍較�。�，使層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮淖饔弥饾u減弱。因此，隨著H20比例的增大，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫婚_(kāi)始迅速增大，接著增幅逐漸減小，并達(dá)到極大值。
圖8為在CO中添加H20的比例不小于10%時(shí)的敏感性系數(shù)分布。隨著H20比例的繼續(xù)增大，具有正敏感性系數(shù)的鏈分支反應(yīng)R99和R46變化較��；在負(fù)敏感性系數(shù)一側(cè)，鏈終止反應(yīng)R35的敏感性系數(shù)值迅速增大，使降低火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖饔酶鼜?qiáng)，即隨著H20比例的繼續(xù)增大，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_(kāi)始減小。
從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度看，純CO在干燥空氣中燃燒，由于沒(méi)有OH，H等含H基團(tuán)的參與，其主要基元反應(yīng)：
等基元反應(yīng)，產(chǎn)生大量的H，OH基等活性很強(qiáng)的粒子，其中，自由基H是加速火焰速度最有效的基團(tuán)，它在鏈分支反
應(yīng)中起到了決定性作用[9]，[11]。這些活性粒子濃度的增大，強(qiáng)化了基元反應(yīng)，增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣?
然而，H20含量的繼續(xù)增大，又會(huì)不同程度地影響這些基元反應(yīng)，使某些基元反應(yīng)增強(qiáng)，而另一些基元反應(yīng)減弱：最終層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮『妥兓厔?shì)是所有基元反應(yīng)共同作用的結(jié)果，綜合表現(xiàn)為：隨著H20添加比例的持續(xù)增大，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认茸兇蠛鬁p小。向CO中添加H2O能提高火焰穩(wěn)定性的原因：提高了吹熄點(diǎn)附近燃燒區(qū)域的活性粒子H，OH基的濃度，提高了化學(xué)反應(yīng)速率，更快釋放燃燒的熱量，有利于增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度看，添加H2O對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃燒穩(wěn)定性的影響具有相同的內(nèi)因[9]
4結(jié)論
本文對(duì)以CO為主要成分的混合燃料進(jìn)行了預(yù)混火焰熄火特性實(shí)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)值模擬研究。
實(shí)驗(yàn)比較了CH4和CO的燃燒穩(wěn)定性差異，CO相比于CH4更難點(diǎn)火，穩(wěn)定燃燒的范圍更窄。
實(shí)驗(yàn)表明：向以CO為主要可燃成分的燃料中添加H20和添加N2，呈現(xiàn)出顯著的差異。添加N2可降低預(yù)混火焰穩(wěn)定性；在一定比例范圍內(nèi)，添加H20能夠提高CO預(yù)混火焰的穩(wěn)定性，在添加比例為3%~15%時(shí)有極值點(diǎn)。
模擬計(jì)算表明，隨著H20添加比例的加大，層流火焰速度先迅速增大到極大值，而后減小，這和熄火當(dāng)量比的變化趨勢(shì)在機(jī)理上吻合，且極值點(diǎn)出現(xiàn)的區(qū)間也相一致。敏感性分析表明：C0中添加適當(dāng)比例的H20能增大火焰?zhèn)鞑ニ俣群头�(wěn)定性，其原因是添加H2O后昕產(chǎn)生的H，OH等基團(tuán)，增強(qiáng)了OH+CO <=>H+CO2和H+H02<=>20H等鏈傳遞反應(yīng)的反應(yīng)速率．增大了火焰速度，強(qiáng)化了燃燒：
5摘要：
針對(duì)以CO為主要可燃成分的低熱值燃?xì)�，設(shè)汁加T了平口燒嘴裝置。在該裝置上進(jìn)行了 CO與CH4 預(yù)混熄火特性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)；考察了H20，N2對(duì)C0預(yù)混火焰熄火特性的影響。結(jié)果表明：與CH4相比,CO點(diǎn)火 困難，穩(wěn)定燃燒范圍更窄；隨著N2添加比的增大，熄火當(dāng)量比逐漸增大；添加適當(dāng)比例的H20能夠提高預(yù)混火焰的穩(wěn)定性。采用CHEMKIN軟件對(duì)在實(shí)驗(yàn)氣體中添加不同比例H20的層流火焰速度和敏感性系數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)比實(shí)驗(yàn)熄火特性曲線和層流火焰速度變化曲線，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)相近，并且均在H20的添加比例為3%～15%時(shí)出現(xiàn)極值點(diǎn)。
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