甲烷及摻氫甲烷預混火焰的穩定性

胡舸，魏勝，廖世勇，李清芳，張雙

(1. 重慶大學 化學化工學院，重慶，400044；2. 重慶通信學院 特種電源重點實驗室，重慶，400035)

火焰的穩定燃燒區間通常定義為火焰發生回火與脫火2 種燃燒狀態的燃氣流動區間。對于給定的混合氣體，只要其當量比(實際燃空比與理論燃空比之比)在著火極限區間內，火焰的穩定傳播主要受氣流的流動速度所決定。當其氣體流速值超過了一定值時，火焰將會被吹離燃燒器口邊沿而逐漸熄滅，此時的氣流流動參數就定義為火焰脫火極限。相反，當燃氣流速低于火焰燃燒的最小臨界值時，會使火焰面上某一點的燃燒速度大于氣流速度，這時火焰就會迎著氣流方向移動并傳播到氣流內部，燃燒火焰呈向燃燒器內收縮態勢，發生“回火”現象，此時對應的燃氣臨界流動參數就稱為火焰的回火極限。穩定火焰的傳播是高效燃燒的基礎[1]。火焰的脫火和回火是較為復雜的燃燒現象，受燃氣燃燒化學及流動等多方面的影響。Harris等[2]最早開始CH4與Air 前混火焰穩定性研究，20 世紀50 年代Kurz[3]就在3～17.5 mm 直徑本生燈上測試了火焰的穩定傳播區間，后來Putanm 等[4-5]又持續進行了大量了燃氣穩定性測試。他們用本生燈燃燒器出口速度梯度表征火焰的脫火和回火極限，發現火焰脫火極限是燃氣當量比的函數，而與本生燈直徑呈弱相關。火焰穩定特性研究一直是燃燒研究的熱點之一，自20 世紀以來，類似相關研究還很多[6-16]。但最近Mishra 等[15-16]開展的CH4與Air 預混火焰的穩定測試，發現火焰臨界燃燒速度仍與燃燒器尺寸存在一定的相關性。氫氣被認為是目前最有潛力的燃料添加劑，可較好地起到助燃作用。但目前國內外對氫氣摻混的穩定燃燒特性還鮮有報道。本文作者首先對CH4與Air 預混火焰的脫火極限和回火極限進行測試，并與相關文獻數據進行比較。隨后測試摻氫CH4與Air 火焰的脫火和回火極限，總結摻氫比率對甲烷火焰穩定區間的影響。

1 試驗系統及方法

火焰穩定特性測試是在本生燈燃燒器上進行。實驗選用3 種不同尺寸的燃燒器，噴口直徑D 分別為9，13 和15.4 mm，本生噴管的長度為800 mm，遠超過燃燒器出口的10 倍，以確保管道內部燃氣流動的均勻性[3]。實驗系統如圖1 所示，主要包括燃氣混合和流量調控部分。混合室是氣體燃料和空氣混合的容積室，其前端分別連接有壓縮空氣、甲烷和氫氣。實驗時，它們經減壓后在閥門控制下按設定燃氣當量比要求，以一定體積比例進入燃氣混合室，并在燃氣混合室中進行混合。為確保燃氣在混合器中均勻混合，在混合室內部設置了網狀介質，以干擾燃氣流運動。混合器后端出口分別接有本生燈和燃氣放氣口。實驗時，將燃氣混合室前的氣閥流量開到最大，本生燈火焰點燃，并且平衡放氣口也打開。待火焰燃燒穩定后，通過調整放氣口的燃氣流量，來達到改變流經燃燒器的氣體流量的目的，分別測試火焰的脫火和回火極限。實驗用燃氣為高純度CH4和H2，標稱純度均為99.9%。

圖1 實驗系統布置圖Fig.1 Schematic map of experimental system

2 試驗測試及結果分析

2.1 甲烷與空氣預混火焰穩定規律

實驗對不同當量比條件下的CH4與Air 預混火焰的脫火極限和回火極限進行了測試，結果以燃氣體積流量的形式見圖2。由圖2 可見：本生燈直徑D 對混合氣體出口極限流量具有較明顯的影響。脫火極限流量隨D 增大呈明顯的增大，而回火極限流量增大趨勢較小。

對于管道層流燃氣流，燃氣流速剖面分布按Poiseuille 方程[5]計算：

由式(2)可計算獲得不同尺寸本生燈的燃氣速度梯度與燃氣當量比φ的變化關系，也就是較為經典的火焰穩定極限的速度梯度表示法，結果分別如圖3 和圖4 所示。為驗證本文測試，圖3 和4 還給出Putnam 等[5]、Kurz 等[3]、Mishra[15]、和Cha 等[16]的數據結果，以進行比較。從圖3 可見：本生燈尺寸的改變對預混火焰脫火極限速度梯度影響較小，試驗結果與文獻結果基本吻合。脫火極限隨燃氣當量比的增加呈逐漸增大的趨勢，并未因大燃氣當量比下火焰燃燒速度降低而降低，其原因在于測試火焰沒有外圍保護氣體，氣體燃料的擴散燃燒行為，增強了火焰的穩定性。

圖2 CH4 與Air 預混火焰脫火和回火極限體積流量Fig.2 Blow-out limits and flash-back limits flow rate of CH4 and Air premixed flames

圖3 CH4 與Air 預混火焰脫火極限速度梯度Fig.3 Blow-out limits velocity gradient of CH4 and Air premixed flames

圖4 所示為CH4與Air 預混火焰的回火極限速度梯度。從圖4 可以看出：在本文測試的本生燈直徑范圍內，速度梯度與Putnam 等[5]以及Cha 等[16]的速度梯度相當吻合。本生燈直徑對回火極限的影響主要體現在小直徑本生燈上。本生燈直徑越小，回火極限越大。但當本生燈直徑大于13 mm 時，這種影響關系明顯弱化。在燃氣當量比φ=1 時，回火極限流量最大，主要因為此時預混火焰燃燒速度最大，具有更強的穩定傳播能力。

2.2 氫氣摻混對CH4與Air預混火焰穩定傳播的影響

圖4 CH4 與Air 預混火焰回火極限速度梯度Fig.4 Flash-back limits velocity gradient of CH4 and Air premixed flames

試驗測試了氫氣摻混對CH4與Air/預混火焰的穩定燃燒能力的影響。圖5 所示是直徑為9 mm 本生燈上摻氫條件下CH4與Air 預混火焰脫火和回火極限。從圖5 可見：H2摻混顯著提高了預混火焰的脫火極限和回火極限。摻氫火焰的回火極限與回火極限都隨著摻氫比的增加而呈現增大趨勢，摻氫脫火極限隨增加的幅度明顯大于回火極限的增加，這說明氫氣的摻混拓展了甲烷/空氣的穩定燃燒區間。摻氫對CH4與Air預混火焰穩定影響可以主要歸結為2 個方面：其一是摻氫火焰速度的增加，火焰速度的增加有利于拓展火焰的穩定性[5]；其二是摻氫后的散熱增強，由于氫氣的強的擴散作用，會造成強的熱量交換，從而使得火焰的穩定性降低。摻氫火焰脫火極限隨摻氫比率增加而增加，主要是摻氫對火焰燃燒速度增加作用大于火焰散熱影響。而預混火焰回火極限隨摻氫增加而增加，是因為回火時本生燈出口壁面傳熱損失的影響超過火焰燃燒速度增加的影響。

圖5 摻氫條件下CH4 與Air 預混火焰脫火和回火極限速度梯度Fig.5 Blow-out limits and flash-back limits velocity gradient of CH4 and Air premixed flames with hydrogen addition

圖6 CH4，Air 與H2 火焰回火極限隨摻氫量的變化關系Fig.6 Flash-back limits relation with hydrogen addition of CH4, Air and H2 premixed flames

圖7 CH4，Air 與H2 火焰脫火極限隨摻氫量的變化關系Fig.7 Blow-back limits relation with hydrogen addition of CH4, Air and H2 premixed flames

圖6 和7 所示為3 種不同管徑介于0.8～1.2 之間時火焰臨界速度梯度隨摻氫比的變化趨勢。從圖6 和7 可見：摻氫率增加，火焰的回火和脫火極限速度梯度都呈近似的線性關系增加；隨著摻氫比率增加，不同直徑的本生燈測試所得的回火和脫火極限的差距明顯加大。上述線性擬合關系系數表明，本生燈直徑增加，線性系數大幅度變小，這說明氫氣的擴散能力對脫火和回火極限的影響在小直徑的本生燈上體現更為明顯。

3 結論

1) 實驗獲得了與文獻數據基本吻合的CH3與Air預混火焰穩定燃燒區。CH4與Air 脫火極限速度梯度隨著燃氣當量比增加不斷增大，而回火極限隨著燃氣當量比增大先增大后減小。

2) 摻氫火焰的脫火和回火極限速度梯度都隨摻氫比的增加而增加，但脫火極限速度梯度增加幅度遠遠大于回火極限速度梯度，說明了氫氣的摻混有助于拓展甲烷/空氣的穩定燃燒能力。

3) 摻氫對CH4與Air 預混火焰穩定特性的影響可以近似線性表示為摻氫比率的函數，線性系數與燃氣當量比無關。但隨著本生燈直徑的增加，該線性系數顯著變小，說明氫氣對火焰穩定的擴散影響在小直徑本生燈上更為明顯。

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