稀釋氣對高甲烷含量天然氣燃燒特性的影響

湯成龍,司占博,張旭輝,張雙,黃佐華

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稀釋氣對高甲烷含量天然氣燃燒特性的影響

湯成龍,司占博,張旭輝,張雙,黃佐華

隨著化石能源短缺和大氣污染的日益嚴重,探索高效燃燒方式已成為內燃機和燃燒學界的重要研究方向。天然氣(主要成分是甲烷,以及少量乙烷等)具有安全性高、排放性能好、價格低等優點,已成為目前應用最為廣泛的汽車代用燃料。為進一步提高天然氣發動機的熱效率,通常會使用較高的壓縮比,結果導致發動機更容易發生爆震,缸內燃燒溫度升高,NOx排放增加。甲烷具有超高的辛烷值和良好的抗爆性,所以一些天然氣發動機從業者追求使用高甲烷含量的天然氣來克服壓縮比提高產生的爆震現象。此外,廢氣再循環(EGR)是將燃燒后產生的部分殘余廢氣引入到氣缸中,使燃燒反應在低氧狀態下進行,致使燃燒溫度降低,該方式可以有效降低發動機燃燒產生的NOx含量[1-4]。

目前,天然氣和甲烷基礎燃燒特性已經得到了廣泛的研究。Liao等利用定容燃燒彈研究了天然氣/空氣的層流火焰速度和Markstein長度,結果表明層流火焰速度在當量比為1.1附近達到最大,Markstein長度隨初始壓力和溫度的增加略微減小,而隨當量比的增加而增加[5]。Gu等通過實驗研究了甲烷/空氣在不同壓力和溫度下的層流燃燒速度和Markstein長度,指出火焰不穩定性隨初始壓力的增加而增加,隨當量比的增加而降低[6]。Stone等研究了添加稀釋氣(CO2/N2)對甲烷/空氣層流火焰速度的影響[7]。Hu等研究了EGR率和氫氣摻混量對火花塞點火式天然氣發動機燃燒特性的影響,結果表明火焰燃燒期隨EGR率的增加而延長,隨氫氣摻混量的增加而縮短[8]。Tang等研究了甲烷含量、壓力和稀釋比對天然氣/空氣爆炸特性的影響,結果指出甲烷含量增加對天然氣層流燃燒特性影響較小,而隨初始壓力增加,爆炸壓力峰值和壓力升高率峰值均明顯增大,添加稀釋氣則會抑制爆炸壓力,使得壓力升高率的峰值減小[9]。

然而,稀釋氣對高甲烷含量下天然氣基礎燃燒特性的影響尚未得到充分研究。因此,本文研究了不同稀釋比和稀釋氣種類下高甲烷含量天然氣的層流燃燒速度、質量燃燒率、火焰厚度、絕熱火焰溫度、NOx摩爾分數、燃燒壓力和燃燒期等燃燒特性參數信息,從而可以得到稀釋氣對燃燒特性的影響規律,以期從燃燒角度對天然氣發動機的缸內優化提供參考。

1 實驗裝置和數據處理方法

1.1 實驗裝置

本文中稀釋比定義為

(1)

式中:Vf表示燃料體積;Va表示空氣體積;Vd表示稀釋氣體積。

如圖1所示,實驗系統由定容燃燒彈、溫度壓力監控系統、高速攝像機和紋影系統、點火和數據采集系統組成,其詳細描述見文獻[10-11]。容彈(Φ180 mm×210 mm)兩端分別裝有一個直徑為80 mm的玻璃視窗,用來提供燃燒過程可視化的光學通路。容彈內中心位置裝有兩根點火電極,外部布置有壓力傳感器、熱電偶、液體注射閥和進排氣閥。高速攝像機(Phantom V611)拍攝速度采用1萬幅/s。實驗的配氣方法是依據分壓定律分別向彈體內注入天然氣、稀釋氣和空氣,靜置10 min后點火。燃燒結束后抽真空沖洗容彈至少3次。本實驗采用的天然氣成分的體積分數為甲烷95%、乙烷5%,空氣采用O2和N2以體積比為1∶3.762的比例混合。稀釋氣除選用N2和CO2外,還增加了與實際發動機EGR組分比熱容最為接近的N2+CO2混合氣(其中N2體積分數為85%,CO2體積分數為15%)。實驗采用的燃空當量比均為1.0,初始壓力為101 kPa,初始溫度為423 K。

圖1 實驗系統示意圖

1.2 數據處理方法

對于球形擴散火焰,可以通過火焰半徑對時間的微分來獲得拉伸火焰傳播速率Sb[12],即

(2)

式中:rf為火焰半徑;t為火焰擴散時間。

火焰拉伸率α由火焰前鋒面上無限小面積A的對數值對時間的導數獲得[13]

(3)

只考慮火焰傳播初期,拉伸火焰傳播速率與火焰拉伸率之間存在如下線性關系[14]

(4)

圖2 拉伸火焰傳播速率與拉伸率的關系

由火焰前鋒面的質量守恒可得

(5)

式中:Af為火焰前鋒面面積;ρu和ρb分別為未燃和已燃氣體的密度,ρu可通過燃氣初始狀態獲得,ρb由過熱平衡法計算得到[15]。

由此,可以推出無拉伸層流燃燒速率

(6)

式中:f為質量燃燒率。

甲烷和乙烷的化學反應機理已經比較成熟,其中被廣泛應用的是GRI-Mech[16-17]化學反應機理。本文中的NOx摩爾分數利用Chemkin-II軟件包中的Premix模塊[18]結合GRI-Mech3.0機理計算得到,絕熱火焰溫度采用Equilibrium模型計算得到。

2 實驗結果與分析

2.1 層流火焰速度和質量燃燒率

圖3 層流火焰速度與稀釋比的關系

圖4 質量燃燒率與稀釋比的關系

2.2Markstein長度和火焰厚度

層流火焰厚度δL的計算參考Thierry等的方法[19],定義為

(7)

式中:Tad為絕熱火焰溫度;Tu為未燃氣初始溫度。

Markstein長度表示層流火焰本身屬性對拉伸的敏感程度,是反映火焰穩定性的重要參數。圖5和圖6分別給出了不同稀釋氣種類下Markstein長度和火焰厚度隨稀釋比的變化關系。可以看出,對于3種稀釋氣體,Markstein長度均隨稀釋比的增加而增加,這反映出稀釋氣體的加入使得火焰前鋒面對于擾動的抑制能力增強,即降低了火焰的不穩定性。

圖5 Markstein長度與稀釋比的關系

圖6表明對于同一種類稀釋氣,火焰厚度隨稀釋比的增加而增加,這意味著火焰流動不穩定性得到抑制。火焰厚度變大主要是由于稀釋比增加導致未燃混合氣化學反應速率降低引起的。當稀釋比相同時,CO2作為稀釋氣時,火焰厚度變化較為顯著,這進一步說明CO2稀釋氣對火焰傳播和火焰厚度的影響要大于N2稀釋氣的影響。

圖6 火焰厚度與稀釋比的關系

2.3 燃燒熱參數和NOx排放

圖7給出了3種稀釋氣下絕熱火焰溫度Tad隨稀釋比的變化關系。可以看出,絕熱火焰溫度隨稀釋比的增加而下降,這是由于惰性氣體稀釋減弱了反應區的化學反應強度,稀釋氣加入到可燃混合氣后會降低其熱值,并且隨著稀釋氣的添加致使額外熱容增大,吸收燃燒釋放的部分熱量,導致絕熱火焰溫度下降,而此量值的降低也是層流火焰速度下降的原因之一。此外,對于給定稀釋比,絕熱火焰溫度隨N2+CO2混合氣中N2比例的減小而降低,這說明CO2的熱作用強于N2。

圖7 絕熱火焰溫度與稀釋比的關系

圖8給出了不同稀釋比和稀釋氣種類下火焰溫度和熱釋放率隨軸向距離x的變化曲線。由圖可知,火焰溫度和熱釋放率都隨稀釋比的增加而降低。圖8a中,N2作為稀釋氣體,稀釋比為5%時最高火焰溫度是2 028 K,而在稀釋比為20%時的最高火焰溫度是1 864 K,下降了164 K,說明總熱釋放量隨稀釋比的增加而減少。這主要是由于稀釋氣的加入吸收了部分化學反應釋放的能量致使火焰溫度降低,進而引起層流火焰速度降低。當稀釋比為10%時,隨N2+CO2混合氣中N2比例的增加火焰溫度和熱釋放率均增加,這與N2+CO2混合氣中N2比例對層流火焰速度的影響趨勢是一致的。

(a)不同的稀釋比下

(b)不同的稀釋氣種類下圖8 火焰溫度和熱釋放率隨軸向距離的變化關系

基于GRI-Mech3.0機理計算得出的NOx摩爾分數在不同稀釋氣下隨稀釋比的變化關系如圖9所示。由圖可知,NOx摩爾分數隨稀釋比的增加而迅速降低。這是由于N、OH、O、H和N2等是NOx排放生成的重要物質,這些物質主要是在高溫區產生,而稀釋氣體的加入降低了火焰溫度(見圖8a),故NOx摩爾分數隨稀釋比的增加而下降。此外,該下降趨勢在N2+CO2混合氣中N2比例較小時更為明顯,表明CO2稀釋氣對NOx排放的降低作用更為明顯。

圖9 NOx摩爾分數隨稀釋比的變化關系

2.4 燃燒壓力與燃燒期

圖10給出了N2作為稀釋氣時不同稀釋比下燃燒壓力與壓力升高率隨時間的變化關系。由圖可知,燃燒壓力峰值和壓力升高率峰值都隨稀釋比的增加而減小。這是由于稀釋氣的添加使混合氣燃燒放熱量減少,導致最高燃燒溫度降低,壓力峰值降低。壓力升高率峰值的降低是由混合氣的最大熱釋放率隨稀釋比的增大而減小引起的。另外,稀釋比越大,從點火到燃燒壓力達到峰值的時間也就越長,反映了混合氣火焰傳播速度越慢。

稀釋比為10%時,不同種類稀釋氣對燃燒壓力與壓力升高率的影響如圖11所示。可以看出,隨N2+CO2混合氣中N2比例的增加燃燒壓力峰值和壓力升高率均增大,燃燒壓力峰值出現的時間也更早,這是由于N2稀釋氣相比CO2稀釋氣,其對應的混合氣絕熱火焰溫度和熱釋放率較大所致。此外,隨時間延長,燃燒壓力開始明顯降低,這主要是由壁面傳熱量增大與混合氣總熱值降低造成的。

(a)燃燒壓力隨時間的變化關系

(b)壓力升高率隨時間的變化關系圖10 稀釋比對燃燒壓力和壓力升高率的影響

(a)燃燒壓力隨時間的變化關系

(b)壓力升高率隨時間的變化關系圖11 稀釋氣種類對燃燒壓力和壓力升高率的影響

燃燒期tR是對內燃機燃燒效率和排放特性有重要影響的參數之一,所以燃燒期的標準量化和控制顯得尤其重要。本文采用的燃燒期定義為從點火到燃燒壓力達到峰值所需要的時間[20]。由圖12可看出,燃燒期隨稀釋比的增大而增大,這是由于火焰傳播速度隨稀釋比的增大而減小,致使火焰在燃燒室的燃燒持續時間增加。稀釋比相同時,隨N2+CO2混合氣中N2比例的增加混合氣的燃燒期逐漸減小。當稀釋比為5%時,N2稀釋氣對應的混合氣燃燒期相比CO2稀釋氣的小了17.5 ms,而當稀釋比為20%時,其差值為132.3 ms。這說明CO2對燃燒期的影響作用大于N2的影響,與CO2和N2對層流火焰速度的影響作用是一致的。

圖12 燃燒期與稀釋比的關系

3 結 論

本文通過實驗和數值模擬兩方面分析了高甲烷含量天然氣基礎燃燒特性,得到了不同稀釋比和稀釋氣種類下層流火焰特性參數,主要結論如下。

(1)添加稀釋氣降低了混合氣的火焰溫度,導致NOx摩爾分數隨稀釋比的增加而下降,而且混合氣層流火焰速度、質量燃燒率和熱釋放率均隨稀釋比的增加而減小。

(2)隨著稀釋比的增加,Markstein長度和火焰厚度都增加,火焰流動不穩定性得到抑制,火焰前鋒面對于擾動的抑制能力增強。

(3)添加稀釋氣造成燃燒壓力峰值與壓力升高率降低,而且從點火到燃燒壓力達到峰值的時間越長,燃燒期延長。

(4)N2和CO2對混合氣基礎燃燒特性的影響作用有著明顯區別,CO2對混合氣的影響效果更加明顯。

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(編輯 荊樹蓉)

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

針對高甲烷含量天然氣在實際發動機中燃燒溫度過高、NOx排放過高的問題,利用定容燃燒彈實驗和Chemkin軟件模擬計算相結合的方法,對其預混層流燃燒特性進行研究,分析了不同稀釋比和稀釋氣種類(N2和CO2)對混合氣的層流火焰速度、NOx摩爾分數、燃燒壓力和燃燒期等燃燒特性參數的影響。研究表明,層流火焰速度、質量燃燒率和熱釋放率均隨稀釋比的增加而減小,稀釋氣添加導致火焰溫度下降,從而降低了NOx摩爾分數。Markstein長度和火焰厚度都隨稀釋比的增加而增加,火焰流動不穩定性得到抑制。添加稀釋氣導致燃燒壓力峰值和壓力升高率降低、燃燒期延長,與N2相比,CO2對混合氣燃燒特性的稀釋效果更加顯著,從而為通過廢氣再循環技術路徑降低高甲烷含量天然氣發動機燃燒溫度,控制NOx排放提供了理論指導。

天然氣;稀釋;層流火焰速度;燃燒特性

Effects of Diluents on the Combustion Characteristics of Natural Gas with High Methane Content

TANG Chenglong,SI Zhanbo,ZHANG Xuhui,ZHANG Shuang,HUANG Zuohua

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The combustion characteristics of premixed laminar flames of natural gas with high methane content were studied to reveal the influences of dilution ratio and diluent kinds (N2and CO2) on the combustion characteristics such as the laminar flame speed, NOxmole fraction, combustion pressure and combustion duration. The study results show that the laminar flame speed, the mass burning flux and the heat release rate all decrease with the increasing of dilution ratio; and with the addition of diluents, the flame temperature decreases, hence decreasing the NOxmole fraction. The Markstein length and flame thickness also increase with the dilution ratio, indicating that the flow instability of flame is suppressed. The combustion pressure peak and the pressure rising rate decrease while the combustion duration increases with the addition of diluents. Additionally, compared with N2, CO2has more obvious dilution effect on the combustion characteristics of natural gas with high methane content.

natural gas; dilution; laminar flame speed; combustion characteristics

2015-01-25。 作者簡介:湯成龍(1981—),男,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51206131)。

時間:2015-06-04

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150604.1711.001.html

10.7652/xjtuxb201509008

TK464

A

0253-987X(2015)09-0041-06