直流電場對甲烷/氨/空氣預混層流火焰的影響

2021-10-11 02:35:44郭致成高忠權鮑彥同杜增暉李鈺潼張灝盧矍然

西安交通大學學報 2021年10期

郭致成,高忠權,鮑彥同,杜增暉,李鈺潼,張灝,盧矍然

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

隨著人類社會的發展,化石燃料作為當前主要的能量來源在全球范圍內得到了廣泛的應用,但與此同時也造成了比較嚴重的能源緊缺與環境污染問題。為了減少碳排放,緩解全球變暖問題,人類對于無碳能源的研究力度也在不斷加大。氨作為一種富氫無碳能源,可以視作清潔能源載體,同時氨的能量密度大,成本低,相比氫更加安全且容易運輸,這些優勢使得氨可以作為一種前景樂觀的替代能源[1-2]。雖然氨存在腐蝕性和毒性,但只要正確處理使用便是安全的。目前氨已經在工業上得到廣泛使用,而且Valera-Medina等人在整合了前人對于氨的研究成果之后,認為氨在發電和儲能方面前景廣闊,具有較大的發展潛力[3]。

與常規的碳氫燃料相比,純氨存在層流燃燒速度慢、熱值低、點火能量要求高以及可燃極限范圍窄的問題,但有關研究發現將氨與傳統碳氫燃料相互摻混后燃燒會改善純氨燃燒與排放性能[4]。Kurata等通過研究氨/甲烷混合燃料對燃氣輪機發電機組性能的影響效果,發現甲烷的摻入改善了燃燒穩定性,使得功率范圍增大,提高了燃燒效率和熱效率[5]。周梅等在鍋爐燃燒系統中進行了氨/丙烷混合燃料燃燒排放特性的實驗,發現在富燃料燃燒條件下,丙烷摻混氨不僅能夠減少CO2排放,還能夠大幅度降低NO和CO的排放[6]。除了與碳氫燃料混合燃燒使用,Tamura等也將氨與煤粉、煤油等混合利用并嘗試應用在燃煤鍋爐和燃氣輪機上,運行結果也表明摻混氨有利于減少碳排放[7]。將氨作為動力應用在內燃機上的研究也取得了一定的進展。利用氨與煤氣混合燃料作為動力的公共汽車已經在比利時成功運營[8];通過氨與氫/汽油/柴油等共燃的研究,表明在實際動力系統中使用氨混合物具有良好的潛力[9]。

為了促進燃料燃燒,提高火焰傳播速度與燃燒效率,近年來也興起了許多助燃技術,電場輔助燃燒技術便是其中之一。電場輔助燃燒技術在降低排放量、提高燃燒效率、增強火焰穩定性方面具有一定的優勢,故受到了國內外研究者廣泛而深入的研究[10]。杜增暉等在高初始壓力下研究了外加交流電場對甲烷/空氣預混火焰燃燒的影響,發現低頻條件下,隨著頻率升高,火焰傳播速率增大率和最高燃燒壓力增高率降低;高頻條件下,隨著頻率升高,火焰傳播速率增大率與最高燃燒壓力增高率均提高[11]。侯俊才等通過研究不同初始壓力條件下,加載負直流電場對甲烷/空氣預混火焰的影響,結果表明,加載電壓后火焰傳播速率明顯提高,電壓增大提高程度越大,初始壓力越大,其提高程度越明顯,電場對火焰的促進效果越好[12]。Won等通過對丙烷射流火焰施加電場,結果表明交流電場會拓寬火焰附著的穩定極限,且電壓越高、頻率越低其效果越好[13]。但目前對于電場輔助燃燒技術的探索主要集中于電場對傳統碳氫燃料燃燒的研究,關于氨與碳氫混合燃料在電場作用下火焰傳播情況的研究卻相對較少。本文在常溫298 K,常壓1個標準大氣壓下,利用定容燃燒彈平臺探究了直流電場對甲烷/氨/空氣預混火焰燃燒特性的影響。重點分析了加載直流電場后,混合氣預混火焰的火焰發展情況、平均火焰傳播速度和完全燃燒時間。本文研究成果將為氨的研究和利用提供一定的數據及理論基礎。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

本文實驗裝置如圖1所示。實驗裝置由定容燃燒彈、高壓電源、進氣與排氣系統、紋影與高速攝像系統、點火系統以及壓力信號采集系統組成。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 An experimental setup diagram

定容燃燒彈為260 mm×260 mm×315 mm長方體,其橫截面為正方形,材質為45鋼。燃燒彈內有一圓柱形空腔,直徑為140 mm,高度為180 mm。容彈內腔表面覆蓋有5 mm厚的聚四氟乙烯絕緣套。高抗沖石英玻璃安裝在容彈前后兩面,玻璃規格為直徑190 mm,厚度60 mm。玻璃外側為密封容彈體蓋板,蓋板中心開有直徑為130 mm的圓孔,此圓孔為容彈紋影系統提供光路。

點火電極對稱安裝在容彈內,間距為2 mm,電極由45鋼制成,直徑為2 mm,尖端錐角為30°。加載高壓直流電源的網狀電極水平安裝在容彈左右兩側,網狀電極為鏤空圓盤,外徑為60 mm,材質為45鋼,網格規格為8.5 mm×8.5 mm,網格的分割線厚度為0.8 mm,電極厚度為3 mm,兩電極相距70 mm。網狀電極通過鋼棒與高壓直流電源相連。定容燃燒彈及其相關裝置如圖2所示。

圖2 定容燃燒彈及其相關裝置Fig.2 Constant volume incendiary bomb and its related device

數據采集系統記錄燃燒過程中的壓力數據,紋影系統采集定容燃燒彈內混合氣的預混層流火焰燃燒圖像。實驗中所用到的儀器如表1所示。

表1 實驗所用儀器Table 1 Instruments used in the experiment

1.2 實驗方法

實驗分為兩部分:第一部分是保持過量空氣系數λ為1.2不變,對氨的摻混比α為10%、20%和30%的甲烷/氨/空氣混合氣加載電壓為±5、±10 kV的直流電場;第二部分是在α為20%的條件下,對λ為1.0、1.2和1.4的混合氣加載電壓為±5、±10 kV的直流電場。在這兩部分實驗中都相對應開展了不加載直流電場的實驗加以對照。甲烷/氨/空氣混合氣的化學計量燃燒反應如式(1)所示[14]。

(1-α)CH4+αNH3+(2-0.75α)O2=

(1-α)CO2+αNO+(2-0.5α)H2O

(1)

本次實驗的配氣通過式(1)來進行,其中α為氨在氨/甲烷可燃混合氣中所占的摻混比。根據道爾頓分壓定律,通過壓力變送器將混合氣充入容彈,靜置3 min,待氣體混合均勻后,打開電源加載直流電場并點火。

2 結果與分析

2.1 電場模擬

本文利用Ansoft Maxwell 15.0軟件對加載直流電壓分別為±5、±10 kV時,容彈內部的電場強度分布情況進行了數值模擬,得到水平軸線方向上點火電極到網狀電極之間的電場強度分布情況,其中點火電極所在位置為0、網狀電極為35,如圖3所示。由圖3可知,在同一電壓下,正、負直流電場的場強大小及分布基本相同,且在點火電極和網狀電極附近,場強變化梯度變大,電壓增大,變化梯度也隨之增大。這就導致了火焰發展在點火電極和網狀電極附近受電場影響更加明顯,火焰變化更加劇烈,故中間段火焰發展相對穩定。

圖3 水平軸線方向場強分布Fig.3 Field strength distribution in horizontal axis direction

2.2 火焰傳播圖像

在過量空氣系數λ為1.2時,甲烷/氨/空氣預混火焰在未加載電場(0 kV)以及加載±5、±10 kV條件下的傳播過程如圖4所示。由于不同氨摻混比下的火焰傳播規律基本一致,故只采用摻混20%氨時火焰的傳播發展情況進行示意。由圖4可以看出,正、負直流電場對于甲烷/氨/空氣預混火焰傳播都有一定程度的促進作用,并且主要體現在水平方向。通過比較傳播圖像中同一時間水平方向上火焰半徑的大小發現,負直流電場對于火焰的促進作用要略強于正直流電場。同時正、負直流電場對于火焰形狀都具備一定的拉伸作用,隨著電壓升高,拉伸作用更加明顯。

圖4 不同電場作用下火焰發展紋影Fig.4 Schlieren of flame development under different electric fields

隨著氨摻混比的增加,直流電場對甲烷/氨/空氣預混火焰的拉伸作用越明顯,如圖5a～c所示。當保持摻混比為20%時,不同過量空氣系數(λ=1.0、1.2、1.4)的甲烷/氨/空氣預混火焰在10、-10 kV下的傳播圖像如圖5d～f所示?？梢园l現隨著過量空氣系數的增大,正、負直流電場對于甲烷/氨/空氣預混火焰的拉伸作用更加明顯。

(a)不同氨摻混比,0 kV

(b)不同氨摻混比,10 kV

(c)不同氨摻混比,-10 kV

(d)不同過量空氣系數,0 kV

(e)不同過量空氣系數,10 kV

(f)不同過量空氣系數,-10 kV圖5 部分工況預混火焰在電場作用下的發展情況Fig.5 Development of premixed flame under electric field under partical working conditions

當未加載電場時,預混火焰呈現比較規律的準球形傳播,但加載直流電場后,火焰形狀在傳播過程中開始發生趨勢性變化。加載正直流電場后,火焰在水平方向得到明顯的促進作用,且促進作用沿豎直方向自中心向兩端不斷減弱,這使得整體火焰在傳播過程中其外沿逐漸發展為梭形。加載負直流電場后,豎直方向無明顯變化,水平方向上的促進和拉伸程度沿豎直方向變化不明顯,這使得預混火焰在傳播過程中外沿逐漸發展為圓角矩形。本結論是綜合圖4、圖5中±10 kV所對應的火焰紋影圖像得出的,此時火焰受到的拉伸作用相比±5 kV時更強,在點火電極和網狀電極之間得到充分拉伸,且火焰形狀變化趨勢更明顯。

2.3 火焰傳播距離

由于正、負直流電場對于甲烷/氨/空氣預混火焰傳播的影響主要表現在水平半徑方向,故本文主要研究水平方向上火焰的傳播情況。定容燃燒彈點火電極到網狀電極之間的距離為35 mm,前期火焰容易受到點火能量的影響,后期火焰則受到定容燃燒彈內溫度和壓力的影響較明顯,因此采用火焰傳播距離基本處于10～25 mm范圍內的數據進行分析。在過量空氣系數λ=1.2,未加載電場條件下,不同摻混比預混火焰傳播距離隨時間的變化情況如圖6a所示。以摻混20%氨為例,預混火焰在未加載電壓(0 kV)、±5 kV、±10 kV條件下的火焰傳播距離隨時間的變化情況如圖6b所示。從中可以看出火焰傳播半徑在10～25 mm范圍內隨時間的變化近似成線性變化,而且線性程度較高。

(a)0 kV下火焰傳播距離隨時間變化圖

(b)各電壓下火焰傳播距離隨時間變化圖圖6 火焰傳播距離隨時間的變化Fig.6 Varation of flame propagation distance changing with time

2.4 火焰傳播速度

火焰傳播半徑10～25 mm內隨時間的變化線性程度較高,這說明在火焰傳播過程中速度比較穩定,故采用此過程的平均火焰傳播速度表征該工況下的火焰傳播速度。通過處理實驗數據可得到不同氨摻混比、不同過量空氣系數、不同加載電壓下的火焰傳播速度,如表2、表3所示,表中φv為速度提升率。

表2 λ=1.2時不同氨摻混比下的平均火焰傳播速度及速度提升率隨電壓變化情況Table 2 Variation of average flame propagation speed and speed increase rate with change of voltage under different mixing ratios when λ=1.2

表3 α=20%時不同過量空氣系數下的平均火焰傳播速度及速度提升率隨電壓變化情況Table 3 Variation of average flame propagation speed and speed increase rate with change of voltage under different excess air coefficients when α=20%

相比于傳統的碳氫燃料/空氣預混火焰(本文實驗以甲烷/空氣預混火焰為對照組),摻混氨會使預混火焰的平均火焰傳播速度明顯降低,隨著摻混比增多,火焰傳播速度不斷減慢。當施加電壓相同時,火焰傳播速度同樣會隨著氨摻混比的增加而不斷減小,如表2和圖7所示。

由表2和圖8a可知,施加電場后,正、負直流電場對甲烷/氨/空氣預混火焰的火焰傳播速度都是起到促進作用,且不同摻混比下的火焰傳播速度都是隨著所加電壓的增大而增大。這種促進效果的變化規律也符合在不同過量空氣系數條件下的實驗結果,如表3和圖8b所示。圖8b是保持20%氨摻混比,過量空氣系數λ分別為1.0、1.2、1.4條件下的實驗結果。

圖7 λ=1.2時平均火焰傳播速度隨氨摻混比的變化Fig.7 Variation of average flame propagation velocity with change of ammonia mixing ratio at λ=1.2

(a)不同氨摻混比

(b)不同過量空氣系數圖8 平均火焰傳播速度隨加載電壓的變化Fig.8 Variation of average flame propagation velocity with change of loaded voltage

(a)不同氨摻混比

(b)不同過量空氣系數圖9 平均火焰傳播速度提升率的變化Fig.9 Variation of increase rate of average flame propagation speed

由表2和圖9a可以看出,正、負直流電場對于甲烷/氨/空氣預混火焰傳播速度的促進效果存在差異。在同一摻混比下,負直流電場對火焰傳播速度的促進效果要略強于正直流電場;電壓一定時,直流電場對甲烷/氨/空氣預混火焰的促進效果會隨著可燃混合氣中氨摻混比的增加而增強。由表3和圖9b可以發現,在不同過量空氣系數條件下實驗結果與現象依然與上述規律吻合,且隨著過量空氣系數的增大,直流電場的促進效果隨之增強,這說明直流電場對甲烷/氨/空氣預混火焰稀燃有明顯的提高與促進作用。

2.5 完全燃燒時間

完全燃燒時間是指可燃混合氣質量燃燒率達到100%所需的時間,可以表征混合氣燃燒情況。本文中質量燃燒率的計算方法依據Elbe方程,如式(2)所示[15]

(2)

式中:P(t)為實驗過程中采集得到的瞬時火焰燃燒壓力;Pi是燃燒前的初始壓力;Pmax是燃燒過程中的最大壓力。各工況下完全燃燒所用時間以及各電壓對其所需時間的提前率如表4和表5所示,表中φt為時間提前率。

在相同的電場條件下,隨著氨摻混比的增加,完全燃燒時間會明顯增長。加載直流電場后,完全燃燒所需時間會相應減少,且所需時間隨著所加電壓的增大而下降;當氨摻混比一定、電場電壓絕對值相同時,負直流電場對甲烷/氨/空氣預混火焰完全燃燒時間提前的促進效果要稍強于正直流電場;電壓一定時,直流電場對促進混合氣完全燃燒時間提前的效果會隨著氨摻混比的增加而增強,如表4、圖10所示。

表4 λ=1.2時不同氨摻混比下完全燃燒時間及時間提前率隨電壓的變化Table 4 Variation of complete combustion time and time advance rate with change of voltage under different mixing ratio when λ=1.2

(a)各工況完全燃燒時間

(b)各工況完全燃燒時間提前率圖10 λ=1.2時各工況完全燃燒時間及時間提前率Fig.10 Complete combustion time and time advance rate under various working conditions when λ=1.2

保持氨摻混比為20%,改變過量空氣系數后發現,隨著混合氣變稀,直流電壓使可燃混合氣完全燃燒的時間明顯減少;施加電壓一定時,隨著混合氣變稀,直流電場對時間提前率的影響效果也隨之增強,這也直接說明直流電壓能夠有效促進甲烷/氨/空氣預混火焰在稀燃條件下的完全燃燒,有利于促進和改善燃燒過程,如表5和圖11所示。

表5 α=20%時不同過量空氣系數下完全燃燒時間及時間提前率隨電壓的變化Table 5 Variation of complete combustion time and time advance rate with change of voltage under different excess air coefficients at α=20%

(a)各工況完全燃燒時間

(b)各工況完全燃燒時間提前率圖11 20%氨摻混比在不同過量空氣系數下完全燃燒時間及時間提前率Fig.11 Complete combustion time and time advance rate of 20% ammonia blending under different λ

2.6 實驗現象成因分析

施加的正、負直流電壓增大會促進各種電離過程,同時增大定容燃燒彈內電場強度,這使得帶電粒子濃度增加、受力增強,離子風效應發展程度隨之增強,粒子間相互碰撞加劇,故甲烷/氨/空氣預混火焰的傳播速度會加快、完全燃燒時間提前;當摻混氨的比例增加、過量空氣系數增大時,甲烷/氨/空氣預混火焰燃燒速度減緩,離子風效應能夠得到更加充分的時間發展,故在這種情況下,高壓直流電場對甲烷/氨/空氣預混火焰的促進效果明顯,火焰傳播速度提高率和完全燃燒時間提前率得到大幅度提升。

甲烷/氨/空氣預混火焰形狀的改變主要是由于正、負離子風發展過程的不同導致的[20]:負離子主要在火焰鋒前預熱區內通過電子與中性粒子的吸附反應生成,加載正直流電場后負離子沿水平方向遷移形成負離子風,且離子風發展程度沿豎直方向自中心向兩端逐漸減弱,這就使得預混火焰外緣呈梭形;加載負直流電場后,正離子沿火焰鋒面遷移,當正離子風發展到一定程度會形成渦流,內部和外部渦流的存在使得原本比較規律的圓形火焰外緣逐漸變得方正,最后大致發展成為圓角矩形火焰。