混合燃燒的實驗和數(shù)值模擬研究綜述

陳珊珊

（河北環(huán)境工程學院，河北 秦皇島 066100）

燃燒三要素包括可燃物、氧化劑和點火源，其中可燃物的類型和特性在很大程度上決定了燃燒的發(fā)生和發(fā)展過程。大部分液體和固體燃料不能直接燃燒，而是先受熱分解成可燃氣體再燃燒，復雜氣體燃料通常也要先分解成簡單氣體。很多常用燃料如汽油、煤油、柴油等，都是石油經(jīng)過煉制得到的復雜烴類混合物；森林荒地火災中植被熱降解得到氣體混合物，主要成分是CO、CO2、甲烷及其他低碳烴類；建筑火災中各種高分子材料的熱解產(chǎn)物主要由CO、CO2、H2 及各種低碳烷烴和不飽和烴類組成。因此，混合燃燒現(xiàn)象普遍存在于實際燃燒過程中。

另一方面，混合燃燒也是改善貧燃燃燒特性的一種有效方法。在全球經(jīng)濟快速發(fā)展和能源大量消耗的今天，能源危機問題越來越受到人們的關注。因此，提高能源效率、實現(xiàn)能源經(jīng)濟利用已被眾多研究者提上日程。貧燃技術被許多學者認為是能夠滿足各方面需求的一種有效手段，可以大大減少燃料消耗和污染物排放。然而，這一技術仍有部分問題亟待解決：燃燒穩(wěn)定性會由于燃料不足受到影響，拉伸過程和熱損失可能引起局部熄火。這些問題限制了貧燃技術的應用和推廣，而混合燃燒是解決這些問題的有效方法之一。

一、研究手段

混合燃燒的研究手段主要包括實驗方法和數(shù)值模擬方法。研究初期受限于計算機硬件條件，以實驗方法為主。但是全尺寸實驗在很多情況下難以實現(xiàn)，通常需要大量的準備工作，實驗設備投資高且耗費時間長，燃燒產(chǎn)物中的毒性物質(zhì)也容易對操作人員造成傷害，導致一些數(shù)據(jù)無法得到有效提取，限制了相關研究的開展。隨著計算機技術的進步和對燃燒規(guī)律的深入了解，數(shù)值模擬逐漸成為研究混合燃燒問題的一個有效手段。通過建立數(shù)學模型對燃燒過程進行模擬，可以在工況較多的情況下快速獲得有效數(shù)據(jù)，具有成本低、周期短、可操作性強等優(yōu)點，能夠順利提取研究所需的大量資料。近些年來很多學者在研究過程中將兩種方法有機結合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，取得了一系列的進展。

二、研究進展

（一）簡單燃料研究

早期的混合燃燒研究以簡單碳氫燃料為主要對象，通過對于典型低碳氫燃料的混合燃燒特性和火焰結構的研究為復雜燃燒機理提供基礎數(shù)據(jù)。甲烷作為天然氣的主要成分，因為自身的特殊優(yōu)勢，被認為是最有發(fā)展前景的清潔能源之一，在基礎研究和實際應用中都得到了廣泛的應用。然而另一方面，甲烷的利用也遇到了一些問題，如熱效率低和貧燃性能差。甲烷貧燃能夠有效降低氮氧化物排放，但在應用中存在兩個缺點——層流燃燒速度明顯降低，熄火可能性增加。為了解決這兩個問題，相關研究人員進行了很多嘗試，發(fā)現(xiàn)一種有效方法是采用燃料添加劑，即將甲烷與其他燃燒速度快、火焰穩(wěn)定性好的燃料混合。重整氣被證明是一種很好的添加劑。由于重整氣主要由H2、CO和N2 組成，因此相關人員對于重整氣以及H2和CO 各自的作用進行了廣泛研究。

Yu 等學者通過實驗測量了含氫和不含氫的條件下碳氫化合物/空氣混合物的層流火焰速度，結果表明，H2 添加顯著提高了火焰速度。Coppens 研究了甲烷/氫氣/氧氣/氮氣層流預混火焰中組分對燃燒速度和NO 生成的影響，證明了隨著H2的富集，NO 濃度顯著降低。Guo 等學者研究了重整氣富集對甲烷/空氣預混對沖火焰的熄火極限和氮氧化物生成的影響，發(fā)現(xiàn)重整氣添加貧燃預混燃燒的顯著優(yōu)勢是：通過允許燃燒器在燃料更稀薄的條件下工作而對可燃范圍沒有任何影響，從而大大減少了NO的生成。此外上海市消防總隊的馬哲等人針對丙烷和H2 混合氣體燃燒的火焰特征開展試驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著混合氣體中丙烷氣體組分的比例不斷下降，混合燃燒的平均火焰高度逐漸下降[1]。

中國科學技術大學的火災科學國家重點實驗室作為我國火災科學基礎研究領域唯一的國家級研究機構，在混合燃燒領域取得了較多成果。陳文婷等人研究了貧燃條件下CO 含量對CH4/CO/空氣預混火焰的層流燃燒速度的影響，發(fā)現(xiàn)當燃料中加入更多CO時，層流燃燒速度下降。為了分析其原因，進一步研究了層流燃燒速度和H+OH 峰值濃度的關系，發(fā)現(xiàn)H+OH 峰濃度隨著CO 含量的增加呈線性下降，這一趨勢與層流燃燒速度的趨勢很好地吻合。同時，增加CO的含量可以顯著降低氮氧化物的排放，通過研究NO的形成機理，并測定相應的生成反應，發(fā)現(xiàn)NO 濃度隨著CO的富集顯著降低，產(chǎn)生速率也明顯降低。此外,利用數(shù)值模擬求解火焰徑向拉伸率,深入分析燃料中添加CO時拉伸率對貧燃火焰穩(wěn)定性的影響，計算得到熄火拉伸率發(fā)現(xiàn)燃料中CO的加入在一定程度上提高了其貧燃極限[2]。

作者曾對常溫常壓下不同乙烯含量的甲烷/乙烯/空氣貧燃預混火焰進行數(shù)值模擬，研究了乙烯添加對無拉伸層流燃燒速度、火焰結構和火焰穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著乙烯含量的增加，層流燃燒速度增大，且在當量比較大時，這種效應更加明顯。進一步研究分析產(chǎn)生這一結果的原因主要有兩個方面：一是乙烯添加越多，火焰中H、O和OH 濃度越高，燃燒效果越好，層流燃燒速度與反應區(qū)最大H+OH 濃度呈線性相關；二是隨著乙烯含量的增加，絕熱火焰溫度升高，反應發(fā)生的臨界溫度降低，能夠促進化學反應進行。代表火焰穩(wěn)定性的Markstein 長度和Markstein 數(shù)隨著乙烯添加量的增加而增大，表明隨著乙烯含量的增加，火焰穩(wěn)定性得到提高[3]。

（二）復雜燃料研究

隨著實驗平臺的完善和模擬技術的發(fā)展，針對復雜燃料的研究也越來越多?；馂目茖W國家重點實驗室的董清麗等人采用數(shù)值模擬方法對最典型的不飽和烴/復雜非烴類氣——乙烯/甲基醚混合燃料的燃燒特性進行研究，重點考察混合比率對點火延遲和層流燃燒速度的影響，并結合敏感性分析其原因。結果表明，點火延遲時間隨溫度的升高而減小，不同溫度下混合比率對點火延遲時間的影響不同。在較高的溫度下加入甲基醚可以減少點火延遲時間，特別是當添加量較小時，點火延遲時間的變化率較大；當混合比率大于20%時，甲基醚的加入對點火延遲時間的影響小于5%。層流燃燒速度隨甲基醚含量的增加而降低，且在混合比率較小時，甲基醚的加入對層流燃燒速度的抑制作用更為明顯[4]。

徐武等人采用實驗和數(shù)值方法研究了幾種鹵代烷作為阻燃劑對預混和非預混碳氫火焰的影響，測定了一定當量比范圍內(nèi)添加不同含量的C2HF5（HFC-125）、C2HF3Cl2（HCFC-123）和C3H2F3Br（2-BTP）時，甲烷/空氣火焰和丙烷/空氣火焰的無拉伸火焰速度和熄火拉伸率。實驗使用對沖火焰平臺，在常溫常壓下進行；模擬所用的動力學模型是基于C1-C4 碳氫模型和抑制子模型而開發(fā)的。通過將模擬結果與測量的火焰速度和熄火拉伸率進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者在層流火焰速度方面具有很好的一致性；對于非預混火焰的熄火拉伸率，雖然模擬準確預測了其隨著燃料摩爾比的增加而增加的趨勢，但得到的絕對數(shù)據(jù)偏高，即計算結果低估了抑制劑在擴散火焰中的滅火性能。對火焰速度研究發(fā)現(xiàn)抑制劑效力主要受到預混火焰當量比和抑制劑添加量的影響。C2HF3Cl2在所有研究的混合條件下都降低了火焰速度。但是貧燃條件下，C2HF5和C3H2F3Br 在低添加量時對火焰速度有抬升現(xiàn)象，表明抑制劑在該條件下的滅火作用是失效的，原因在于貧燃條件下抑制劑的添加導致了絕熱火焰溫度的上升，抑制劑本身的燃料性（化學式中含C和H）雖然很低但不能忽略。當燃料增多進入富燃條件時，抑制劑通過自由基捕獲和自由基催化重整循環(huán)等化學抑制作用降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，此時的絕熱火焰溫度也隨著抑制劑的添加而不斷降低[5]。

三、總結

燃燒三要素中可燃物的類型和特性在很大程度上決定了燃燒的的發(fā)生和發(fā)展過程。混合燃燒現(xiàn)象普遍存在于實際燃燒過程中，同時也是改善貧燃燃燒特性的一種有效方法。其研究手段主要包括實驗方法和數(shù)值模擬方法，目前很多學者通過將兩者有機結合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。其研究對象從早期的H2、CO、低碳烷烴等簡單燃料逐漸發(fā)展到不飽和烴、非烴類氣等各種復雜燃料，取得了一系列的成果。