低濃度煤層氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?shí)驗(yàn)研究

劉冬霞， 劉瑞祥

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，一方面對能源的需求越大，能源的不可再生性導(dǎo)致可利用能源越來越少；另一方面由于燃料的燃燒產(chǎn)生很多對人體有害的污染物，使得人類賴以生存的環(huán)境越來越差，全球變暖，產(chǎn)生溫室效應(yīng).這兩方面使得能源與環(huán)境問題稱為全球廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)，因此充分利用各種能源是非常必要的.低熱值氣體燃料是一種來源廣泛、成本較低的燃料，可以在一定程度上緩解能源壓力.低熱值氣體燃燒作為發(fā)動機(jī)燃料是其應(yīng)用的主要方式之一[1].煤層氣作為發(fā)動機(jī)替代燃料，具有雜質(zhì)少、燃燒清潔、燃燒效率高和發(fā)動機(jī)低溫易起動等特性[2-3].

發(fā)動機(jī)燃燒特性和燃燒過程的研究手段主要有實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)、理論數(shù)值模擬、模擬實(shí)驗(yàn)三種.由于燃燒過程的復(fù)雜性，模擬實(shí)驗(yàn)就變成必不可少的手段.它忽落了某些參數(shù)，有選擇的控制燃燒過程中的主要參數(shù)，這樣大大簡化了實(shí)驗(yàn)工作，方便找出主要參數(shù)與燃燒特性之間的關(guān)系.本文在定容燃燒彈中，利用高速攝影儀和數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)來研究低濃度煤層氣當(dāng)量比、濃度、溫度等對層流燃燒特性和火焰穩(wěn)定性.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)中定容燃燒彈內(nèi)腔為一圓柱體，其高為100mm，底面直徑為130mm，容積為1.3L，定容彈壁厚為35mm[4].在一端開有石英窗口，另一端安裝美國STITT公司生產(chǎn)火花塞和K型熱電偶，頂部安裝KISTLER生產(chǎn)的6117BFD17型壓力傳感器，定容燃燒彈外面利用加熱套加熱.高速攝影儀采用加拿大MREL Group of Companies生產(chǎn)的TSHRCS型的攝影儀，可調(diào)節(jié)焦距和拍攝速度.DEWE2010高速數(shù)據(jù)采集儀用來采集壓力傳感器傳遞的燃燒壓力.圖1為定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖.

圖1 定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖

低濃度煤層氣主要包括甲烷、氮?dú)狻⒍趸肌⒀鯕獾瘸煞?為了便于處理實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)對組成進(jìn)行了簡化.用氮?dú)夂图淄閬砼渲玫蜐舛让簩託猓獨(dú)夂脱鯕鈦砼渲每諝?采用分壓定律來配氣不同初始條件的預(yù)混合氣.實(shí)驗(yàn)條件如表1.

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2 計(jì)算方法

采集的數(shù)字圖像中每一幀照片的拍攝時(shí)間間隔是已知的，火焰半徑可以有相關(guān)軟件計(jì)算獲得.這樣就可以求的火焰半徑和時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)一步可求得火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜁r(shí)間的關(guān)系.

定容燃燒彈中火焰?zhèn)鞑ナ且曰鸹ㄈ麨橹行模蛑車魄蛐螖U(kuò)散的.在球形火焰中，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣榷x為火焰半徑對時(shí)間的變化率[5].

(1)

式中：ru為火焰半徑；t為火焰?zhèn)鞑サ竭@個(gè)半徑所用的時(shí)間.

火焰拉伸率α可以定義為火焰表面一微小面積A的對數(shù)值對時(shí)間求導(dǎo)

(2)

對于球形火焰?zhèn)鞑?/p>

(3)

在火焰擴(kuò)散的初期階段，容彈內(nèi)的壓力變化較小，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧胬炻式瞥删€性關(guān)系[6].

Sl-Sn=Lb·α

(4)

由式(1)和(3)式可以分別求出拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧胬炻剩瑢⒅本€Sn-α倒推至火焰拉伸率為0，這時(shí)，直線在Sn上的截距就代表無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l[7].直線的斜率就代表馬克斯坦常數(shù)，馬克斯坦常數(shù)反映火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2給出了當(dāng)量比Ф=1，初始壓力為300kPa,初始溫度為300K,低濃度煤層氣含量分別為28%(組分1)、22%(組分2)、16%(組分3)時(shí)的火焰?zhèn)鞑グ霃胶蜁r(shí)間的關(guān)系.由圖2可以看出，當(dāng)火焰達(dá)到同一半徑下時(shí)，所用的時(shí)間不同，組分1(CH4：28%、N2：72%)所用的時(shí)間比組分2(CH4：22%、N2:78%)和組分3(CH4：16%、N2：84%)都要短.這一現(xiàn)象表明，隨著甲烷含量的增加以及氮?dú)夂康脑黾樱瘜W(xué)反應(yīng)速率加快，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?

由于這里的低濃度煤層氣是由甲烷和氮?dú)饨M成的，甲烷濃度的升高必將使氮?dú)獾臐舛冉档?這樣，一方面煤層氣中甲烷和氧氣之間反應(yīng)分子的接觸增加，碰撞幾率增加，產(chǎn)生的熱量增加；另一方方面，惰性氣體氮?dú)獾臏p少，對活化能的吸收作用減弱，對反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量的吸收作用也減弱，使得反應(yīng)物的溫度增加，化學(xué)反應(yīng)速率增加.

圖2 不同濃度煤層氣火焰半徑隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖3給出了在相同組分、初始壓力和初始溫度下，不同當(dāng)量比時(shí)火焰半徑隨時(shí)間的變化關(guān)系.火花塞點(diǎn)火后火焰開始傳播，點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑コ跗谟泻艽蟮挠绊懀鹧鎮(zhèn)鞑ブ衅谥饕墚?dāng)量比的影響，由圖可以看出當(dāng)量比為1時(shí)火焰?zhèn)鞑サ乃俣茸羁欤?dāng)量比增加，可燃混合氣的濃度增加，活化分子增加，化學(xué)反應(yīng)速率增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣染涂?當(dāng)量比為1.2時(shí)混合氣中可燃?xì)怏w過多、氧氣過少，當(dāng)量比為0.8時(shí)混合氣中可燃?xì)怏w過少、氧氣過量，都會導(dǎo)致不完全燃燒.這樣，產(chǎn)生的熱量減少，且未燃?xì)怏w還要吸收部分熱量，反應(yīng)物的熱量減少，使得反應(yīng)速率減慢.

圖3 不同當(dāng)量比下火焰半徑隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖4可以看出隨著溫度的增高，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣染噬仙厔荩?dāng)火焰前鋒擴(kuò)散時(shí)，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)不同程度的波動，并且溫度越高，波動的幅度越大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)奶岣哳A(yù)混合氣的初始溫度，能夠加快反應(yīng)物之間的活化能、加速分子之間的碰撞，在火焰發(fā)展早期，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S溫度提高呈上升趨勢，并且，溫度越高，上升的越快.火焰發(fā)展中期，火焰前鋒擴(kuò)散過程中，未燃區(qū)和火焰前鋒接觸面積受到限制，導(dǎo)致新鮮未燃混合氣無法快速燃燒，使得拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?火焰?zhèn)鞑ズ笃冢熳饔脤θ紵挠绊憸p弱，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兴岣?最后受到容彈壁的冷卻作用，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏陆第厔?

圖4 不同溫度下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑的影響

圖5給出了不同初始溫度條件下馬克斯坦常數(shù).由圖可以看出隨著混合氣初始溫度的增加，無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱R克斯坦常數(shù)減小；隨著甲烷濃度的增加馬克斯坦常數(shù)增加.由于馬克斯坦常數(shù)可以用來表征火焰穩(wěn)定性，所以可得出，隨著初始溫度的增加，火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性降低.

圖5 初始溫度對馬克斯坦常數(shù)的影響

4 結(jié)論

本文利用高速攝影技術(shù)采集燃燒彈火焰?zhèn)鞑デ闆r，用球形擴(kuò)散理論研究了低濃度煤層氣對層流燃燒特性的影響.主要結(jié)論如下：

1)相同初始壓力、初始溫度下，當(dāng)量比一定時(shí)，火焰半徑隨著甲烷濃度的增加而增加.

2)相同初始壓力、初始溫度，甲烷濃度一定條件下，火焰半徑隨著當(dāng)量比的增加先增加后減小，當(dāng)量比為1是最快.

3)相同初始壓力、初始溫度和當(dāng)量比下，隨著溫度的升高，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱虚g有稍微的幅度.

4)相同初始壓力、初始溫度和當(dāng)量比下，隨著甲烷濃度增加，馬克斯坦常數(shù)增加，火焰穩(wěn)定性好，初始溫度的增加，馬克斯坦常數(shù)減小，火焰穩(wěn)定性減弱.

[1] 靳彪，郭林福，王煜.發(fā)動機(jī)燃用煤層氣的燃燒性能研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2010(12):41-45.

[2] 孔慶陽.煤層氣在氣體燃料發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)，2008，8(4)：45-47.

[3] 胡向志，王志榮.淺談煤層氣的綜合開發(fā)利用[J].中州煤炭，2009(12):39-40,84.

[4] 王海鳳.定容燃燒裝置的研制及高爐煤氣燃燒特性研究[D].淄博：山東理工大學(xué)，2007.

[5] Gu X J，Haq M Z．Lawes M,etal．Laminar burning velocity and markstein lengths of methane-air mixtures[J].Combution and Flame， 2000，121(1-2)：41-58．

[6] Bradley D，Gaskell P H，Gu X J．Burning velocities，markstein lengths，and flame quenching for spherical methane-air flames：A computational study[J]．Combustion and Flame，1996，104：176-198．

[7] 劉巖，楊清勇，苗海燕，等.甲烷含量對煤層氣層流燃燒速率的影響[C]//中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會，2010年APC學(xué)術(shù)年會論文集，宜昌：2010，8:122-125.