沼氣組分比例對其燃燒穩定性及層流燃燒特性的影響

曾 文，劉 靖，劉 宇，劉愛虢

（沈陽航空航天大學 航空航天工程學院，沈陽 110136）

0 引 言

隨著中國社會經濟的發展，城市數量、城市人口的增加以及人民生活水平的提高，城市生活垃圾的產量也迅速地增加。預計在未來的10～15 a內，中國城市生活垃圾將以每年 2.3%～3.3%的速度遞增，城市生活垃圾污染問題已成為一個十分嚴峻的社會及環境問題。如何實現城市生活垃圾的減量化、資源化和無害化，有效控制其對環境的污染，已成為中國城市化進程中迫切需要解決的一個重大課題。垃圾填埋氣體是垃圾填埋后在缺氧條件下，垃圾中有機物厭氧降解所產生的混合氣體（沼氣），其熱值約為19 256 kJ/m3，屬于低熱值氣體。隨著世界范圍日益緊張的能源趨勢，且由于其具有可循環性、原料多樣性、環保性等優勢特點，生物質氣的資源化利用已成為能源節約與生態環保的重要研究方向。

沼氣中可燃成分主要為CO、H2、CH4等，惰性氣體成分主要為N2、CO2等。但是，由于受諸多因素的影響，沼氣中各組分比例的含量變化明顯。由于各組分比例含量的變化，將對其熱值、著火特性與燃燒特性等產生較為顯著的影響。目前，燃氣輪機的設計燃料基本為天然氣或輕柴油。以沼氣為燃料的燃氣輪機，在將燃料由天然氣改為沼氣時，燃料成分發生變化，熱值降低（甲烷熱值為35 916 kJ/m3、柴油熱值為46 000 kJ/kg），且需要滿足環境保護和燃氣輪機可靠性、經濟性要求。因此，需在充分了解沼氣燃燒特性及沼氣組分比例的變化對其燃燒特性的影響規律[1-4]（燃燒穩定性及層流燃燒特性）的基礎上對燃氣輪機的燃燒室結構和運行參數進行相應調整與改進[5-9]。

Yan等[10]對 4種生物質氣在平板火焰燃燒器中的層流燃燒速度進行了試驗測試與數值計算，同時分析了當量比與氫氣含量對其層流燃燒速度的影響規律。Vu等[11]在定容彈中試驗測試了 3種生物質氣的火焰發展特性及層流燃燒特性，并對其層流燃燒速度進行了數值計算。Amell等[12]對高海拔下某種生物質氣的層流燃燒特性進行了試驗測試與數值計算，并分析了初始壓力與當量比等對其層流燃燒特性的影響規律。Park等[13]對某種生物質氣的對沖非預混燃燒時的燃燒特性進行了試驗測試與數值計算，并分析了生物質氣的組分比例及氮氣稀釋等對其火焰結構及 NOx生成的影響規律。但是，到目前為止，還無沼氣層流燃燒特性的相關報道。

1 試驗裝置與原理

在定容燃燒彈中，對 3種不同組分比例比例的沼氣的火焰發展特性進行了試驗測試，并根據火焰發展特性，獲得了 3種不同組成比例沼氣的燃燒穩定性與層流燃燒速度。Hu等[14]對本文所采用的定容燃燒彈測試系統及相應的試驗原理[15-16]進行了詳細闡述，在此不再贅述。

對沼氣的主要組分比例進行了分析，并根據組分比例及所占比例范圍配置了3種試驗配氣，如表1所示。從表 1可以看出，在試驗配氣過程中，主要通過改變沼氣中甲烷體積分數（2種極限情況及中間情況）來改變沼氣中組分比例的含量，從而分析不同組分比例比例對沼氣層流燃燒特性的影響。

表1 沼氣的主要組分比例(體積分數)Table 1 Main compositions of biogas(volume fraction) %

2 試驗結果與分析

2.1 組分比例對火焰發展特性的影響

圖1、圖2與圖3分別顯示了初始溫度為320 K，當量比為1.0，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa時，沼氣組分比例對火焰形狀隨時間變化的影響。

碳氫燃料在層流燃燒過程中，會存在優先擴散、流體動力學及浮力不穩定等 3種火焰不穩定性[17-20]。當馬克斯坦長度的值較小或為負值、混合氣當量比較小時將出現優先擴散不穩定性，火焰前鋒面呈現不規則的胞狀結構和火焰突起。在火焰半徑大于30 mm時能觀察到流體動力學不穩定性，火焰前鋒面呈現規則的胞狀結構。由于本文試驗只考慮火焰半徑在6～25 mm之間的部分，不會顯示該種不穩定性。當層流燃燒速度小于 0.15 m/s時將出現浮力不穩定性，火焰受到浮力的影響從火焰中心向上飄起，隨著火焰的進一步發展會出現上半球大下半球小的圖像。本文試驗中，當初始溫度為320 K、初始壓力為0.1與0.2 MPa時，絕大部分工況下沼氣的層流燃燒速度都大于0.15 m/s；當初始壓力為0.3 MPa時，絕大部分工況下沼氣的層流燃燒速度都小于0.15 m/s。因此，本文試驗中在某些工況下將顯現浮力不穩定性現象。

圖1 沼氣組分比例對火焰形狀隨時間變化的影響(P=0.1 MPa)Fig.1 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.1 MPa)

圖2 沼氣組分比例對火焰形狀隨時間變化的影響(P=0.2 MPa)Fig.2 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.2 MPa)

圖3 沼氣組分比例對火焰形狀隨時間變化的影響(P=0.3 MPa)Fig.3 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.3 MPa)

如圖1、圖2與圖3所示，當初始溫度為320 K、當量比為1.0、初始壓力為0.1 MPa時，在沼氣中不同甲烷體積分數下火焰前鋒面均較為光滑，并呈準球形向外發展。在這些工況下，馬克斯坦長度值均較大，且沼氣的層流燃燒速度均大于0.15 m/s，因此，優先擴散與浮力不穩定性均不會出現。當初始壓力升高至0.2 MPa時，大部分工況下馬克斯坦長度值低于0.5 mm，火焰前鋒面出現了裂紋與火焰突起，優先擴散不穩定性初步顯示。當初始壓力繼續升高至0.3 MPa時，在沼氣中不同甲烷體積分數下馬克斯坦長度值繼續降低，優先擴散不穩定性逐步明顯；同時，由于在此工況下，沼氣中甲烷體積分數為47%與55.5%時，沼氣的層流燃燒速度均小于0.15 m/s，浮力不穩定性將初步顯現。

圖4顯示了初始溫度為320 K，當量比為1.0，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa時，沼氣組分比例對火焰半徑隨時間變化趨勢的影響規律。

如圖 4所示，在不同初始壓力與不同甲烷體積分數下火焰半徑隨時間的延長均呈現線性增長趨勢。當初始壓力為0.1與0.3 MPa時，隨著沼氣中甲烷體積分數的增加，火焰發展速度明顯加快；但是，當初始壓力為0.2 MPa時，沼氣中甲烷體積分數由47%升高至55.5%時，火焰發展速度增加明顯，但當甲烷體積分數繼續升高至59%時，火焰發展速度增加幅度較小。同時，隨著初始壓力的升高，在沼氣中甲烷體積分數相同的工況下，火焰發展速度呈現降低趨勢。

圖4 組分比例對火焰半徑r隨時間t變化趨勢的影響(320=T K，0.1=φ)Fig.4 Effects of compositions on variations of flame radius r versus time t (320=TK，0.1=φ)

通過計算式 Sn= d rdt可獲得拉伸火焰傳播速度Sn，其中，r為火焰半徑，t為時間。圖5顯示了初始溫度為320 K，當量比為1.0，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa時，沼氣組分比例對拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑變化趨勢的影響規律。從圖 5可以看出，在不同初始壓力與不同甲烷體積分數下，拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑的增加均呈現升高的趨勢；同時，隨著沼氣中甲烷體積分數的降低或初始壓力的升高，拉伸火焰傳播速度逐漸降低。

根據計算式 Sl- Sn=Lbα，可獲得表怔火焰穩定性的馬克斯坦長度（ Lb，在圖6中為直線斜率的相反值）以及無拉伸火焰傳播速度（ Sl，在圖6中為直線在y軸上的截距），其中，α為火焰拉伸率。圖6顯示了初始溫度為320 K，當量比為1.0，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa時，沼氣組成對拉伸火焰傳播速度隨拉伸率變化趨勢的影響規律。

從圖 6可以看出，在不同初始壓力與不同甲烷體積分數下，隨火焰拉伸率的增加，拉伸火焰傳播速度均呈現下降趨勢，說明馬克斯坦長度均為正值；同時，隨著沼氣中甲烷體積分數的降低或初始壓力的升高，無拉伸火焰傳播速度逐漸降低。

圖5 沼氣組成成分對拉伸火焰傳播速度Sn隨火焰半徑r變化趨勢的影響(320=TK,0.1=φ)Fig.5 Effects of biogas compositions on variations of stretched flame speed versus flame radius(320=TK,0.1=φ)

圖6 沼氣組成成分對拉伸火焰傳播速度Sn隨拉伸率α變化趨勢的影響(320=TK，0.1=φ)Fig.6 Effects of biogas compositions on variations of stretched flame speed Sn versus flame stretch rate α (320=TK，0.1=φ)

2.2 組分比例對火焰穩定性的影響

火焰在向外發展過程中火焰前鋒面是否穩定，主要由馬克斯坦長度的值來反映。馬克斯坦長度為正值時，反映出火焰發展速度隨拉伸率的增加而減小，當火焰前鋒面出現凸起時（拉伸增加），凸起部分的火焰發展速度將得到抑制，使火焰趨于穩定；反之，馬克斯坦長度為負值時，火焰發展速度隨拉伸率的增加而增加，當火焰前鋒面出現凸起時，凸起部分的火焰發展速度將進一步增加，火焰的不穩定性增加。

圖7顯示了初始溫度為320 K，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa時，沼氣組分比例對馬克斯坦長度隨當量比變化趨勢的影響。由圖 7可見，隨著當量比的增加、初始壓力的降低或沼氣中甲烷體積分數的增加，馬克斯坦長度逐漸增大。

圖7 馬克斯坦長度Lb隨當量比的變化趨勢( 320=T K)Fig. 7 Variations of Markstein length Lb with equivalence ratio( 320=T K)

當初始壓力分別為0.2 MPa，當量比為0.8，沼氣中甲烷體積分數為 47%時，馬克斯坦長度為負值（初始壓力升高至0.3 MPa時，在相同當量比下，沼氣中甲烷體積分數為55.5%時馬克斯坦長度也為負值），說明此時火焰處于不穩定狀態；其他工況下馬克斯坦長度均為正值，說明這些工況下火焰均處于穩定狀態。

2.3 組分比例對層流燃燒速度的影響

圖8顯示了初始溫度為320 K，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa時，沼氣組分比例對無拉伸火焰傳播速度隨當量比變化趨勢的影響。同時，根據火焰前鋒面上的質量守恒，有 A ρuUl= AρbSl，從而可獲得各工況下層流燃燒速度Ul。式中A為火焰前鋒面面積，ρu、ρb分別為未燃與已燃區混合氣的密度。

圖9顯示了初始溫度為320 K，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa時，沼氣組分比例對層流燃燒速度隨當量比變化趨勢的影響。

從圖8與圖9可以看出，在不同初始壓力與沼氣中不同甲烷體積分數下，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度隨當量比的升高呈現先增加后降低的趨勢，在當量比為1.1時達到最大。同時，在沼氣不同甲烷體積分數下，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度隨初始壓力的升高而逐漸降低；在不同初始壓力下，隨著沼氣中甲烷體積分數的增加，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度逐漸升高。

表2顯示了初始溫度為320 K，初始壓力分別為0.1、0.2、0.3 MPa、不同當量比與甲烷體積分數下沼氣的層流燃燒速度。從表2可看出，當沼氣中甲烷體積分數由47%升高至59%時，沼氣層流燃燒速度均增大20%以上，某些工況（初始壓力為0.3 MPa、當量比為1.3時）下沼氣的層流燃燒速度甚至增大 46%。由此可見，沼氣組分及其所占比例對沼氣層流燃燒速度的影響甚為顯著。因此，在設計以沼氣為燃料的燃氣輪機時，燃燒室長度的設計需根據具體的沼氣成分及其所占比例進行設計，這樣才能保證沼氣在燃燒室內進行充分燃燒，達到高燃燒效率、低污染物排放的效果。

圖8 無拉伸層流火焰傳播速度Sl隨當量比的變化趨勢( 320=T K)Fig.8 Variations of unstretched flame speed Sl with equivalence ratio ( 320=T K)

圖9 層流燃燒速度Ul隨當量比的變化趨勢φ( 320=T K)Fig.9 Variations of laminar burning velocity Ul with equivalence ratio φ ( 320=T K)

表2 不同工況下沼氣的層流燃燒速度Table 2 Laminar burning velocity of biogas at different conditions m·s?1

3 結 論

試驗測量了當量比范圍為 0.8～1.3，初始壓力范圍為0.1～0.3 MPa，初始溫度為320 K，甲烷體積分數分別為47%、55.5%、59%的沼氣火焰發展特性，并分析了組分比例比例對其火焰發展特性、火焰穩定性與層流燃燒速度的影響規律。得到以下結論：

1) 當初始溫度為320 K，當量比為1.0，初始壓力為0.1 MPa時，在沼氣中不同甲烷體積分數下火焰前鋒面均較為光滑，并呈準球形向外發展。當初始壓力升高至0.2 MPa時，在沼氣中不同甲烷體積分數下火焰前鋒面均出現了裂紋與火焰突起，優先擴散不穩定性初步顯示。當初始壓力繼續升高至0.3 MPa時，優先擴散不穩定性逐步明顯；同時浮力不穩定性將初步顯現。

2) 隨著當量比的增加、初始壓力的降低或沼氣中甲烷體積分數的增加，馬克斯坦長度逐漸增大；當初始壓力為0.2 MPa，當量比為0.8，沼氣中甲烷體積分數為47%時，馬克斯坦長度為負值（初始壓力升高至0.3 MPa時，在相同當量比下，沼氣中甲烷體積分數為55.5%時馬克斯坦長度也為負值），說明此時火焰處于不穩定狀態；其他工況下馬克斯坦長度均為正值，說明這些工況下火焰均處于穩定狀態。

3) 在不同初始壓力與沼氣中不同甲烷體積分數下，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度隨當量比的升高呈現先增加后降低的趨勢，在當量比為1.1時達到最大。同時，在不同初始壓力下，隨著沼氣中甲烷體積分數的增加，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度逐漸升高。