甲烷在空氣燃燒的等離子體射流助燃效應的光譜研究

張小林， 李壽哲， 冀春俊， 牛裕龍， 白 陽, 廖宏達

1. 大連理工大學能源與動力學院， 遼寧 大連 116024 2. 大連理工大學物理學院三束材料改性教育部重點實驗室， 遼寧 大連 116024

引 言

近年來， 大氣壓非平衡等離子體技術作為一個研究熱點被關注， 因為氣體溫度相對比較低， 熱效應較小， 而它能夠產生大量的電子、 離子和活性基團， 同時非平衡態等離子體的動力學效應被認為在輔助燃燒中會起到重要的作用。 科研人員已經發展了多種產生等離子體的方式用于助燃研究， 例如介質阻擋放電、 納秒脈沖電暈放電、 微波等離子體放電等等[1]。 雖然這些放電方式在等離子體助燃方面已經顯現出一定的效果， 但是受限于放電方式和燃燒過程不能有效耦合， 以及對等離子體輔助燃燒所涉及的物理機制和過程還不是很清楚的實際情況， 已經取得的成果還不能作為成熟的技術被廣泛的應用。 這就需要通過各種助燃方案， 進一步開展深入系統的研究。 在大氣壓條件下， 以氬氣作為載氣在高頻電源驅動下在較長的柔性介質管中能夠產生等離子體射流[2]。 這種等離子體射流的宏觀氣體溫度比較低， 電子溫度卻很高， 同時良好的可控性和操作靈活性， 在材料表面親疏水改性、 刻蝕、 醫學滅菌消毒以及滲氮的應用中已獲得很好的效果[3]。 因此， 將等離子體射流應用于等離子體輔助燃燒中具有重要的實際意義。 本工作通過對等離子體放電裝置改進， 設計能夠應用等離子體射流技術的燃燒器， 實現大氣壓等離子體射流助燃。

探究甲烷(CH4)在空氣中的燃燒過程， 基于所產生的大氣壓非平衡態氬等離子體射流， 研究等離子體射流的一些非溫度效應對燃燒過程的助燃影響。 利用在大氣壓下發生的氬等離子體射流， 研究了作為載氣的氬氣流量和施加的放電電壓對非預混和預混燃燒火焰形態的影響， 分析火焰根部自由基粒子的發射光譜強度與載氣氣流量和放電電壓之間的關系， 揭示等離子體射流通過激發活性粒子以及等離子體動力學輸運過程來增強甲烷燃燒過程的機理。 對進一步探究等離子體輔助燃燒的效果， 明確等離子體在助燃中的作用是十分重要的。

1 實驗部分

采用大氣壓等離子體射流助燃試驗裝置(如圖1所示)， 主要由等離子體放電系統和測量系統組成。 等離子體助燃的主體部件為十字型石英管燃燒器(四個臂如圖1中a， b， c， d)， a臂為長2 mm的噴嘴， d臂長92 mm為氬氣產生的等離子體產生區， 載氣由此臂進入； 可燃氣體由45 mm長的b臂、 c臂進入與d臂產生的等離子體混合并發生作用。 十字型燃燒器采用石英玻璃制成， 內徑為3 mm， 外徑為5 mm。 實驗中氣體的流量均由氣體質量流量控制器(D07-19B， Sevenstar Electronics Co. Ltd.)準確控制。 實驗中采用純度為99.99%的氬氣作為載氣， 用來產生氬等離子體射流， 流量在0～10 L·min-1(℃, 1 atm, SLM)范圍內可調； 可燃氣體為99.99%的甲烷， 考慮到甲烷是易燃易爆的氣體， 在甲烷氣體的鋼瓶出氣減壓閥的下游安裝了回火閥， 流量在0～500 SCCM的范圍內變化。

圖1 大氣壓等離子體射流助燃實驗裝置

等離子體產生的電源為高壓交流電源(型號為CTP-2000K)， 工作頻率可在3～100 kHz之間調節， 本實驗所采用的工作頻率為46 kHz， 輸出電壓在0～25 kV之間可調。 氬等離子體射流的放電電壓和放電電流的波形分別用泰克高壓探頭(衰減比例為1 000∶1)和電流探頭并由泰克數字示波器(帶寬350 MHz)同時采集。 本實驗采用發射光譜儀(OES)檢測甲烷燃燒過程中的自由基。 發射光譜儀不僅對測量目標無干擾， 而且具有靈敏度高和響應速度快的特點， 普遍使用在各種等離子體特性的研究和各種參數的診斷中。 本實驗光譜儀型號為Acton SP 2750(Princeton Instruments)， 該光譜儀配置了有PIXIS 400電荷耦合元件(CCD)的接收器， 并采用收集角為12.5°的光纖用于光信號的采集和傳輸。 本實驗中， 光纖放置在水平方向上離燃燒器噴嘴(a)大約6 cm的位置， 并在豎直方向上離噴嘴(a)大約0.65 cm進行光信號采集。 采用佳能公司生產的EOS 700D型數碼相機， 對燃燒過程進行實時拍照記錄。

2 結果與討論

2.1 氬等離子體射流對甲烷在空氣中燃燒過程的影響

首先， 通過改變放電電壓調控等離子體射流的狀態， 研究在不同的放電電壓下， 等離子體射流對非預混甲烷燃燒形成火焰形態的影響。 氬氣和甲烷的體積流量分別設定為0.56和0.42 SLM， 將高壓電源的工作頻率調節到46 kHz， 逐步升高放電電壓。 火焰形態表明隨著放電電壓的增加， 火焰根部藍色區域不斷擴大， 火焰晃動更加劇烈。 當放電電壓為8 kV時， 在放電針頭上產生了一個小亮點， 表示氬氣局部放電剛開始， 對比沒有放電的火焰形態， 8 kV下的火焰形態根部藍色區域擴大了近兩倍， 且藍色區域的形狀變為倒錐形， 火焰也開始抖動， 分析認為抖動是由于燃燒的不均勻性造成， 放電時電場振蕩引發這樣的不均勻性， 中頻下強電場振蕩導致火焰中粒子的振蕩， 使火焰的形態受到影響。 隨著放電電壓的進一步增加， 氬等離子體射流從局部放電開始其長度不斷增加， 當電壓達到16 kV時, 氬等離子體射流剛好傳播到燃燒器噴嘴(a)處， 并直接作用于火焰根部。 當電壓達到22 kV時， 火焰抖動變得非常劇烈并上下振蕩， 火焰不時脫離燃燒器噴口， 形成推舉火焰， 并發出噗噗的響聲， 火焰總體長度變短， 火焰面出現褶皺， 但是火焰根部藍色區域面積不斷擴大， 大約占總火焰面積的1/2， 表明燃燒更加充分且劇烈。 分析認為， 由于等離子體的離子風效應， 使火焰噴嘴處的氣體流速增大， 引起火焰面出現褶皺， 增加了反應面積， 使甲烷與周圍空氣充分混合， 提高了燃燒速率； 另一方面， 氣體流速的增大會引起熱量的交換， 加快活性基團的輸運速度， 使燃燒速度進一步得到提高。

圖2展示光譜儀所測量燃燒火焰的自由基發射光譜強度變化情況， 結果表明隨著電壓的增加， OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)自由基粒子的光譜強度先保持不變， 當電壓達到16 kV時， 譜線強度開始增大， 同時伴隨著燃燒火焰抖動增大， 導致了數據測量誤差相應變大(圖中誤差棒加長)。 當電壓還未達到16 kV時， 氬等離子體射流長度不足以到達圖1中燃燒器噴口(a)， 此時與甲烷沒有直接的相互作用， 所以OH， CH， C2的光譜強度基本沒有變化。 而氬等離子體射流產生的亞穩態粒子數密度隨氣流輸運到達a處是有限的， 對強化燃燒的作用微弱。 當電壓為16 kV時， 等離子體射流直接與甲烷相互作用， 等離子體中的活性粒子參與了燃燒過程， 促進了甲烷被分解成大量的自由基， 相應的譜線強度增強， 自由基的增加表現為火焰根部藍色區域的擴大。 當電壓在22 kV時， 譜線強度開始減小， 這是因為等離子體使得管內氣體流速增大， 導致燃燒火焰的觀察區域發生移動遠離圖1中噴口(a)(22 kV根部區域)， 使得測量信號的強度變小。 如進一步增大放電電壓， 火焰開始出現吹脫現象并最終熄滅。

圖2 不同放電電壓對OH(A-X)， CH(A-X)，C2(d)發射光譜強度的影響

2.2 預混氧氣的甲烷在空氣中燃燒時氬等離子體射流的助燃效果

實驗結果表明， 放電電壓對非預混火焰有一定的助燃作用， 由于氬等離子體射流對氧氣的稀釋， 氬氣量的增加會引起燃燒所需氧氣不足， 出現吹脫現象。 為了排除這一因素的干擾， 甲烷先預混一定比例的氧氣， 對不同當量比預混等離子體射流的助燃效果開展了進一步實驗研究。

2.2.1 不同燃料當量比下燃燒火焰形態的變化

氬氣和甲烷的體積流量分別固定為0.56和0.28 SLM， 氧氣流量分別為0.0， 0.07， 0.1， 0.14， 0.2和0.28 SLM。 圖3(a—f)所示甲烷預混的燃燒火焰結果表明， 隨著氧氣的不斷增加， 火焰長度變得不僅越來越短， 而且呈現出三層不一樣顏色的火焰， 如圖3(d)內區為深藍色， 外區為淺藍色， 中間區為橙黃色。 深藍色的內區是把預混進入的氧氣都消耗完的預混火焰的氣體輻射[4]； 橙黃色區域則是通過預混火焰的剩余燃料和周圍大氣中的氧氣形成的含有大量的碳粒輻射的擴散火焰； 最外層的淺藍色區域是在高溫下已反應了的燃燒產物發出的可見光輻射[6]。 再進一步增加氧氣含量， 黃色區消失， 深藍色內錐不僅縮小且變成明亮的淺藍色， 如圖3(f)所示。

圖3 預混不同氧氣流量對火焰形態的影響

2.2.2 預混氧氣的甲烷燃燒火焰形態隨放電電壓的變化

通常燃料和氧化劑的成分比例用燃料當量比Ф來表征

其中， 下標st表示按化學計量比混合， [CH4]和[O2]分別表示甲烷和氧氣的流量。 圖4中所示Φ=4時火焰燃燒形態隨放電電壓的變化。 圖4(a)所示隨著放電電壓的不斷增大， 火焰燃燒更加劇烈， 并發出噗噗的聲響， 火焰整體更加明亮， 火焰內區縮短， 顏色由深藍變成淡藍色， 當電壓達到16 kV, 代表擴散火焰的黃色中間區域逐漸變大。 分析認為等離子體的加入， 促進了甲烷氣體與預混進入的氧氣反應， 因此火焰內區變成淡藍色， 而火焰尾部出現貧氧， 出現了不完全燃燒的現象。 另外， 圖4(b)展示了在放電電壓為22 kV的非預混燃燒的火焰形態圖， 此時火焰出現了吹脫現象。 與圖4(a)中相同實驗條件下得到的燃燒火焰照片對比可見， 氧氣的加入確實可以減緩火焰的吹脫現象。

圖4 (a) Φ=4時， 不同放電電壓下火焰形態變化； (b) 放電電壓為22 kV時的火焰形態

2.2.3 預混氧氣的甲烷燃燒火焰的光譜診斷

圖5 放電電壓為0和22 kV時1 cm火焰的光譜圖

圖6為Φ=8, 4, 2時， 自由基OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)的光譜發射強度隨放電電壓的變化情況。Φ=8和4時， OH， CH， C2的強度隨放電電壓的增大而增強。 大氣壓氬等離子體射流中的電子密度和電子溫度隨著放電電壓的增加而增加， 相應地甲烷的解離脫氫反應以及重組反應加快， 產生更多自由基中間產物， 而此時氧氣的濃度相對甲烷濃度較低， 抑制了富氧條件下甲烷燃燒過程中發生的氧化反應， 燃燒過程還是以甲烷的脫氫反應為主。 當Φ=2時， 隨著放電電壓的增大， OH(A-X)的發射光譜強度保持著增大的變化趨勢， 而 CH(A-X)， C2(d)的光譜強度先增大后減小， 變化拐點發生在等離子體射流開始直接作用在燃燒火焰的電壓值(16 kV)上， 在圖中位于虛影區對應的值上。Φ=2預混氣體中氧氣的含量明顯多于Φ=8和4的情形。 因此， 重組反應生成的OH會隨著等離子體密度的增加而增加， 同時在較大的放電電壓下產生了大量的活性氧原子和分子， 它們足夠高的濃度促進了CH和C2的氧化反應的進行而被消耗掉， 相應地CH(A-X)和C2(d)的光譜強度隨著放電電壓的增加顯現出了下降的變化趨勢。

圖6 不同空燃比時， 放電電壓增加對OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)發射光譜強度的影響

3 結 論

采用十字型燃燒器開展了氬等離子體射流對甲烷在空氣中燃燒過程影響的發射光譜研究。 實驗通過引入施加電場產生的等離子體射流， 隨著放電電壓的增大， 火焰開始抖動并加劇， 同時上下振蕩， 當電壓達到22 kV時， 形成推舉火焰， 火焰總體長度變短， 火焰面出現褶皺， 但是火焰根部藍色區域面積不斷擴大， 大約占總火焰面積的1/2。 發射光譜測量自由基OH， CH和C2的發射強度表明， 當電壓達到16 kV時， 各自由基強度增大， 而當電壓進一步增大到22 kV時， 這些自由基粒子的光譜強度卻出現下降， 這歸因于等離子體使得管內氣體流速增大， 導致燃燒觀察區發生移動遠離噴口， 使得采集到的火焰根部區域變小造成的。 另外， 研究了在不同的燃料當量比下等離子體射流對預混氣體助燃的過程， 測量了火焰形態及燃燒中自由基OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)的光譜強度隨電壓的變化規律。 實驗發現燃料當量比為2時， OH的光譜發射強度隨電壓的增大而增強， 而CH和C2的發射強度在等離子體射流直接作用的情況下減少， 反映了在氬等離子體射流參與助燃下燃燒變得更加充分了。