CO2稀釋對甲烷反擴散火焰結構的影響研究

閆帥，楊家寶，龔巖，郭慶華，于廣鎖

（華東理工大學潔凈煤技術研究所，上海 200237）

引 言

擴散燃燒是氣體基本燃燒方式之一，因燃燒形式簡單，燃燒穩定性好，在日常生活和工業生產中被廣泛應用。日常生活中的蠟燭、氣體打火機及工業燃燒設備等，均采用擴散燃燒形式[1-4]。反擴散火焰是擴散火焰的一種，不同于正擴散火焰，其特點為內部氧化劑被外部燃料包圍。由于正、反擴散火焰在燃料和氧化劑的混合方式上存在差異，導致反擴散火焰中產生的碳煙比正擴散火焰中的碳煙少[5]。氣態烴非催化部分氧化技術多采用反擴散火焰型式以實現甲烷等氣態烴類燃料的轉化[6]。

隨著我國“雙碳”目標的提出，綠色低碳、節能減排成為各行業發展轉型的必要因素，對反擴散火焰在工業中的應用提出了更高的要求。CO2稀釋的火焰可以減少NOx等污染物排放[7]，在改善燃燒狀態的同時，降低生產成本，節能減排。探討CO2在反擴散火焰中的稀釋效應為其在工業上的應用和發展提供重要的理論基礎和技術支持，但目前關于反擴散火焰光譜可視化的研究較少。相比于傳統火焰研究方法，光譜診斷方法作為一種非接觸式測量方法，具有響應時間短、不擾動火焰的優點。因此，通過光譜診斷研究反擴散火焰的燃燒現象，確定CO2的稀釋效應，深入理解反擴散火焰燃燒機理，對反擴散火焰在工業中的應用具有深遠意義。

碳氫火焰燃燒時形成的中間物質能夠產生自發輻射，這些輻射主要來源于三個方面[8]：高溫下固體顆粒產生的連續黑體輻射；穩定氣體分子受高溫激發產生轉動輻射；激發態自由基(OH*、CH*、C2*等)躍遷回基態釋放光子產生的特征輻射(化學發光)。基于化學發光輻射的光學診斷技術是一種效率高且發展迅速的非接觸式火焰監測方法。通過CCD 相機結合相應的帶通濾光片可實現火焰自由基(如OH*、CH*、C2*)特征輻射信息的采集，進而獲得火焰的結構特性和特征參數?；鹧嬷凶杂苫椛鋸姸刃畔⒈碚骰鹧嫒紵隣顟B已廣泛應用于火焰診斷中。OH*、CH*輻射強度可用于表征火焰鋒面與結構形態[9-10]、熱釋放速率[11]、氧燃當量比[12]、燃料種類[13]等。周瑩等[14]在討論自由基化學發光特性在火焰光譜診斷的應用時，指出OH*和CH*的化學發光可以實現基于圖像處理的火焰結構表征。利用OH*和CH*化學發光特征可實現層流和湍流反擴散火焰(IDF)中雙火焰結構的可視化[15-16]。Escudero等[17]對乙烯層流反擴散火焰中氧指數的影響進行了試驗研究。通過CH*自由基的自發輻射表征火焰高度，發現火焰高度隨氧指數的增加而降低。Zhou等[18]通過不同工況下OH*和CH*輻射特性研究了CH4/O2反擴散舉升火焰的穩定性。研究表明，OH*化學發光在火焰根部產生，沿傳播方向急劇增加。隨著氧氣氣體速度的增加，火焰變得不穩定，導致OH*徑向尺寸減小，反應區靠近中心軸。Zhu等[19]采用數值模擬的方法，研究了CO 和H2加入對OH*化學發光特性的影響。發現在反擴散火焰中，OH*化學發光主要集中在火焰下游區域的中心軸線處。且隨著氧燃當量比的增加，OH*化學發光強度逐漸減小，OH*強度峰值位置逐漸由火焰下游向上游移動。Yang 等[20]研究了不同氧燃當量比和CO2稀釋氧化劑下，OH*和CH*在CH4/O2擴散火焰中的化學發光分布。發現氧燃當量比和CO2稀釋水平的變化對CH*層的形狀和厚度沒有明顯的影響。

許多研究已經涉及反擴散火焰的燃燒特性及相關機理，但針對氧化劑稀釋條件下反擴散火焰燃燒特性的光譜診斷研究尚未完善。本研究將通過光譜成像系統探討不同CO2稀釋水平和氧燃當量比下甲烷/氧氣反擴散火焰的OH*、CH*的化學發光分布特性及火焰的結構特性，得到不同工況下以OH*、CH*輻射分布表征的火焰二維反應區結構變化，并進一步分析CO2稀釋量和氧燃當量比對火焰OH*、CH*分布特性的影響。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗原理及裝置

試驗平臺如圖1 所示，主要由燃燒器系統、高分辨率CCD 相機成像系統和光纖光譜儀等組成。燃燒器系統主要由同軸三通道噴嘴及其附件組成。噴嘴為同軸射流結構，其內部構造與Yang 等[21]的噴嘴結構相似，中心通道為氧化劑通道，直徑為4 mm，中間環隙為燃料通道，內徑分別為5 mm 和7 mm，外環隙通入Ar 以隔絕外界空氣，避免其對試驗結果產生影響。以純甲烷(純度＞99.9%)作為燃料，純氧(純度＞99.9%)或者CO2稀釋后的氧氣為氧化劑，流量均由Brankhorst 質量流量計(F-201CB)調節和控制。

圖1 火焰化學發光檢測平臺Fig.1 Flame chemiluminescence detection platform

OH*和CH*的二維分布通過高分辨率CCD 相機成像系統獲得。該成像系統由CCD 相機(FLI e2v CCD 47-10)和帶有3 個帶通濾波片的紫外石英透鏡組成。相機的分辨率為1056×1027，光譜響應范圍為200～1100 nm。該相機帶有制冷系統，以保證CCD傳感器及相關電子元件溫度低于-10℃，以最大程度降低暗電流影響。帶通濾波片的中心波長分別為310、430和455 nm，半高峰寬均為10 nm。試驗中的火焰均為層流軸對稱火焰，燃燒過程相對穩定，取25 幅圖像的平均值作為該工況下的試驗值。該試驗值為視線方向的積分值，需進行Abel 反卷積處理[22]，得到火焰空間內某一截面的真實輻射強度。本研究選取火焰的右半部分進行討論和分析。

光纖光譜儀(SE2030-50-DUVN)主要用于采集火焰的發射光譜曲線。其狹縫寬度為50 μm，光纖探頭直徑為3 mm，工作距離為50 mm。光譜響應范圍為200～1000 nm，可用于紫外波段和可見光波段的光譜測量。

1.2 試驗條件

試驗控制甲烷流量恒定(0.50 L·min-1)，改變氧氣流量以調節當量比，另外改變氧化劑中CO2的體積分數探究不同CO2稀釋水平對火焰特性的影響，具體操作工況條件如表1 所示。其中，Q、U分別為氣體的體積流量與出口氣速，X為氧化劑中稀釋劑的體積分數，λ為火焰氧燃當量比，由式(1)計算：

表1 試驗工況條件Table 1 Experimental conditions

其中，[O/C]a是由實際甲烷、氧氣流量計算得到的氧碳比;[O/C]s是甲烷完全燃燒時的化學計量氧碳比。

1.3 OH*、CH*輻射發光表征

圖2 為反擴散火焰自發輻射光譜曲線圖。OH*化學發光特征峰在310 nm 波段附近，CH*化學發光特征峰在430 nm 波段附近。碳氫擴散火焰燃燒時產生碳煙顆粒。而碳煙顆粒連續輻射會影響化學發光的測量[23-24]。除了碳黑輻射，燃燒過程也會產生CO2*，高溫下CO2*輻射表現為391～543 nm 波段之間的連續光譜[25]。Lauer 等[26]研究發現，CO2*產生的背景輻射最高可占430 nm 處總輻射強度的40%。由圖2 可得，CH*的化學發光受背景輻射影響較大，其背景輻射與455 nm 波段的輻射量大致相同[27]。本研究采用455 nm 的輻射總量替代背景輻射量，并利用圖像法進行扣除，以此得到CH*化學發光真實強度。Guiberti 等[28]通過裝有455 nm 濾光片的ICCD相機采集的光譜信息證明了這種推定CH*圖像背景輻射方法的可靠性。OH*化學發光受背景輻射影響較小[29]。選取不同條件下OH*輻射峰值的5.0%作為反應區的邊界閾值[30]，在OH*輻射強度低于該閾值的區域內，認為無化學反應發生。CH*邊界處理方法與OH*邊界處理方法相同。

圖2 反擴散火焰自發輻射光譜曲線圖Fig.2 Inverse diffusion flame photometry graph

2 結果討論與分析

2.1 稀釋劑對OH*輻射強度分布的影響

OH*輻射能夠用于表征火焰的反應區結構[31]。圖3 為甲烷流量為0.5 L·min-1工況下，不同當量比(λ)條件下火焰的OH*二維輻射分布圖。圖中z為豎直方向高度，r為火焰橫截面的徑向長度。由圖3可知，火焰結構隨著當量比的增加而發生明顯變化?；鹧嬷行妮S處(圖3 中紅色虛線邊框)中空面積隨著當量比的增大逐漸擴大，火焰逐漸中空，與Zhou 等[18]的模擬結果一致。這是由于中心通道氧化劑流速增加導致。中空面積增大的同時，軸線處出現少量OH*富集現象，說明核心反應區部分OH*擴散到中心通道。

將火焰反應區的高度定義為噴嘴出口至火焰下游OH*輻射消失位置間的距離。由圖3 可得，甲烷流量固定時，隨著氧燃當量比的增加，火焰反應區的軸向高度呈先增大后減小的變化趨勢。無稀釋火焰反應區軸向高度于λ=1.0 時達到峰值。這是由于在富燃條件下，甲烷火焰反應區軸向高度與氧氣流量存在線性增加關系[5]。在貧燃條件下，甲烷流量流速不變，熱釋放速率不變，大部分燃料在火焰上游發生反應，且隨著中心通道流速的增加，徑向擴散作用增強，核心反應區反應更加強烈，被氣流攜帶至火焰下游的燃料越來越少，導致火焰軸向高度逐漸降低。

圖3 不同當量比火焰的OH*輻射強度二維分布Fig.3 Two-dimensional OH*radiation intensity distribution of flames with different equivalence ratios

火焰反應區中OH*輻射發光最強的光學薄面為火焰鋒面，該平面將火焰在空間上分為還原區和氧化區兩個區域。實際情況下火焰鋒面具有一定的厚度，這是因為燃料和氧化劑的反應速率不可能無限快，存在一定量的氧化劑或者燃料越過火焰鋒面發生燃燒反應。圖3 中可以看出，火焰鋒面隨著當量比的增加逐漸被拉伸，核心反應區逐漸向火焰上游移動并縮小。這是由于隨著當量比的增加，中心通道的氧化劑流速增加，氧氣向燃料側的擴散作用增強，火焰上游反應強度增加，又因為甲烷流量恒定，火焰上游反應強度的增加導致部分燃料傳輸到火焰下游，火焰下游反應強度降低。這兩種原因導致宏觀上核心反應區逐漸向火焰上游移動。流速的增加也導致火焰鋒面被拉伸和延長。如表1所示，氧化劑流速隨著當量比的增加而增加，氧化劑氣流的夾帶作用增強，使得一部分未反應的燃料被攜帶至火焰下游，導致核心反應區面積縮小。

圖4 為當量比為1.0 時，不同體積分數CO2稀釋下，以OH*輻射分布表征的火焰二維反應區結構圖。由圖4 可知，XCO2=33.3%時，火焰由包絡狀變為對稱雙包絡狀。這是由于氣速增加導致火焰尖端出現開口[32]。氧化劑中稀釋劑體積分數越大，火焰鋒面越窄，火焰越細長，核心反應區強度逐漸減弱。這說明CO2的添加使OH*濃度降低[33]，對反擴散火焰中OH*的形成具有抑制作用。隨著XCO2的不斷增加，部分燃料與氧化劑尚未發生反應便被CO2氣流攜帶至火焰下游，導致火焰上游核心反應區的區域面積逐漸減小，強度逐漸減弱。XCO2的不斷增加導致氧化劑流速增加，使得火焰鋒面被拉伸。

圖4 當量比為1.0時CO2稀釋下的OH*輻射強度分布圖Fig.4 Distribution of OH*radiation intensity under CO2 dilution when the equivalence ratio is 1.0

2.2 稀釋劑對CH*輻射強度分布的影響

CH*作為甲烷熱解生成的自由基，與點火密切相關，是反應區起始點的指標[34]。圖5為甲烷流量為0.5 L·min-1工況下，不同當量比下火焰的CH*二維輻射分布圖。由圖5 可知，隨著當量比的增加，CH*的核心反應區位置和火焰形狀并未隨當量比變化而明顯變化。說明與OH*表征火焰反應區相比，CH*不適合表征火焰整體輪廓。但核心反應區強度隨當量比增大而變強，說明越來越多的甲烷被消耗。對比圖3發現，相比于OH*層，CH*層是一個薄反應層。

圖5 不同當量比火焰的CH*輻射強度二維分布Fig.5 Two-dimensional CH*radiation intensity distribution of flames with different equivalence ratios

圖6 為當量比為1.0 時，以CH*輻射分布表征的不同體積分數CO2稀釋火焰二維反應區結構圖。XCO2的增加導致CH*的二維分布發生顯著變化。隨著XCO2的增加，核心反應區強度逐漸減弱，面積逐漸減小，火焰明顯被拉伸并靠近中央軸線。由表1 可知，XCO2的增加導致氧化劑通道氣體流速增加，加強了環空通道內甲烷的夾帶，同時氧氣分壓的降低使得氧氣擴散系數減小，從而核心反應區面積和強度減小。當XCO2逐漸增大時，火焰根部由附著在噴嘴尖端逐漸向上移動，出現舉升現象。

圖6 當量比為1.0時CO2稀釋下的CH*輻射強度分布Fig.6 Distribution of CH*radiation intensity under CO2 dilution when the equivalent ratio is 1.0

2.3 反應區峰值強度及位置變化

氧燃當量比是燃燒系統中的關鍵參數，也是火焰多種特性的影響因素[35]。當量比對OH*和CH*輻射強度的影響較大。圖7 為不同氧燃當量比下，OH*和CH*的峰值強度圖。隨著當量比的增大，OH*峰值強度呈指數型下降，CH*峰值強度線性增加。

圖7 CH*和OH*峰值強度隨當量比的變化Fig.7 CH*and OH*peak intensity with different equivalence ratios

圖8 為無稀釋條件下峰值位置變化圖。由圖8(a)可得，隨著當量比的增加，CH*的峰值位置幾乎不變，穩定在噴嘴出口上方0.5 mm 處。OH*的峰值位置隨著當量比的增加出現驟降。由圖8(b)可得OH*核心反應區分為Ⅰ區和Ⅱ區。Ⅰ區為完全反應核心區，Ⅱ區為根部核心反應區[36]。隨著氧燃當量比的增加，核心反應區Ⅰ逐漸消失，核心反應區Ⅱ逐漸增強，Ⅰ區的消失導致OH*峰值位置驟降。

圖8 CH*和OH*輻射強度峰值位置隨當量比的變化Fig.8 CH*and OH*peak radiation intensity positions with various equivalence ratios

2.4 火焰截面拉伸變化分析

火焰拉伸變化能反映火焰鋒面和火焰結構的特性?；鹧娴男螒B和結構是反映火焰燃燒狀態最直觀的表現形式，對火焰的傳播和輻射特性有著顯著影響[37]。為了更好地表征火焰二維分布的拉伸，定義火焰縱橫比為火焰軸向高度與火焰最大厚度之比。火焰厚度采用二維分布圖中OH*徑向分布中兩個邊界閾值的間距[21]。圖9(a)為無稀釋工況下，OH*、CH*火焰縱橫比變化。未稀釋條件下，OH*火焰縱橫比隨當量比增加而逐漸增加。這表明當量比的增加導致火焰被軸向拉伸。貧燃條件下比富燃條件下火焰拉伸更為明顯。而隨著當量比增加，CH*火焰縱橫比幾乎不變。說明無論是貧燃還是富燃條件下，CH*火焰主要反應區并不會隨著氣流速度或者當量比的增加而被軸向拉伸。圖9(b)為CO2稀釋下OH*、CH*火焰截面拉伸變化。隨著稀釋劑體積分數的增加，OH*火焰縱橫比先上升后下降，之后又呈上升趨勢。出現這種趨勢的原因是當稀釋體積分數XCO2從28.6%增加到33.3%時，火焰結構由包絡狀變為對稱雙包絡狀，火焰尖端附近無OH*生成，造成火焰軸向高度降低，火焰縱橫比減小。而CH*火焰縱橫比隨XCO2的增加而逐漸增加。對比稀釋和無稀釋工況下的火焰拉伸，CO2稀釋對CH*火焰縱向拉伸的影響更大。

圖9 火焰縱橫比隨氧燃當量比及CO2稀釋水平變化Fig.9 Flame aspect ratio under different oxygen-fuel equivalence ratios and CO2 dilution levels

2.5 火焰面積變化分析

火焰面積是表征火焰存在與否及著火時間的重要依據[38-39]，反映了火焰的表觀尺寸。計算不同工況下火焰面積，如圖10所示。圖10(a)為不同當量比下OH*、CH*火焰面積變化。無稀釋工況下，OH*火焰面積隨當量比增加呈先上升后下降趨勢，并在當量比為0.9～1.0 時達到峰值。CH*火焰面積隨著當量比的增加小幅減小。這是由于火焰形狀受Peclet數的影響[40]。當量比小于1.0時，Peclet數主要受對流作用影響，隨著當量比的增加，中心通道氣速逐漸增加，Peclet 數增加，OH*火焰軸向高度增加，火焰面積增加。當量比大于1.0 時，Peclet 數主要受擴散系數影響。隨著當量比的增加，溫度升高引起擴散系數增加，Peclet 數減小，徑向擴散作用增強，OH*火焰軸向高度減小，火焰面積減小。

圖10(b)為不同CO2稀釋水平下OH*、CH*火焰面積變化。在CO2稀釋條件下，隨著XCO2的增加，OH*火焰面積逐漸減小，CH*火焰面積逐漸增大。這表明，CO2的拉伸作用能顯著增加CH*火焰面積。CH*火焰面積對CO2的稀釋敏感性高，更適合作為監測CO2濃度的表征手段。

圖10 OH*、CH*火焰面積隨氧燃當量比及CO2稀釋水平變化Fig.10 Flame area under different oxygen-fuel equivalence ratios and CO2 dilution levels

3 結 論

本文通過對未稀釋和稀釋氧化劑條件下甲烷/氧氣反擴散火焰的化學發光特性進行研究，得到了不同當量比及CO2稀釋劑體積分數下反擴散火焰的OH*、CH*二維分布，并得出以下結論。

(1) 氧燃當量比和CO2稀釋氧化劑均會造成反擴散火焰核心反應區強度及位置的變化。當量比的增加會使OH*分布逐漸向火焰上游移動，強度呈指數關系減小，CH*分布基本不變，強度呈線性關系增大。CO2稀釋下OH*和CH*強度均變小。當量比的增加使OH*峰值位置出現驟降，表明OH*核心反應區出現轉移。

(2) OH*火焰縱橫比和CH*火焰縱橫比分別表征OH*分布和CH*分布縱向拉伸情況。當量比的增加和CO2的稀釋均會造成OH*分布被縱向拉伸，且拉伸到一定程度時，OH*火焰頂端出現開口，二維分布由包絡狀變為對稱包絡狀。CO2稀釋是造成CH*分布被拉伸的主要原因，當量比的增加幾乎不改變CH*二維分布。

(3)火焰截面面積受Peclet 數影響，且OH*火焰面積大于CH*火焰面積。隨著當量比的增加，OH*火焰面積先增大后減小，在當量比為1.0 左右時達到面積峰值。CO2稀釋下OH*火焰面積持續減小。CH*火焰面積隨當量比增加逐漸減小，隨CO2稀釋體積分數增加而逐漸增大。