甲烷及掺氢甲烷预混火焰的稳定性

胡舸¹，魏胜¹，廖世勇²，李清芳¹，张双¹

(1. 重庆大学 化学化工学院，重庆，400044；

2. 重庆通信学院 特种电源重点实验室，重庆，400035)

摘要：基于本生灯火焰测试，研究CH₄与Air的预混火焰的稳定特性随本生灯尺寸和燃气当量比的变化关系，获得与先前测试比较吻合的结果。预混火焰的脱火极限随燃气当量比的增加而逐渐增加，而回火极限随燃气当量比呈抛物线型变化关系，峰值出现在燃气当量比f=1附近。对测试结果进行综合分析。结果发现：本生灯大小基本与火焰脱火极限无关，而对回火极限略有影响，但这种影响关系主要存在于小尺寸本生灯测试。随着燃气掺氢比的增大，混合气体火焰的稳定区间有变宽的趋势，这主要归因于氢气掺混增大火焰传播速度。掺氢率对预混火焰的脱火及回火极限的影响可近似为线性关系，本生灯直径越小，该线性增加率越大，而燃气当量比基本对该线性增加率无影响。

关键词：稳定火焰；预混气体；脱火极限；回火极限；本生灯

中图分类号：TK16          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)12-4402-05

Stabilization of methane and air premixed flames with and without hydrogen addition

HU Ge¹, WEI Sheng¹, LIAO Shiyong², LI Qingfang¹, ZHANG Shuang¹

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;

2. Key Laboratory of Special Power Supply, College of Chongqing Communication, Chongqing 400035, China)

Abstract: Based on the measurement of Bunsen flames, the relationship between stability characteristics of methane premixed flames in air and burner size as well as mixture equivalent ratio was studied. And fair agreements were obtained. The blow-off limits of premixed flame increase with the increase of equivalent ratio, while the flash-back limits show a variation as parabola, in which the peak value appears near where mixture equivalence ratio equals unity. A comprehensive analysis was made for the present measurements and literature data. The results show that the blow-out limits are generally independent of burner size, whereas burner size has a weak effect on the flash-back, and the effect is only significant for relatively small burner. The stabilization of premixed flame is enhanced with the increase of hydrogen addition, which is primarily due to the fact that the flame speed is promoted by hydrogen addition. Linear coefficients are proposed to characterize the effects of hydrogen blending ratio on flame limits of blow-off and flash-back. And the smaller the burner is, the larger coefficients will be, but equivalent ratio presents a weak effect.

Key words: stable flame; premixed mixture; blow-out limit; flash-back limit; bunsen burner

火焰的稳定燃烧区间通常定义为火焰发生回火与脱火2种燃烧状态的燃气流动区间。对于给定的混合气体，只要其当量比(实际燃空比与理论燃空比之比)在着火极限区间内，火焰的稳定传播主要受气流的流动速度所决定。当其气体流速值超过了一定值时，火焰将会被吹离燃烧器口边沿而逐渐熄灭，此时的气流流动参数就定义为火焰脱火极限。相反，当燃气流速低于火焰燃烧的最小临界值时，会使火焰面上某一点的燃烧速度大于气流速度，这时火焰就会迎着气流方向移动并传播到气流内部，燃烧火焰呈向燃烧器内收缩态势，发生“回火”现象，此时对应的燃气临界流动参数就称为火焰的回火极限。稳定火焰的传播是高效燃烧的基础^[1]。火焰的脱火和回火是较为复杂的燃烧现象，受燃气燃烧化学及流动等多方面的影响。Harris等^[2]最早开始CH₄与Air前混火焰稳定性研究，20世纪50年代Kurz^[3]就在3~17.5 mm直径本生灯上测试了火焰的稳定传播区间，后来Putanm等^[4-5]又持续进行了大量了燃气稳定性测试。他们用本生灯燃烧器出口速度梯度表征火焰的脱火和回火极限，发现火焰脱火极限是燃气当量比的函数，而与本生灯直径呈弱相关。火焰稳定特性研究一直是燃烧研究的热点之一，自20世纪以来，类似相关研究还很多^[6-16]。但最近Mishra等^[15-16]开展的CH₄与Air预混火焰的稳定测试，发现火焰临界燃烧速度仍与燃烧器尺寸存在一定的相关性。氢气被认为是目前最有潜力的燃料添加剂，可较好地起到助燃作用。但目前国内外对氢气掺混的稳定燃烧特性还鲜有报道。本文作者首先对CH₄与Air预混火焰的脱火极限和回火极限进行测试，并与相关文献数据进行比较。随后测试掺氢CH₄与Air火焰的脱火和回火极限，总结掺氢比率对甲烷火焰稳定区间的影响。

1  试验系统及方法

火焰稳定特性测试是在本生灯燃烧器上进行。实验选用3种不同尺寸的燃烧器，喷口直径D分别为9，13和15.4 mm，本生喷管的长度为800 mm，远超过燃烧器出口的10倍，以确保管道内部燃气流动的均匀性^[3]。实验系统如图1所示，主要包括燃气混合和流量调控部分。混合室是气体燃料和空气混合的容积室，其前端分别连接有压缩空气、甲烷和氢气。实验时，它们经减压后在阀门控制下按设定燃气当量比要求，以一定体积比例进入燃气混合室，并在燃气混合室中进行混合。为确保燃气在混合器中均匀混合，在混合室内部设置了网状介质，以干扰燃气流运动。混合器后端出口分别接有本生灯和燃气放气口。实验时，将燃气混合室前的气阀流量开到最大，本生灯火焰点燃，并且平衡放气口也打开。待火焰燃烧稳定后，通过调整放气口的燃气流量，来达到改变流经燃烧器的气体流量的目的，分别测试火焰的脱火和回火极限。实验用燃气为高纯度CH₄和H₂，标称纯度均为99.9%。

图1  实验系统布置图

Fig. 1  Schematic map of experimental system

2  试验测试及结果分析

2.1  甲烷与空气预混火焰稳定规律

实验对不同当量比条件下的CH₄与Air预混火焰的脱火极限和回火极限进行了测试，结果以燃气体积流量的形式见图2。由图2可见：本生灯直径D对混合气体出口极限流量具有较明显的影响。脱火极限流量随D增大呈明显的增大，而回火极限流量增大趋势较小。

对于管道层流燃气流，燃气流速剖面分布按Poiseuille方程^[5]计算：

            (1)

式中：U(r)为本生灯出口剖面的气流速度；R为本生灯出口半径，；r为自本生灯出口中心的半径变量，0≤r≤R；V为流经本生灯出口剖面的燃气体积流量。由式(1)可得本生灯边缘燃气速度梯度G：

          (2)

由式(2)可计算获得不同尺寸本生灯的燃气速度梯度与燃气当量比f的变化关系，也就是较为经典的火焰稳定极限的速度梯度表示法，结果分别如图3和图4所示。为验证本文测试，图3和4还给出Putnam等^[5]、Kurz等^[3]、Mishra^[15]、和Cha等^[16]的数据结果，以进行比较。从图3可见：本生灯尺寸的改变对预混火焰脱火极限速度梯度影响较小，试验结果与文献结果基本吻合。

图2  CH₄与Air预混火焰脱火和回火极限体积流量

Fig. 2  Blow-out limits and flash-back limits flow rate of CH₄ and Air premixed flames

图3  CH₄与Air预混火焰脱火极限速度梯度

Fig. 3  Blow-out limits velocity gradient of CH₄ and Air premixed flames

脱火极限随燃气当量比的增加呈逐渐增大的趋势，并未因大燃气当量比下火焰燃烧速度降低而降低，其原因在于测试火焰没有外围保护气体，气体燃料的扩散燃烧行为，增强了火焰的稳定性。

图4所示为CH₄与Air预混火焰的回火极限速度梯度。从图4可以看出：在本文测试的本生灯直径范围内，速度梯度与Putnam等^[5]以及Cha等^[16]的速度梯度相当吻合。本生灯直径对回火极限的影响主要体现在小直径本生灯上。本生灯直径越小，回火极限越大。但当本生灯直径大于13 mm时，这种影响关系明显弱化。在燃气当量比f=1时，回火极限流量最大，主要因为此时预混火焰燃烧速度最大，具有更强的稳定传播能力。

2.2  氢气掺混对CH₄与Air预混火焰稳定传播的影响

试验测试了氢气掺混对CH₄与Air/预混火焰的稳定燃烧能力的影响。图5所示是直径为9 mm本生灯上掺氢条件下CH₄与Air预混火焰脱火和回火极限。从图5可见：H₂掺混显著提高了预混火焰的脱火极限和回火极限。掺氢火焰的回火极限与回火极限都随着掺氢比的增加而呈现增大趋势，掺氢脱火极限随增加的幅度明显大于回火极限的增加，这说明氢气的掺混拓展了甲烷/空气的稳定燃烧区间。掺氢对CH₄与Air预混火焰稳定影响可以主要归结为2个方面：其一是掺氢火焰速度的增加，火焰速度的增加有利于拓展火焰的稳定性^[5]；其二是掺氢后的散热增强，由于氢气的强的扩散作用，会造成强的热量交换，从而使得火焰的稳定性降低。掺氢火焰脱火极限随掺氢比率增加而增加，主要是掺氢对火焰燃烧速度增加作用大于火焰散热影响。而预混火焰回火极限随掺氢增加而增加，是因为回火时本生灯出口壁面传热损失的影响超过火焰燃烧速度增加的影响。

图4  CH₄与Air预混火焰回火极限速度梯度

Fig. 4  Flash-back limits velocity gradient of CH₄ and Air premixed flames

图5  掺氢条件下CH₄与Air预混火焰脱火和回火极限速度梯度

Fig. 5  Blow-out limits and flash-back limits velocity gradient of CH₄ and Air premixed flames with hydrogen addition

图6  CH₄，Air与H₂火焰回火极限随掺氢量的变化关系

Fig. 6  Flash-back limits relation with hydrogen addition of CH₄, Air and H₂ premixed flames

图7  CH₄，Air与H₂火焰脱火极限随掺氢量的变化关系

Fig. 7  Blow-back limits relation with hydrogen addition of CH₄, Air and H₂ premixed flames

图6和7所示为3种不同管径介于0.8~1.2之间时火焰临界速度梯度随掺氢比的变化趋势。从图6和7可见：掺氢率增加，火焰的回火和脱火极限速度梯度都呈近似的线性关系增加；随着掺氢比率增加，不同直径的本生灯测试所得的回火和脱火极限的差距明显加大。上述线性拟合关系系数表明，本生灯直径增加，线性系数大幅度变小，这说明氢气的扩散能力对脱火和回火极限的影响在小直径的本生灯上体现更为明显。

3  结论

1) 实验获得了与文献数据基本吻合的CH₃与Air预混火焰稳定燃烧区。CH₄与Air脱火极限速度梯度随着燃气当量比增加不断增大，而回火极限随着燃气当量比增大先增大后减小。

2) 掺氢火焰的脱火和回火极限速度梯度都随掺氢比的增加而增加，但脱火极限速度梯度增加幅度远远大于回火极限速度梯度，说明了氢气的掺混有助于拓展甲烷/空气的稳定燃烧能力。

3) 掺氢对CH₄与Air预混火焰稳定特性的影响可以近似线性表示为掺氢比率的函数，线性系数与燃气当量比无关。但随着本生灯直径的增加，该线性系数显著变小，说明氢气对火焰稳定的扩散影响在小直径本生灯上更为明显。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2014-02-17；修回日期：2014-06-21

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51076167)；重庆市杰出青年科学基金资助项目(cstc2012jjjq90002)；低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室(重庆大学)开放基金资助项目(LEUTS 201002)(Project (51076167) supported by the National Natural Science Foundation of China ; Project (cstc2012jjjq90002) supported by Science Funds of Chongqing for Distinguished Young Scholar; Project (LEUTS 201002) supported by Open Fund of Key Laboratory of Ministry of Education Technology and System Utilization of the Low Grade Energy, Chongqing University)

通信作者：廖世勇(1973-)，男，重庆人，博士，教授，从事燃烧化学研究；电话：023-68759671；E-mail：shyliao@gmail.com