交流和直流电场对天然气贫燃火焰的影响

崔雨辰，段浩，吴筱敏,2，相楠

（1 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049；2 陕西理工学院陕西省工业自动化重点实验室，陕西 汉中 723001；3 启帆公司，北京 100076）

引 言

天然气的主要成分是甲烷（CH4），其所占的体积含量在80%～90%甚至更高，是自然界作为气体燃料存在的唯一化石燃料。天然气凭借其储量丰富、运行成本低、排放性能优良、安全性高等优势已经被广泛应用于锅炉、汽车发动机等诸多工业领域，这也预示着在未来不久天然气将超越石油成为世界第一大能源，但是扼制天然气经济性能提升的一大瓶颈就是其在贫燃条件下存在着着火延迟、燃烧速率低和稳定性差等缺点。为改善天然气贫燃特性，许多学者提出了天然气掺氢燃烧[1-3]、湍流燃烧[4]等解决方案。

电场辅助燃烧是一种新型燃烧技术，对其原理的解释目前主要有如下两种：第一，离子风效应，即化学电离产生的带电离子（CHO+、H3O+、CH5O+、OH-、O-等）和电子在电场的作用下定向运动，在运动过程中与中性粒子发生碰撞并传递能量，从而产生近似电场方向的大规模的粒子定向迁移。第二，电场直接作用于化学反应动力学，即N2分子与电子碰撞后被激发到振荡级[N2(υ=0)+e→N2(υ＞0)+e]，受激发振荡的氮气分子可将其振荡能量传递给氧气分子[N2(υ)+O2(υ'=0)→N2(υ-1)+O2(υ'=1)]，这种受振荡激励的氧气分子可以增大火焰中分支反应的反应速率[H2+O2(υ'=1)→OH+O]。电场辅助燃烧被广泛认为可以增加火焰稳定性[5-8]、提高火焰速度[9-11]以及减少碳烟排放[12-13]。Kim 等[14]研究了交流电场频率对丙烷空气喷焰稳定特征参数和吹熄速率的影响，发现交流电场可以扩展火焰稳定区域。段浩等[15]研究了不同电极结构下电场对火焰传播的影响，发现网状电极下火焰横向传播速度增大最明显。方朝纲等[16]研究了重力场作用下丙醇、癸烷、柴油等液滴在垂直电场中的燃烧特性，发现电场对火焰的拉伸有助于抑制碳烟的生成和促进碳烟的氧化。以上的研究很少涉及电场对天然气火焰的影响，因此，本文通过大量的实验，对比了相同电压有效值下直流和交流电场对贫燃天然气的影响，为天然气更好地应用于工业领域提供新思路。

1 电场数值模拟

1.1 建立三维模型

在用Ansoft Maxwell 14.0 计算模拟电场前，在Pro/E 中对电极和定容燃烧弹建立准确的三维模型，并对模型进行一定程度的简化，达到在尽量少的计算量下有足够高的精度。

1.2 定义材料属性

本次模拟过程中涉及到的材料有不锈钢制成的网状电极，铂制成的点火电极，45 号钢制成的定容燃烧弹，聚四氟乙烯制成的绝缘体，以及视为理想气体的预混气体，由于甲烷的相对介电常数为 1.0008，与空气的十分接近，因此用空气的相对介电常数来代替。材料属性设置如表1 所示。

表1 材料属性Table 1 Material properties

1.3 设置激励源和边界条件

本次模拟设置的激励源为电压激励源，所有边界条件均为狄里克莱边界条件（第一边界条件）。高压电极设置的电压分别为-5 kV(直流)和±5 2 kV（交流电压波峰波谷对应的电压），点火电极的设置为0 kV，定容燃烧弹绝缘套外壁设置电压为0 kV，定容燃烧弹以外的区域设置为完全绝缘。

1.4 网格划分和求解设置

利用Ansoft Maxwell 自动划分网格，通过限制网格的最大边长、网格深度、最大表面偏差、最大表面法线偏差等来控制网格的大小和细密程度，达到最适合的网格划分数量。网状电极模型最初划分网格总数为395578 个，经过2 次迭代最终生成网格数为494578 个，计算误差小于0.0042138%。在求解设置中，设置最大迭代次数为20 次，迭代误差小于0.1%时迭代停止。

2 实验装置和方法

本文的实验装置主要由定容燃烧弹系统、进排气系统、点火控制系统、纹影摄像系统、压力采集系统和高压电供给系统组成。实验装置如图1 所示。

图1 实验装置Fig.1 Schematic of experimental setup

定容燃烧弹是整体由碳钢浇铸而成的正方体，内腔为Φ130 mm×130 mm 的圆柱体，容弹内腔上布置有壁厚为8.5 mm 的绝缘套，容弹前后两侧装有直径为170 mm，厚度为30 mm 的高抗冲石英玻璃来为纹影系统提供光学通路。容弹上下表面中心竖直对称地分布着一对点火电极，点火电极的材料为铂，露出部分的直径为0.5 mm，两电极尖端的间距为2 mm。高压电极为一对外径为60 mm 的网状电极（45 号钢镂空圆盘），其对称安装在定容燃烧弹两侧左右面的中心处，距点火电极水平距离为35 mm。高压电极在容弹内的安装位置以及结构尺寸如图2 所示。

图2 网状电极和定容燃烧弹结构Fig.2 Structure of mesh electrode and constant volume combustion chamber

实验中高压直流电源采用Wisman DEL30N45负高压电源（输出电压范围为0～-30 kV，最大输出功率45 W），高频交流电源为Wisman 公司生产 的WPS20P20型高压交流电源（输出电压范围为0～20 kV，功率范围为1.5～45 W，输入电压变化为±10%）。高速摄像机为美国Redlake 公司生产的HG-100K，拍摄速度为5000 帧/秒。压力采集系统由压力传感器、电荷放大器和数据采集仪3 部分组成。压力传感器为Kistler4075A10 压电式低压绝对压力传感器。电荷放大器为Kistler4618A 型，用于放大压力传感器接收到的信号，与压力传感器匹配校准。数据采集仪为YOKOGAMA 公司研制的型号为DL750 的动态测试仪，采样频率高达10 MHz。

实验在常温、常压下进行，根据计量比依次向容弹内配置过量空气系数λ 分别为1.2、1.4 和1.6的甲烷/空气混合气，其中，天然气中甲烷的纯度为99.99%，静置2 min 使其混合均匀以消除扰动，与此同时向高压电极分别施加直流电压（-5 kV）和交流电压（有效值为5 kV，频率为15 kHz）。点火同时触发高速摄像机和压力传感器，得到压力、火焰燃烧距离与时间的关系。每次燃烧结束后，用真空泵将容弹内的废气抽出，并用新鲜空气多次冲洗燃烧弹，以消除残留废气对下次实验的影响。每个工况点至少重复3 次，取平均值，以便减小实验误差。

3 结果与分析

3.1 电场数值模拟结果

图3 为利用Ansoft Maxwell 14.0 对网状电极加载直流电压和交流电压（取电压波峰和波谷进行分析）后形成的电场线分布和电场强度分布的数值模拟结果。由于电极和容弹的对称性，对电场线分布和电场强度分布各取一半进行分析。从图中可以看出，加载直流电压时，电场线方向由点火电极近似水平地指向网状电极，点火电极的尖端附近空间电场强度最大，随着离容弹中心距离的增大，电场强度逐渐减小，水平方向上的电场强度为3.7×104～2.0×105V·m-1，交流电压下的电压波峰和波谷对应容弹空间电场分布几乎完全相同，网状电极间的电场线方向均近似水平，方向正好相反，水平方向上电场强度为1.0×105～3.0×105V·m-1。

3.2 火焰传播图像

图4 是过量空气系数λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下的火焰传播图像，从图中可以看出，未加载电压时，火焰基本呈球形传播，而加载两种电压后，火焰均得到了不同程度的拉伸，当过量空气系数一定时，交流电场下的火焰在水平方向的拉伸明显比直流电场下的剧烈，且混合气越稀，火焰拉伸越明显，两者的差异也越明显。

图3 加载直流电场和交流电场后的电场分布数值模拟结果Fig.3 Electric field distribution of DC and peak and trough of AC

图4 λ=1.2、1.4 和1.6 时的火焰传播图像Fig.4 Typical flame propagation images at λ=1.2, 1.4 and 1.6

电场主要通过热效应、离子风效应和电化学效应来影响火焰的传播[17]。热效应是指当电场中存在较大电流时电能转化成热能带入的能量。由于本实验燃烧过程中火焰中的电流很小，因此无论是直流电场还是交流电场都可以忽略热效应的影响。离子风效应是指加载电压后，大量离子（CHO+、H3O+、CH5O+、OH-、O-等）和电子沿电场方向定向迁移形成离子风，离子风使得火焰前锋面在水平方向上与未燃区的传热和传质增强，从而促进了火焰在水平方向的发展[10]。直流电场对火焰的作用主要是因为离子风效应这一观点已经得到了国内外许多学者的认可[10,12,18-19]。高频交流电场作用下的离子风效应与直流电场作用下的有所不同，因为交流电场极性的交替变化使得电场中的带电粒子受到的电场力方向交替改变，从而带电粒子不会大量定向迁移，因此火焰在反应区内不会形成定向体积流，但是，此时的离子风效应大大增强了容弹中各粒子的能量和动量交换，从而加速火焰传播，但由于实验中交流电场的频率较高，离子风效应并不起主导作用[17,20]。电化学效应是指火焰中大量离子与中性分子发生剧烈碰撞，产生大量活化基和离子并直接作用于化学反应动力学，从而通过改变燃烧过程中的某些化学反应来影响燃烧。直流电场作用下的电化学效应相对较小，因而可以忽略不计，而高频交流电场对火焰的影响主要是电化学效应[14,17,20]，较高的频率使得正负离子没有大规模定向迁移，从而使得火焰前锋面附近聚集了大量的正负离子，大量离子与中性分子发生剧烈碰撞，形成电化学效应。由于交流电场频率较高，使得电化学效应对火焰的影响要明显大于直流电场下离子风这一物理效应对火焰的影响，因此，相同电压有效值下，15 kHz 交流电场作用下的火焰拉伸更剧烈。

3.3 火焰传播距离和火焰传播速度

3.3.1 火焰传播距离 由图3 电场数值模拟结果可知，两种电压的电场方向基本都在水平方向，而竖直方向上火焰受电场影响较小，因此，将火焰传播距离L 定义为火焰在水平方向上左右两边火焰前锋面到容弹中心距离的平均值，即L=(L1+L2)/2，L1和L2的值由纹影照片确定，数据获取方式如图5 所示。本文选取的火焰传播距离的研究范围为L=6～25 mm，因为当L＜6 mm 时，点火能量对火焰发展产生的波动影响较大；当L＞25 mm 时，容弹内温度和压力的变化对火焰传播的影响较大[21]。

图5 火焰传播距离示意图Fig.5 Diagram of flame spread distance

图6 λ=1.2、1.4 和1.6 时的火焰传播距离随时间的变化Fig.6 Flame spread distance versus combustion time at λ =1.2, 1.4 and 1.6

图6 是λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下火焰传播距离随时间的变化。从图中可以看出，火焰传播距离随时间近乎线性增加，且过量空气系数一定时，L-t 曲线的斜率按照未加载电压、加载直流电压、加载交流电压的顺序依次递增，特别是在过量空气系数为1.6 时，这种规律尤为明显。

表2 给出了两种电压加载方式在不同过量空气系数下的火焰半径发展到25 mm 所用的时间t25以及加载电压后的t25比未加载电压时缩短的比率Δt25。从表中可以看出，与未加载电压相比，当过量空气系数一定时，15 kHz 交流电场作用下的火焰传播时间比直流电场作用下的短，且混合气越稀，两者差异越明显，例如λ=1.6 时，加载交流电压和直流电压下的 t25分别比未加载电压时缩短了49.60%和34.56%，这主要是因为混合气越稀，火焰发展用时越长，电场对火焰的影响越大，因而此时电化学效应对火焰的促进作用要比离子风效应的促进作用更加明显，因此两者的差异越明显。

表2 λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下的火焰半径发展到25 mm 所用的时间及其比未加载电压时的缩短比率Table 2 Corresponding times when flame radius increases to 25 mm and their shortening rates at λ =1.2, 1.4 and 1.6

3.3.2 火焰传播速度 火焰传播速度SL定义为水平方向上的火焰前锋面相对于静止的容弹壁面的运动速度，即

式中，L 为火焰在水平方向上的传播距离；t为时间。

图7 是λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下火焰传播速度随火焰传播距离的变化。从图中可以看出，过量空气系数一定时，加载电压后的火焰传播速度均比未加载电压时的大，且15 kHz 交流电场作用下的火焰传播速度总是比直流电场下的大，这主要是因为高频交流电场下的电化学效应大大促进了火焰的发展，而直流电场下的离子风效应虽然在一定程度上促进了火焰的发展，但是其效果远不及前者。

图7 λ=1.2、1.4 和1.6 时火焰传播速度随火焰 传播距离的变化Fig.7 Flame propagation speed versus flame spread distance at λ=1.2, 1.4 and 1.6

图8 给出了不同电压加载方式下，平均火焰传播速度随过量空气系数的变化，从图中可以看出，加载电压后的平均火焰传播速度均有较大幅度提高，且随着过量空气系数的增大而逐渐减小，过量空气系数一定时，15 kHz 交流电场作用下的平均火焰传播速度总是大于直流电场下的，且混合气越稀，两者差异越明显。由此得出，相同电压有效值下，15 kHz 高频交流电场对火焰传播速度的促进作用大于直流电场。

图8 平均火焰传播速度与过量空气系数的关系Fig.8 Average flame propagation speeds versus excess air ratio

表3 λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下的平均火焰传播速度及其增大率Table 3 Average flame propagation speeds and their increasing rates at λ=1.2, 1.4 and 1.6

表3 是λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下的平均火焰传播速度及其相比于未加电压时增大的程度Δ。从表中可以看出，相同过量空气系数下，总有，且Δ，并且混合气越稀，两者的差异越明显，例如λ=1.6 时，加载15 kHz 高频交流电压和直流电压下的分别比未加载电压时增大了117.65%和62.75%。由表2 可知，混合气越稀，火焰发展到相同半径所用的时间越长，即火焰前锋面在电场中停留的时间越长，此时火焰受电场作用的影响较大，由于两种电压加载方式形成的电场对火焰影响机理的不同，使得两者的差异明显。

3.4 燃烧压力

图9 λ=1.2、1.4 和1.6 时火焰压力随时间的变化Fig.9 Combustion pressure versus combustion time at λ=1.2, 1.4 and 1.6

图9 为λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下火焰燃烧压力随时间的变化。从图中可以看 出，相同过量空气系数下，两种电压加载方式下的压力峰值均比未加载电压时高，峰值到达时间均有所提前，且加载15 kHz 交流电压时效果更加明显，这主要是电化学效应作用的结果。由此可以得出，两种电压加载方式对燃烧均有一定的促进作用，且15 kHz 交流电场的促进作用要明显大于直流电场。

表4 是两种电压加载方式下的火焰压力峰值和峰值到达时间。从表中可以看出，相同过量空气系数下，两种电压加载方式相比于未加载电压时的压力峰值增幅均有交流＞直流，且峰值到达时间提前的程度也有交流＞直流。当混合气越稀时，两者的差异明显，例如λ=1.6 时，交流电场和直流电场作用下的压力峰值相比未加载电场时的增幅分别为14.20%和8.76%，提前时间分别为141.35 ms 和56.75 ms，说明15 kHz 交流电场对燃烧的促进作用比直流电场明显。

表4 λ=1.2、1.4 和1.6 时两种电压加载方式下的火焰压力峰值和峰值出现时间Table 4 Maxima of combustion pressure and their appearance times at λ=1.2, 1.4 and 1.6

4 结 论

（1）交流和直流电场作用下的火焰均在水平方向被拉伸，相同电压有效值下，15 kHz 高频交流电场对火焰的拉伸作用要强于直流电场，且混合气越稀时，两者差异越明显。

（2）相同电压有效值下，15 kHz 高频交流电场对火焰传播速度和燃烧压力的促进作用要明显大于直流电场。与未加载电压相比，当过量空气系数为1.6 时，交流电场下的火焰传播速度提高117.65%，直流电场下的提高62.75%；交流电场下的压力峰值增幅为14.20%，直流电场下的为8.76%。

（3）电场对天然气贫燃条件下的燃烧有一定的促进作用，因此，电场辅助燃烧技术可以为天然气更好地应用于工业领域提供新思路。

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