CO2稀释对甲烷反扩散火焰结构的影响研究

闫帅，杨家宝，龚岩，郭庆华，于广锁

（华东理工大学洁净煤技术研究所，上海 200237）

引 言

扩散燃烧是气体基本燃烧方式之一，因燃烧形式简单，燃烧稳定性好，在日常生活和工业生产中被广泛应用。日常生活中的蜡烛、气体打火机及工业燃烧设备等，均采用扩散燃烧形式[1-4]。反扩散火焰是扩散火焰的一种，不同于正扩散火焰，其特点为内部氧化剂被外部燃料包围。由于正、反扩散火焰在燃料和氧化剂的混合方式上存在差异，导致反扩散火焰中产生的碳烟比正扩散火焰中的碳烟少[5]。气态烃非催化部分氧化技术多采用反扩散火焰型式以实现甲烷等气态烃类燃料的转化[6]。

随着我国“双碳”目标的提出，绿色低碳、节能减排成为各行业发展转型的必要因素，对反扩散火焰在工业中的应用提出了更高的要求。CO2稀释的火焰可以减少NOx等污染物排放[7]，在改善燃烧状态的同时，降低生产成本，节能减排。探讨CO2在反扩散火焰中的稀释效应为其在工业上的应用和发展提供重要的理论基础和技术支持，但目前关于反扩散火焰光谱可视化的研究较少。相比于传统火焰研究方法，光谱诊断方法作为一种非接触式测量方法，具有响应时间短、不扰动火焰的优点。因此，通过光谱诊断研究反扩散火焰的燃烧现象，确定CO2的稀释效应，深入理解反扩散火焰燃烧机理，对反扩散火焰在工业中的应用具有深远意义。

碳氢火焰燃烧时形成的中间物质能够产生自发辐射，这些辐射主要来源于三个方面[8]：高温下固体颗粒产生的连续黑体辐射；稳定气体分子受高温激发产生转动辐射；激发态自由基(OH*、CH*、C2*等)跃迁回基态释放光子产生的特征辐射(化学发光)。基于化学发光辐射的光学诊断技术是一种效率高且发展迅速的非接触式火焰监测方法。通过CCD 相机结合相应的带通滤光片可实现火焰自由基(如OH*、CH*、C2*)特征辐射信息的采集，进而获得火焰的结构特性和特征参数。火焰中自由基辐射强度信息表征火焰燃烧状态已广泛应用于火焰诊断中。OH*、CH*辐射强度可用于表征火焰锋面与结构形态[9-10]、热释放速率[11]、氧燃当量比[12]、燃料种类[13]等。周莹等[14]在讨论自由基化学发光特性在火焰光谱诊断的应用时，指出OH*和CH*的化学发光可以实现基于图像处理的火焰结构表征。利用OH*和CH*化学发光特征可实现层流和湍流反扩散火焰(IDF)中双火焰结构的可视化[15-16]。Escudero等[17]对乙烯层流反扩散火焰中氧指数的影响进行了试验研究。通过CH*自由基的自发辐射表征火焰高度，发现火焰高度随氧指数的增加而降低。Zhou等[18]通过不同工况下OH*和CH*辐射特性研究了CH4/O2反扩散举升火焰的稳定性。研究表明，OH*化学发光在火焰根部产生，沿传播方向急剧增加。随着氧气气体速度的增加，火焰变得不稳定，导致OH*径向尺寸减小，反应区靠近中心轴。Zhu等[19]采用数值模拟的方法，研究了CO 和H2加入对OH*化学发光特性的影响。发现在反扩散火焰中，OH*化学发光主要集中在火焰下游区域的中心轴线处。且随着氧燃当量比的增加，OH*化学发光强度逐渐减小，OH*强度峰值位置逐渐由火焰下游向上游移动。Yang 等[20]研究了不同氧燃当量比和CO2稀释氧化剂下，OH*和CH*在CH4/O2扩散火焰中的化学发光分布。发现氧燃当量比和CO2稀释水平的变化对CH*层的形状和厚度没有明显的影响。

许多研究已经涉及反扩散火焰的燃烧特性及相关机理，但针对氧化剂稀释条件下反扩散火焰燃烧特性的光谱诊断研究尚未完善。本研究将通过光谱成像系统探讨不同CO2稀释水平和氧燃当量比下甲烷/氧气反扩散火焰的OH*、CH*的化学发光分布特性及火焰的结构特性，得到不同工况下以OH*、CH*辐射分布表征的火焰二维反应区结构变化，并进一步分析CO2稀释量和氧燃当量比对火焰OH*、CH*分布特性的影响。

1 试验装置和方法

1.1 试验原理及装置

试验平台如图1 所示，主要由燃烧器系统、高分辨率CCD 相机成像系统和光纤光谱仪等组成。燃烧器系统主要由同轴三通道喷嘴及其附件组成。喷嘴为同轴射流结构，其内部构造与Yang 等[21]的喷嘴结构相似，中心通道为氧化剂通道，直径为4 mm，中间环隙为燃料通道，内径分别为5 mm 和7 mm，外环隙通入Ar 以隔绝外界空气，避免其对试验结果产生影响。以纯甲烷(纯度＞99.9%)作为燃料，纯氧(纯度＞99.9%)或者CO2稀释后的氧气为氧化剂，流量均由Brankhorst 质量流量计(F-201CB)调节和控制。

图1 火焰化学发光检测平台Fig.1 Flame chemiluminescence detection platform

OH*和CH*的二维分布通过高分辨率CCD 相机成像系统获得。该成像系统由CCD 相机(FLI e2v CCD 47-10)和带有3 个带通滤波片的紫外石英透镜组成。相机的分辨率为1056×1027，光谱响应范围为200～1100 nm。该相机带有制冷系统，以保证CCD传感器及相关电子元件温度低于-10℃，以最大程度降低暗电流影响。带通滤波片的中心波长分别为310、430和455 nm，半高峰宽均为10 nm。试验中的火焰均为层流轴对称火焰，燃烧过程相对稳定，取25 幅图像的平均值作为该工况下的试验值。该试验值为视线方向的积分值，需进行Abel 反卷积处理[22]，得到火焰空间内某一截面的真实辐射强度。本研究选取火焰的右半部分进行讨论和分析。

光纤光谱仪(SE2030-50-DUVN)主要用于采集火焰的发射光谱曲线。其狭缝宽度为50 μm，光纤探头直径为3 mm，工作距离为50 mm。光谱响应范围为200～1000 nm，可用于紫外波段和可见光波段的光谱测量。

1.2 试验条件

试验控制甲烷流量恒定(0.50 L·min-1)，改变氧气流量以调节当量比，另外改变氧化剂中CO2的体积分数探究不同CO2稀释水平对火焰特性的影响，具体操作工况条件如表1 所示。其中，Q、U分别为气体的体积流量与出口气速，X为氧化剂中稀释剂的体积分数，λ为火焰氧燃当量比，由式(1)计算：

表1 试验工况条件Table 1 Experimental conditions

其中，[O/C]a是由实际甲烷、氧气流量计算得到的氧碳比;[O/C]s是甲烷完全燃烧时的化学计量氧碳比。

1.3 OH*、CH*辐射发光表征

图2 为反扩散火焰自发辐射光谱曲线图。OH*化学发光特征峰在310 nm 波段附近，CH*化学发光特征峰在430 nm 波段附近。碳氢扩散火焰燃烧时产生碳烟颗粒。而碳烟颗粒连续辐射会影响化学发光的测量[23-24]。除了碳黑辐射，燃烧过程也会产生CO2*，高温下CO2*辐射表现为391～543 nm 波段之间的连续光谱[25]。Lauer 等[26]研究发现，CO2*产生的背景辐射最高可占430 nm 处总辐射强度的40%。由图2 可得，CH*的化学发光受背景辐射影响较大，其背景辐射与455 nm 波段的辐射量大致相同[27]。本研究采用455 nm 的辐射总量替代背景辐射量，并利用图像法进行扣除，以此得到CH*化学发光真实强度。Guiberti 等[28]通过装有455 nm 滤光片的ICCD相机采集的光谱信息证明了这种推定CH*图像背景辐射方法的可靠性。OH*化学发光受背景辐射影响较小[29]。选取不同条件下OH*辐射峰值的5.0%作为反应区的边界阈值[30]，在OH*辐射强度低于该阈值的区域内，认为无化学反应发生。CH*边界处理方法与OH*边界处理方法相同。

图2 反扩散火焰自发辐射光谱曲线图Fig.2 Inverse diffusion flame photometry graph

2 结果讨论与分析

2.1 稀释剂对OH*辐射强度分布的影响

OH*辐射能够用于表征火焰的反应区结构[31]。图3 为甲烷流量为0.5 L·min-1工况下，不同当量比(λ)条件下火焰的OH*二维辐射分布图。图中z为竖直方向高度，r为火焰横截面的径向长度。由图3可知，火焰结构随着当量比的增加而发生明显变化。火焰中心轴处(图3 中红色虚线边框)中空面积随着当量比的增大逐渐扩大，火焰逐渐中空，与Zhou 等[18]的模拟结果一致。这是由于中心通道氧化剂流速增加导致。中空面积增大的同时，轴线处出现少量OH*富集现象，说明核心反应区部分OH*扩散到中心通道。

将火焰反应区的高度定义为喷嘴出口至火焰下游OH*辐射消失位置间的距离。由图3 可得，甲烷流量固定时，随着氧燃当量比的增加，火焰反应区的轴向高度呈先增大后减小的变化趋势。无稀释火焰反应区轴向高度于λ=1.0 时达到峰值。这是由于在富燃条件下，甲烷火焰反应区轴向高度与氧气流量存在线性增加关系[5]。在贫燃条件下，甲烷流量流速不变，热释放速率不变，大部分燃料在火焰上游发生反应，且随着中心通道流速的增加，径向扩散作用增强，核心反应区反应更加强烈，被气流携带至火焰下游的燃料越来越少，导致火焰轴向高度逐渐降低。

图3 不同当量比火焰的OH*辐射强度二维分布Fig.3 Two-dimensional OH*radiation intensity distribution of flames with different equivalence ratios

火焰反应区中OH*辐射发光最强的光学薄面为火焰锋面，该平面将火焰在空间上分为还原区和氧化区两个区域。实际情况下火焰锋面具有一定的厚度，这是因为燃料和氧化剂的反应速率不可能无限快，存在一定量的氧化剂或者燃料越过火焰锋面发生燃烧反应。图3 中可以看出，火焰锋面随着当量比的增加逐渐被拉伸，核心反应区逐渐向火焰上游移动并缩小。这是由于随着当量比的增加，中心通道的氧化剂流速增加，氧气向燃料侧的扩散作用增强，火焰上游反应强度增加，又因为甲烷流量恒定，火焰上游反应强度的增加导致部分燃料传输到火焰下游，火焰下游反应强度降低。这两种原因导致宏观上核心反应区逐渐向火焰上游移动。流速的增加也导致火焰锋面被拉伸和延长。如表1所示，氧化剂流速随着当量比的增加而增加，氧化剂气流的夹带作用增强，使得一部分未反应的燃料被携带至火焰下游，导致核心反应区面积缩小。

图4 为当量比为1.0 时，不同体积分数CO2稀释下，以OH*辐射分布表征的火焰二维反应区结构图。由图4 可知，XCO2=33.3%时，火焰由包络状变为对称双包络状。这是由于气速增加导致火焰尖端出现开口[32]。氧化剂中稀释剂体积分数越大，火焰锋面越窄，火焰越细长，核心反应区强度逐渐减弱。这说明CO2的添加使OH*浓度降低[33]，对反扩散火焰中OH*的形成具有抑制作用。随着XCO2的不断增加，部分燃料与氧化剂尚未发生反应便被CO2气流携带至火焰下游，导致火焰上游核心反应区的区域面积逐渐减小，强度逐渐减弱。XCO2的不断增加导致氧化剂流速增加，使得火焰锋面被拉伸。

图4 当量比为1.0时CO2稀释下的OH*辐射强度分布图Fig.4 Distribution of OH*radiation intensity under CO2 dilution when the equivalence ratio is 1.0

2.2 稀释剂对CH*辐射强度分布的影响

CH*作为甲烷热解生成的自由基，与点火密切相关，是反应区起始点的指标[34]。图5为甲烷流量为0.5 L·min-1工况下，不同当量比下火焰的CH*二维辐射分布图。由图5 可知，随着当量比的增加，CH*的核心反应区位置和火焰形状并未随当量比变化而明显变化。说明与OH*表征火焰反应区相比，CH*不适合表征火焰整体轮廓。但核心反应区强度随当量比增大而变强，说明越来越多的甲烷被消耗。对比图3发现，相比于OH*层，CH*层是一个薄反应层。

图5 不同当量比火焰的CH*辐射强度二维分布Fig.5 Two-dimensional CH*radiation intensity distribution of flames with different equivalence ratios

图6 为当量比为1.0 时，以CH*辐射分布表征的不同体积分数CO2稀释火焰二维反应区结构图。XCO2的增加导致CH*的二维分布发生显著变化。随着XCO2的增加，核心反应区强度逐渐减弱，面积逐渐减小，火焰明显被拉伸并靠近中央轴线。由表1 可知，XCO2的增加导致氧化剂通道气体流速增加，加强了环空通道内甲烷的夹带，同时氧气分压的降低使得氧气扩散系数减小，从而核心反应区面积和强度减小。当XCO2逐渐增大时，火焰根部由附着在喷嘴尖端逐渐向上移动，出现举升现象。

图6 当量比为1.0时CO2稀释下的CH*辐射强度分布Fig.6 Distribution of CH*radiation intensity under CO2 dilution when the equivalent ratio is 1.0

2.3 反应区峰值强度及位置变化

氧燃当量比是燃烧系统中的关键参数，也是火焰多种特性的影响因素[35]。当量比对OH*和CH*辐射强度的影响较大。图7 为不同氧燃当量比下，OH*和CH*的峰值强度图。随着当量比的增大，OH*峰值强度呈指数型下降，CH*峰值强度线性增加。

图7 CH*和OH*峰值强度随当量比的变化Fig.7 CH*and OH*peak intensity with different equivalence ratios

图8 为无稀释条件下峰值位置变化图。由图8(a)可得，随着当量比的增加，CH*的峰值位置几乎不变，稳定在喷嘴出口上方0.5 mm 处。OH*的峰值位置随着当量比的增加出现骤降。由图8(b)可得OH*核心反应区分为Ⅰ区和Ⅱ区。Ⅰ区为完全反应核心区，Ⅱ区为根部核心反应区[36]。随着氧燃当量比的增加，核心反应区Ⅰ逐渐消失，核心反应区Ⅱ逐渐增强，Ⅰ区的消失导致OH*峰值位置骤降。

图8 CH*和OH*辐射强度峰值位置随当量比的变化Fig.8 CH*and OH*peak radiation intensity positions with various equivalence ratios

2.4 火焰截面拉伸变化分析

火焰拉伸变化能反映火焰锋面和火焰结构的特性。火焰的形态和结构是反映火焰燃烧状态最直观的表现形式，对火焰的传播和辐射特性有着显著影响[37]。为了更好地表征火焰二维分布的拉伸，定义火焰纵横比为火焰轴向高度与火焰最大厚度之比。火焰厚度采用二维分布图中OH*径向分布中两个边界阈值的间距[21]。图9(a)为无稀释工况下，OH*、CH*火焰纵横比变化。未稀释条件下，OH*火焰纵横比随当量比增加而逐渐增加。这表明当量比的增加导致火焰被轴向拉伸。贫燃条件下比富燃条件下火焰拉伸更为明显。而随着当量比增加，CH*火焰纵横比几乎不变。说明无论是贫燃还是富燃条件下，CH*火焰主要反应区并不会随着气流速度或者当量比的增加而被轴向拉伸。图9(b)为CO2稀释下OH*、CH*火焰截面拉伸变化。随着稀释剂体积分数的增加，OH*火焰纵横比先上升后下降，之后又呈上升趋势。出现这种趋势的原因是当稀释体积分数XCO2从28.6%增加到33.3%时，火焰结构由包络状变为对称双包络状，火焰尖端附近无OH*生成，造成火焰轴向高度降低，火焰纵横比减小。而CH*火焰纵横比随XCO2的增加而逐渐增加。对比稀释和无稀释工况下的火焰拉伸，CO2稀释对CH*火焰纵向拉伸的影响更大。

图9 火焰纵横比随氧燃当量比及CO2稀释水平变化Fig.9 Flame aspect ratio under different oxygen-fuel equivalence ratios and CO2 dilution levels

2.5 火焰面积变化分析

火焰面积是表征火焰存在与否及着火时间的重要依据[38-39]，反映了火焰的表观尺寸。计算不同工况下火焰面积，如图10所示。图10(a)为不同当量比下OH*、CH*火焰面积变化。无稀释工况下，OH*火焰面积随当量比增加呈先上升后下降趋势，并在当量比为0.9～1.0 时达到峰值。CH*火焰面积随着当量比的增加小幅减小。这是由于火焰形状受Peclet数的影响[40]。当量比小于1.0时，Peclet数主要受对流作用影响，随着当量比的增加，中心通道气速逐渐增加，Peclet 数增加，OH*火焰轴向高度增加，火焰面积增加。当量比大于1.0 时，Peclet 数主要受扩散系数影响。随着当量比的增加，温度升高引起扩散系数增加，Peclet 数减小，径向扩散作用增强，OH*火焰轴向高度减小，火焰面积减小。

图10(b)为不同CO2稀释水平下OH*、CH*火焰面积变化。在CO2稀释条件下，随着XCO2的增加，OH*火焰面积逐渐减小，CH*火焰面积逐渐增大。这表明，CO2的拉伸作用能显著增加CH*火焰面积。CH*火焰面积对CO2的稀释敏感性高，更适合作为监测CO2浓度的表征手段。

图10 OH*、CH*火焰面积随氧燃当量比及CO2稀释水平变化Fig.10 Flame area under different oxygen-fuel equivalence ratios and CO2 dilution levels

3 结 论

本文通过对未稀释和稀释氧化剂条件下甲烷/氧气反扩散火焰的化学发光特性进行研究，得到了不同当量比及CO2稀释剂体积分数下反扩散火焰的OH*、CH*二维分布，并得出以下结论。

(1) 氧燃当量比和CO2稀释氧化剂均会造成反扩散火焰核心反应区强度及位置的变化。当量比的增加会使OH*分布逐渐向火焰上游移动，强度呈指数关系减小，CH*分布基本不变，强度呈线性关系增大。CO2稀释下OH*和CH*强度均变小。当量比的增加使OH*峰值位置出现骤降，表明OH*核心反应区出现转移。

(2) OH*火焰纵横比和CH*火焰纵横比分别表征OH*分布和CH*分布纵向拉伸情况。当量比的增加和CO2的稀释均会造成OH*分布被纵向拉伸，且拉伸到一定程度时，OH*火焰顶端出现开口，二维分布由包络状变为对称包络状。CO2稀释是造成CH*分布被拉伸的主要原因，当量比的增加几乎不改变CH*二维分布。

(3)火焰截面面积受Peclet 数影响，且OH*火焰面积大于CH*火焰面积。随着当量比的增加，OH*火焰面积先增大后减小，在当量比为1.0 左右时达到面积峰值。CO2稀释下OH*火焰面积持续减小。CH*火焰面积随当量比增加逐渐减小，随CO2稀释体积分数增加而逐渐增大。