不同富氧氛围下甲烷燃烧特性及其综合分析

摘 要：针对富氧氛围下甲烷燃烧特性及其最佳的富氧条件，分别在氧气含量为21 %、24 %、27 %、30 %、33 %和36 %条件下开展了甲烷点火延迟时间、绝热火焰温度、火焰传播速度、羟基生成率及氮氧化物排放等燃烧性能研究，并采用变异扰动法实现了不同富氧氛围对甲烷燃烧贡献的定量化表征和综合评估，同时基于敏感度分析和反应路径分析等途径揭示了富氧氛围对甲烷燃烧的关键反应和微观机制的影响规律。结果表明：富氧氛围显著缩短了甲烷的点火延迟时间，有利于羟基的生成，且有效提高了绝热火焰温度和火焰传播速度，但其却增大了氮氧化物的排放；同时在本研究工况范围内确定了27 %的含氧量是甲烷富氧燃烧的最佳氛围，动力学分析结果显示，富氧氛围对甲烷燃烧的重要路径影响不大，但会加快各通道的反应速率。

关键词：甲烷；富氧氛围；燃烧特性；变异扰动法

中图分类号：TK16" " " " " " "文献标识码：A" " " " " " " 文章编号：1007 - 9734 （2024） 03 - 0065 - 10

0 引 言

甲烷（CH4）是一种具有较高潜力的航空航天燃料，相比液氢液氧发动机和液氧煤油发动机，液氧甲烷发动机更适合于多次重复使用；同时，甲烷还是天然气的主要成分，也是汽油、煤油等化石燃料燃烧时的重要中间组分；另外，甲烷来源广泛、价格便宜、燃烧污染低，因此备受关注。富氧燃烧（Oxygen enriched combustion，OEC）作为一种高效节能的燃烧技术，通过提高氧化剂中氧气的浓度（大于空气中氧气浓度至纯氧）来强化整个燃烧过程，加快燃烧速率，提高燃烧效率。富氧燃烧技术在锅炉、涡轮发动机、循环流化床等领域得到了广泛的应用[1-6]。对其在富氧环境下的燃烧性能进行研究和综合分析有助于液氧甲烷发动机的使用和天然气等化石燃料的高效利用，并可为解决能源危机与环境污染问题提供新的途径。因此，探究不同富氧氛围下甲烷燃烧的特性及其演变规律，对于天然气、汽油、煤油等化石燃料的高效燃烧以及火箭发动机等动力燃烧设备的设计优化均具有较高的使用价值和参考意义。

甲烷的富氧燃烧一直是燃烧动力领域的研究热点。Fordoei等[7]在不同富氧条件下对甲烷的传热、着火延迟、火焰结构、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）的排放等特性进行了综合研究。Feng等[8]在氧气质量分数从21 % 到99 % 变化条件下对富含甲烷/氧气的空气对流扩散火焰中NOx排放进行了数值分析。Jeong等[9]在较宽富氧氛围下探究了CH4和O2/N2/CO2对流扩散火焰的火焰结构和 NOx排放等性能。Xie等[10]研究了高浓度CO2稀释对CH4/CO2/O2 混合物的燃烧化学反应、火焰不稳定性和火焰辐射的影响。Wang等[11]研究了二氧化碳 （CO2） 对CH4和丙烷（C3H8） 与空气燃烧时层流燃烧速度和火焰稳定性的影响。任昕等[12]研究了O2/CO2氛围下天然气的富氧燃烧，对比了不同工况下的燃烧特性的变化规律。胡家龙等[13]探究了氧浓度、压力对甲烷/空气层流扩散燃烧特性的影响。王国昌等[14]探究了H2O、CO2和N2的稀释对甲烷着火和排放特性的影响。单天翔等[15]探究了水蒸气对甲烷燃烧特性的影响规律，并对反应的链式传播过程进行分析。赵晓尧等[16]研究了高氧浓度氛围下不同当量比对甲烷火焰燃烧的影响规律。王城景[17]模拟了甲烷在水和氧气氛围下的燃烧过程，发现水蒸气的加入可以加快甲烷的消耗，在O2/H2O氛围下能够降低氮氧化物的生成水平。田晓晶等[18]探究了甲烷富氧燃烧特性及H2O对甲烷燃烧的影响。胡帆等[19]研究了富氧工况下H2O、O2和CO2等不同气体组分对甲烷燃烧过程的影响规律。另外，对于包含甲烷的混合燃料的富氧燃烧，相关人员也开展了较多研究。如Hu等[20]在富氧空气条件下对CH4/H2/CO/CO2/N2混合物的层流火焰速度进行了实验和数值研究。Wu等[21]探究了富氧燃烧条件下的天然气的传热效率和火焰变化规律，氮氧化物和二氧化碳的排放会随着氧气浓度提升而增加。Zhang等[22]研究了三种富氧氛围下生物质燃料和煤的混合燃烧，发现O2/H2O氛围能显著缩短燃料的点火时间，从而使燃料快速点火。林日成等[23]对O2/H2O气氛下煤气燃烧温度、烟气组分、NOx浓度等特性进行了数值研究。孙绍增等[24]对合成气在水蒸气纯氧条件下的燃烧成分、火焰温度、CO浓度等燃烧特性进行了实验研究。上述研究对不同富氧环境下甲烷的燃烧进行了分析，阐述了富氧氛围对甲烷燃烧特性的影响规律和作用，表明富氧燃烧对于甲烷及其混合物的点火、燃烧和排放等特性有着显著影响，并在燃烧过程和燃烧效率等方面也存在积极的作用。但甲烷富氧燃烧仍需进行系统研究，并且在多燃烧特性下对不同的富氧氛围进行全面评估。

本文在较宽参数范围内对甲烷富氧燃烧的点火延迟时间、绝热火焰温度、关键组分浓度、火焰传播速度、污染物排放等特性进行了系统研究，并结合动力学分析对富氧氛围下的反应路径和关键反应进行剖析，同时基于提出的变异扰动法对不同富氧氛围下的甲烷燃烧特性进行综合评估和定量化表征，以确定最佳的富氧条件。本工作将有助于甲烷的高效清洁燃烧，并可为天然气等化石燃料的高效利用提供依据。

1 研究方法

1.1 软件和燃烧模型

本研究的数值仿真是基于Chemkin软件包[25]和GRI-MECH 3.0燃烧反应机理[26]在较宽工况范围内开展系统模拟，选择Chemkin软件中零维封闭均相反应器计算不同工况下燃料的自点火延迟时间、绝热火焰温度、OH基浓度，并通过一维层流预混火焰传播反应器计算了燃料的层流火焰传播速度和污染物排放因子。需要说明的是，GRI-MECH 3.0反应机理（简称G3机理）是面向天然气的燃烧及其氮氧化物形成而构建的燃烧机理， G3机理的仿真精度和可靠性已被大量实验数据进行了评估和验证，并表现出了非常好的适应性，尤其是在开展甲烷以及天然气等燃料燃烧仿真时常被作为首选的反应机理[20]。

1.2 工况参数

本文着重研究富氧助燃下的甲烷燃烧特性及其演变规律。一般情况下空气中氧气和氮气的占比近似认为21 %和79 %，如果控制燃烧时氧化剂中氧气的占比大于21 %，就认为此时的燃烧已经处于富氧氛围。富氧燃烧技术相关研究表明，一般富氧燃烧氛围在26 % ～ 31 %能够取得最优的效果[2]。为了寻找适用于甲烷的燃烧氛围，本文分析了氧气浓度在21 %到36 %时甲烷的燃烧特性，并将其对应为6种燃烧氛围，具体如表1所示。

本文在压力（p）分别为1 atm和10 atm，当量比（e）在0.5 ～ 1.4范围内，温度（T）在300 K至1800 K条件下，对燃料的自点火、燃烧温度、最大OH基浓度、层流火焰速度和污染物排放等开展了数值仿真，并结合敏感度分析、反应路径分析、物质产率分析等手段对甲烷燃烧特性进行了全面剖析。

1.3 修正的变异扰动法

作者在2019年首次提出了变异扰动法[27]，其主要基于变异系数的思想，消除各燃烧特性的数值尺度和量纲的影响，并在2022年通过引入权重和符号函数提出了新的变异扰动法计算公式，实现了添加剂或掺混燃料对主燃料燃烧影响程度的量化表征和综合评估[28]。本文为更好地描述不同富氧氛围对甲烷燃烧性能的影响，将围绕每种富氧氛围下的各种燃烧特性扰动求和得到总扰动量（Disturbance， D），计算过程如式（1）至式（6）所示。通过扰动量的值可以直观化地给出富氧氛围相比于空气氛围下对燃料燃烧性能影响的综合扰动程度。相比于文献[28]中的变异扰动法，本文修正了变异扰动法中权重的计算形式，如（3）式所示。

[D]=[D][i]=[δiωid][i] （1）

δi = return （Si） （δi = 0，if Si = 0，otherwise + 1 or - 1）"""（2）

[ωi]=[Sin=1nSi] （3）

[di=stdevci1：cijavgci1：cij] （4）

[Si=j=1jCij] （5）

[cij=VOEij-VAirijVAirij] （6）

上述式子中，Vij为燃料的第i种燃烧特性在较宽参数范围内第j个工况下的值（实验值或模拟值），其中[VOEij]为富氧氛围下燃烧特性的值，[VAirij]为空气氛围下燃料燃烧性能的值；c为所有工况下富氧氛围和空气氛围下燃料燃烧特性的相对变化量；Si为所有工况下c的累加值，基于Si值的信息可以初步判断在多工况下富氧氛围相比于空气氛围燃烧的整体影响程度；di为第i种燃烧特性的扰动值，其中stdev为样本的标准偏差，avg为样本的标准算数平均值，扰动值大小可以定量表示富氧燃烧相比于空气氛围的变化量的扰动程度，直接彰显富氧氛围对每种燃烧特性的贡献，且能够消除各种燃烧特性的量纲和量级的差异，进而可对各种燃烧性能的扰动求和得到无量纲的总扰动值；ωi为一种氛围在多种富氧氛围中的权重，以便于对比多种富氧氛围相比于空气条件燃烧性能的作用，若研究n种富氧氛围，需要对每种氛围下对应的Si求和获取∑Si，然后基于Si和∑Si的比值来计算该氛围的权重ωi；同时引入δ函数表征扰动的积极性，通过Si值和return函数返回的值（+ 1、- 1、0）来判断富氧氛围相比于空气氛围燃烧的扰动效果，具体应用参考3.1节。

2 结果与讨论

2.1 富氧氛围下甲烷的自点火特性

本文基于Chemkin零维封闭均相反应器，在当量比为1.0、压力分别为1 atm和10 atm时，对不同氧氛围下甲烷的点火延迟时间（Ignition delay time）进行了计算，结果如图1所示。燃料的点火延迟时间与初始温度成反比，在初始温度增加的情况下，点火延迟时间明显缩短，说明初始温度增加，能有效提高燃料的化学反应速率，有助于燃料的快速点火；另外，对比图1（a）、图1（b）可知，点火延迟时间随着初始压强的增大而缩短，说明压强增大对点火也是有利的；同时，在其他初始工况一致的情况下，随着氧化剂中氧气比例的增加，点火延迟时间同样呈现了显著的下降趋势，当氧气的占比最大时，燃料的点火延迟时间最短，这表明富氧氛围对燃料的自点火性能是积极的，富氧的环境可实现甲烷的快速着火和燃烧。

图2为当量比对甲烷自点火性能的影响结果。可以看出，点火延迟时间随当量比的增加而增大，且呈现出正比关系，表明在贫油工况下，甲烷更容易点燃；但富氧氛围对燃料富油燃烧的影响更加显著；在当量比一定时，富氧氛围显著缩短了甲烷的点火延迟时间，且氧气的占比越高，点火延迟时间越短。值得注意的是，随着氧气占比的增加，富氧氛围对甲烷点火性能的促进作用在变缓，如图2（a）中，在当量比为0.5时，氧气在氧化剂中的占比依次均匀递增（0.21 → 0.24 → 0.27 → 0.30 → 0.33 → 0.36）的过程中，甲烷点火延迟时间依次分别缩短了0.00439、0.00334、0.00263、0.00211、0.00174，同样的情形在图3和图4中的其他工况下均有类似的现象。

2.2 不同氧氛围下甲烷燃烧绝热火焰温度

本文还基于零维封闭均相反应器在当量比为1，压力为1 atm和10 atm，初始温度为1200 K ～ 1800 K的条件下，模拟了甲烷燃烧的绝热火焰温度（Adiabatic flame temperature）。

从图3可知，不同氧浓度下甲烷燃烧的绝热火焰温度与初始温度呈现出显著的正比线性关系，同时，随着氧化剂中O2浓度的增加，绝热火焰温度提升明显；但从图中各线的斜率可知，其正比系数随着氧气浓度的增大而减小，表明绝热火焰温度增加的效果在逐级递减。如在初始温度一定的情况下，氧化剂中氧气浓度在21 %时增加的效果最为显著，此时初始温度每升高100 K，绝热火焰温度会随之升高近40 K；而在氧气浓度为36 %时，初始温度每增加100 K，绝热火焰温度的升值约为24 K；另外，压强的增加同样能够使绝热火焰温度增加，通过对比图3（a）和图3（b）可知，10 atm下氧气对绝热火焰温度的提升效果要明显强于1 atm时的效果。

图4探究了当量比对绝热火焰温度的影响，发现绝热火焰温度随当量比均呈现类似抛物线的变化，在当量比为1.1附近时达到最大值，在富油和贫油工况下绝热火焰温度则变低；另外，在贫油时，绝热火焰温度与当量比成正比，而在富油时则相反，且在贫油工况下绝热火焰温度梯度的绝对值要明显大于富油，但在富油状态下，甲烷燃烧的绝热火焰温度整体要高于贫油。

2.3 富氧氛围对火焰传播速度的影响

在温度为300 K，压力分别为1 atm和10 atm，当量比在0.5 ～ 1.4范围内，本研究计算了甲烷的火焰传播速度（Laminar flame speed）。

由图5可知，火焰传播速度随当量比均呈现出先增后减的变化，在当量比为1.0 ～ 1.1的范围稍偏富油的情况下，火焰传播速度最大；随着氧气浓度的增加，火焰传播速度明显增大，且在化学恰当比附近增加效果最为明显；而在当量比为0.5时，由于氧气本身过剩，此时氧气初始浓度对甲烷燃烧火焰传播速度的促进作用较弱，而在富油的情况下，氧气浓度增大则会明显提升火焰的传播速度。

另外，通过对比图5（a）和图5（b）发现，压力整体对火焰传播速度的影响也是积极的。值得注意的是，该特性的变化规律与甲烷点火延迟时间和绝热火焰温度不同，随着氧气占比的增加，富氧氛围对甲烷火焰传播特性的促进作用整体变大，该现象在1 atm下尤其明显。

2.4 富氧氛围对自由基OH的影响

OH自由基在碳氢燃料燃烧过程中至关重要，其积累速度直接决定了燃料点火的快慢，且以OH为代表的小分子活泼自由基与燃料分子碰撞发生的氢提取反应是烃类燃料主要的消耗通道；另外，碳氢燃料燃烧过程中重要的放热反应为CO + OH = CO2 + H，同样有OH的参与。需要注意的是，燃料燃烧过程中OH自由基主要通过H + O2 = OH + O反应生成，所以有理由相信在不同的氧氛围下OH会呈现出较强的反馈。本文在当量比为1，压强为1 atm和10 atm，温度分别为1200 K、1400 K的条件下，基于物产产率分析（Rate of production， ROP）研究不同氧气浓度下甲烷燃烧过程中OH基生成速率。

由图6（a）至图6（d）可知，随着氧化剂中氧气的增加，OH自由基积累速度加快，且加快了OH的生成速率；同样初始温度和压强的增加能够加快OH自由基的生成。根据质量作用定律可知，化学反应速率的快慢主要由反应物浓度和速率常数决定，因此，氧化剂中O2比例增大，提高了反应物的浓度；而温度和压强的增加，增大了反应速率常数，所以这些因素的变化，会提高H + O2 = OH + O反应速率，促进了OH的生成和积累。需要注意的是，图6（a）中ΔROP1/Δt1 →ΔROP5/Δt5斜率绝对值在增大，表明随着氧气浓度的等值增大，OH生成速率的增长加快，但氧气浓度对OH生成的影响程度在变缓，从Δt1 →Δt5在逐渐缩短可以说明。

2.5 富氧氛围下甲烷的氮氧化物排放特性

本文以氮氧化物（NOx，主要包含NO、NO2、N2O等）为研究对象，并采用航空领域中气态污染物经典的评估方法——指数（Emission index， EI）来衡量NOx的排放水平：

EIi = mi， emitted / mf， burned （7）

上式中mi， emitted表示第i种污染组分的排放质量（g），mf， burned表示燃烧过程中所消耗燃料质量（kg）。本文在压力为1 atm和10 atm，温度300 K时探究了不同富氧氛围下甲烷燃烧氮氧化物排放指数（Emission index of NOx， EINOx）随当量比的变化情况，如图7所示。结果表明，NOx的排放均随着当量比的增大呈现出先增后减的变化，这是由于高温环境下NOx更容易生成，而从贫油到富油的过程中，总会存在某个合适的当量比，使得甲烷燃烧温度最高。

一般情况下，燃料在化学当量比下燃烧温度最高，但较高的氧氛围同样会促进燃料燃烧温度的提升，在同一当量比下，氧气初始浓度越高，NOx的排放量也越大，这也是富氧燃烧存在的重大问题。

由图7（a）、图7（b）可知，富氧氛围使得甲烷燃烧过程中，最大氮氧化物排放因子整体朝着贫油的方向移动，这也表明充分的氧气氛围更加有利于NOx的生成。

3 富氧氛围下甲烷燃烧的综合分析

3.1 不同富氧氛围下的扰动及综合分析

上述分析直观地展现了不同富氧氛围下的甲烷燃烧特性，但其燃烧性能需要进一步综合评估，以便确定有利于甲烷燃烧的最佳富氧条件，进而对富氧燃烧技术进一步完善。

本文定义的δ函数返回值基于多工况下的Si值来判断，其根据燃料燃烧特性以及工程燃烧所需来确定二者之间的对应关系。燃料的点火延迟时间越短越好，燃烧时的排放量越少越好，此时相应Si的值若小于0，则说明其作用积极，δ函数返回+ 1；若Si的值大于或者等于0，则δ函数分别为- 1或者0。同理，如果富氧氛围条件下能够提高火焰温度、OH浓度和火焰传播速度，则判定其作用为积极的，此时δ函数为+ 1，反之，在与其约束条件相反的情况下，δ函数则为- 1。

需要说明的是一般情况下δ值不会为0，因为只要调整了燃料的燃烧氛围，就会与空气氛围下的燃烧结果有所不同，从而使得Si值不会为0。

本文δ函数在各燃烧特性下的值如表2所示。

由表2可知，随着氧含量的增大，点火延迟时间、绝热火焰温度、层流火焰速度、关键组分浓度等特性的扰动值均呈现出了递增的关系，但其扰动幅度在变缓。需要说明的是，富氧的氛围在加快甲烷的燃烧和火焰温度的同时，也加大了NOx污染物的排放，这也是富氧燃烧的利弊所在。另外，由表2还可看出富氧氛围对甲烷点火延迟时间的扰动较小，最大值也仅为0.0173；而对层流火焰速度和NOx排放的影响则较为显著，二者分别达到了0.2020和-1.2854；对于绝热火焰温度和OH基浓度的扰动程度则处于中等水平。为了给甲烷富氧燃烧提供全面的、可量化的参考信息和判断依据，本文基于变异扰动的处理结果，在消除燃烧特性在量纲和数值尺度的差异后，计算了不同氧含量氛围下对甲烷燃烧的综合扰动作用D，如表3所示。甲烷在OE-2的富氧氛围状态下，总扰动值为0.0821，为值最大，表明在综合考虑燃烧和排放等性能时，氧含量为0.27是甲烷最为理想的富氧燃烧条件，次之为OE-3，即氧气浓度在0.30时；而富氧氛围在OE-5时，其扰动值最低，仅为-0.9073，说明该富氧条件对于甲烷燃烧最为不利。

3.2 甲烷燃烧敏感度分析

为认知甲烷燃烧过程中关键反应，在1 atm、温度1200 K、当量比为1工况下探究了甲烷在空气燃烧过程中的温度敏感性，其中温度的敏感度系数（Sensitivity coefficients）的计算表达式如下：

Sensitivity coefficients =[ ∂lnT∂αi]" （8）

上式中T为燃烧过程中燃烧体系的温度，αi为第i个基元反应的速率常数的指前因子。该值的大小直接表征了该反应对温度的作用及其贡献程度，且反应敏感性系数为正，说明该反应可以促进燃烧体系温度的升高，如果为负则表明对温度不利。

图8展示了该工况下对温度影响最大的10个反应。

其中促进作用最大的反应是HO2 + CH3 = OH + CH3O，该反应中两个相对不活泼的自由基生成OH，这对燃料的燃烧过程中链传播有重要的作用，可同时促进燃料的快速点火和稳定燃烧。

另外，抑制作用最为显著的是2CH3 = C2H6，该反应是自由基重新合成稳定组分的过程，这不是燃料燃烧所需的理想通道，且该反应会与HO2 + CH3 = OH + CH3O竞争，消耗CH3而不能促进燃料的有效燃烧；而利于温度生成的反应一般为相对稳定的组分或初始自由基生成OH、O等更为活泼自由基的反应，如O2 + CH2O = HO2 + HCO、CH3 + O2 = OH + CHO。

为分析不同富氧氛围对甲烷燃烧过程中关键反应的影响，本文在上述工况下分析了各氛围下甲烷点火时刻对燃烧温度影响最大的10个反应，如图9所示。其结果显示，在10个重要反应中，有7个反应对甲烷燃烧温度影响作用是促进的，HO2 + CH3 = OH + CH3O的贡献最大，其他3个反应则是抑制作用，2CH3 （+ M） = C2H6 （+ M）的影响最大。

以上结果表明富氧氛围整体对甲烷燃烧的影响是积极的。另外，各重要反应对温度敏感度系数的影响未发生质的改变，但随着初始反应工况氧气浓度的增大，敏感度系数的绝对值都在升高，表明较高的氧气氛围有利于甲烷燃烧的反应速率的提升，包括促进和抑制温度的反应。

另外需要说明的是，随氧气氛围的增大，变化最为显著的是空气氛围下促进温度积累的反应H + O2 + N2 = HO2 + N2被CH3O + O2 = HO2 + CH2O取代，主要是由于O2浓度的增大，含氧组分CH3O的浓度及生成速率也会变大，提升了反应CH3O + O2 = HO2 + CH2O的效果。

3.3 甲烷燃烧反应路径分析

本文讨论了在不同氧氛围下的甲烷在初始压力为10 atm、温度为1000 K、当量比为1时的燃烧主要反应路径；基于碳（C）元素追踪了不同氧氛围下燃料点火时刻的反应路径，并对重要反应通道进行物质产率分析（Rate of production， ROP），包含7个组分、10个反应通道的甲烷燃烧反应路径，如图10所示。由于不同氧氛围下甲烷的燃烧反应通道和层级结构与在空气中的燃烧是一致的，因此图10没有再对各燃烧氛围进行区分，但这也说明氧气的浓度对CH4的重要消耗通道影响不大；同时，基于C元素的追踪可知，CH4主要通过以下路径发生反应：CH4主要通过与OH、H自由基反应生成CH3，然后CH3与O2反应可以生成CH3O或CH2O，另外CH3还会与CH2O发生反应生成HCO；随之通过HCO + OH = CO + H2O和CO + OH = CO2 + H反应，最终生成CO2。

4 结 论

本文在较宽工况范围内系统探究了富氧氛围下甲烷燃烧特性及其演变规律，并通过动力学分析和变异扰动分析阐述了富氧氛围下燃烧机制及其动力学特性，主要结论如下：

（1） 富氧氛围显著缩短了甲烷的点火延迟时间，提升了其燃烧温度，并加快了甲烷的层流火焰燃烧速度，有利于甲烷的快速点火和稳定燃烧，但随着富氧氛围中O2浓度的增大，其对燃烧特性的促进作用会放缓，也导致NOx排放量随之增大。

（2） 本文基于变异系数法实现了富氧氛围对甲烷燃烧性能影响程度的综合评估和量化表征，并确定了本研究所有工况下甲烷燃烧合理的富氧氛围为27 %O2 / 63 %N2。

（3） 基于敏感度分析确定了不同氧氛围下甲烷燃烧过程中10个关键反应，发现富氧氛围能够整体提升这些反应的化学作用和影响程度，并促使了甲烷燃烧性能的提升。

（4） 基于反应路径分析发现，富氧氛围对甲烷主要燃烧反应路径和层级结构影响不大，但产率分析结果显示富氧氛围会整体加快各燃烧通道的反应进程。

综上可知，合理的富氧氛围需同时兼顾燃料燃烧性能和污染排放，进而对甲烷的快速点火和稳定高效燃烧产生最优的积极作用。在燃料设计和动力装置实际运用中，可以考虑引入多种燃烧性能指标，拓宽研究工况范围，基于多目标耦合方法获取综合评估的可量化值，为富氧燃烧技术的深度应用提供参考和指导。

参考文献：

［1］王科， 赵昌普， 蔡玉洁. 富氧燃烧与EGR对船用柴油机NO-碳烟排放和燃烧特性的影响[J]. 燃烧科学与技术， 2020，26（3）：248-256.

［2］苏俊林，潘亮，朱长明.富氧燃烧技术研究现状及发展[J]. 工业锅炉，2008（3）：1-4.

［3］邹远龙，周月桂，李澜波，等.CO2和H2O 气氛下甲烷MILD 富氧燃烧NO 和CO 生成机理[J]. 燃烧科学与技术，2022，28（3）：239-246.

［4］SIMON B，QUENTIN C，Bénédicte C. Chemical modeling for methane oxy-combustion in Liquid Rocket Engines[J]. Acta Astronautica，2022，190：98-111.

［5］WANG S，ELBAZ A M， WANG Z，et al. The effect of oxygen content on the turbulent flame speed of ammonia/oxygen/nitrogen expanding flames under elevated pressures[J]. Combustion and Flame， 021，232：111521.

［6］ZHONG B，XIN F.The experimental and kinetic study on ignition characteristics of n-butane/oxygen-enriched air mixtures in a heated meso-channel[J]. Combustion Science and Technology，2021，193（5）：851-868.

［7］FORDOEI E E，MAZAHERI K，MOHAMMADPOUR A.Numerical study on the heat transfer characteristics， flame structure，and pollutants emission in the MILD methane-airoxygen-enriched and oxy-methane combustion[J].Energy，2021，218：119524.

［8］FENG Y X， ZHENG X F，JIA M S.Numerical study on formation mechanism and reduction methods of nox in methane/oxygen-enriched air diffusion flame[J]. Advanced Materials Research，2012，（602-604）：1317-1324.

［9］JEONG P，JUNE S P，HYUN P K，et al. No emission behavior in oxy-fuel combustion recirculated with carbon dioxide[J]. Energy Fuels，2007，21（1）：121-129.

［10］XIE Y，WANG J，ZHANG M，et al. Experimental and numerical study on laminar flame characteristics of methane oxy-fuel mixtures highly diluted with CO2[J]. Energy Fuels， 2013，27（10）：6231-6237.

［11］WANG Z，YELISHALA S C，YU G，et al.Effects of carbon dioxide on laminar burning speed and flame instability of methane/air and propane/air mixtures： a literature review[J]. Energy Fuels，2019，33（10）：9403-9418.

［12］任昕.天然气富氧燃烧特性及污染物生成研究[J]. 当代化工，2019，48（9）：2084-2086.

［13］胡家龙，任航，聂晓康，等.氧浓度、压力对甲烷/空气层流扩散燃烧特性影响的数值模拟研究[J]. 东北电力大学报，2021，41（3）：10-18.

［14］王国昌， 舒子云， 司济沧，等.二氧化碳、水和N2稀释条件下甲烷MILD氧燃烧的实验研究[J].中国电机工程学报，2021，41（18）：6312-6320.

［15］单天翔，崔淦，李自力，等.水蒸气对甲烷燃烧影响的数值模拟研究[J].石油化工高等学校学报，2019，32（5）： 62-68.

［16］赵晓尧， 石保禄，李博， 等.高氧气浓度甲烷不稳定燃烧实验研究[J].工程热物理学报， 2020， 41（2）：474-481.

［17］王城景.Oxy-steam气氛下天然气燃烧特性研究[J].工业加热，2020，49（7）：21-24，28.

［18］田晓晶，崔玉峰，房爱兵，等.CH4/O2/H2O 燃气轮机富氧燃烧特性[J]. 燃烧科学与技术，2013，19（5）： 413-417.

［19］胡帆，李鹏飞，军军，等.甲烷扩散火焰的富氧燃烧特性[J].中国电机工程学报，2021，41（18）：6302-6312.

［20］HU X，BAI F，CHANG Y，et al.Experimental study of the laminar flame speeds of the CH4/H2/CO/CO2/N2 mixture and kinetic simulation in oxygen-enriched air condition[J]. ACS Omega，2020，5（51）：3372-3379.

［21］WU K K，CHANG Y C，CHEN C H，et al.High-efficiency combustion of natural gas with 21%～30% oxygen-enriched air[J].Fuel，2010，89（9）：2455-2462.

［22］ZHANG R，LEI K，QING Y B，et al.Combustion characteristics and synergy behaviors of biomass and coal blending in oxy-fuel conditions： A single particle co-combustion method[J]. Science China （Technological Sciences），2018，61（11）：1723-1731.

［23］林日成，鄢晓忠，何旭，等.Oxy-steam气氛下低热值燃气燃烧特性研究[J].动力工程学报，2021，41（12）：1061-1068.

［24］孙绍增，孟顺， 赵义军，等.水蒸气纯氧条件下合成气燃烧特性[J].化工学报， 2015，66（12）： 5119-5126.

［25］ANSYS Chemkin 17.0 （15151））[CP].ANSYS Reaction Design：San Diego，https：//www.ansys.com/products/fluids/ansys-chemkin-pro，2016.

［26］GREGORY P S，DAVID M G，MICHAEL F，et al.GRI-Mech3.0[EB/OL].（1999）[2023].http：//www.me.berkeley.edu/gri_mech.

［27］LI S H，GUO J J，WANG Z H，et al.Analysis of combustion characteristics when adding hydrogen and short chain hydrocarbons to RP-3 aviation kerosene based on variation Disturbance Method[J]. Energy Fuels， 2019， 33： 6767-6774.

［28］LI S H，WEN Z H，HOU J X，et al.Effects of ethanol and methanol on the combustion characteristics of gasoline with the revised variation disturbance method[J]. ACS Omega， 2022，7（21）：17797-17810.

责任编校：田 旭，刘 燕

Comprehensive Analyses of Combustion Characteristics of Methane in Different Oxygen-enriched Atmospheres

LI Shuhao1，WANG Kunqi2，XI Shuanghui3，GUO Xiao1，LI Shangjun4

（1. School of Aero Engine， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China；

2. School of Materials Science and Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China;

3. School of Aerospace Engineering ， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China；

4. School of Chemical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

Abstract： To explore the combustion characteristics of methane in oxygen-enriched atmosphere and its optimal oxygen-enriched conditions， a series of studies on combustion performance of methane， such as ignition delay time， adiabatic flame temperature， laminar flame speed， hydroxyl production rate， and nitrogen oxides emissions， are conducted under the oxygen content conditions of 21 %，24 %，27 %，30 %，33 % and 36 % respectively. Quantitative characterization and comprehensive evaluation of the contribution of different oxygen-enriched atmospheres of methane combustion are conducted by using the revised variation disturbance method. Accordingly， the key reactions and chemical mechanisms of methane combustion in oxygen-enriched atmospheres are revealed through sensitivity analysis and reaction path analysis. The results show that the oxygen-enriched atmospheres are conducive to hydroxyl production and they can also significantly shorten the methane ignition delay time， and increase the adiabatic flame temperature and laminar flame speed of methane effectively， however， they could increase the emission of nitrogen oxides. The oxygen content of 27 % is found to be the best atmosphere for methane oxygen-enriched combustion within the working conditions described in the paper. The kinetic analysis shows that the oxygen-enriched atmospheres have no significant effect on the important reaction paths of methane combustion， but they could improve the reac-tion rates of each channel. This comprehensive research based on variation disturbance method can provide a new research approach and reference for the application of oxygen-enriched combustion technology.

Key words：methane; oxygen-enriched atmospheres; combustion characteristic; variation disturbance method

收稿日期：2023-09-23

基金项目：河南省自然科学基金面上项目（242300420050）；河南省高等学校重点科研项目（24A590006、24B470010）；河南省重点研发与推广专项（科技攻关）（222102210050、232102320199）

作者简介：李树豪，男，河南濮阳人，博士，副教授，研究方向为燃烧动力学。

通讯作者：席双惠，女，河南开封人，博士，讲师，研究方向为燃烧动力学。