曾 文，劉 靖，劉 宇，劉愛虢

（沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，沈陽 110136）

0 引 言

隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市數(shù)量、城市人口的增加以及人民生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量也迅速地增加。預(yù)計(jì)在未來的10～15 a內(nèi)，中國城市生活垃圾將以每年 2.3%～3.3%的速度遞增，城市生活垃圾污染問題已成為一個(gè)十分嚴(yán)峻的社會(huì)及環(huán)境問題。如何實(shí)現(xiàn)城市生活垃圾的減量化、資源化和無害化，有效控制其對(duì)環(huán)境的污染，已成為中國城市化進(jìn)程中迫切需要解決的一個(gè)重大課題。垃圾填埋氣體是垃圾填埋后在缺氧條件下，垃圾中有機(jī)物厭氧降解所產(chǎn)生的混合氣體（沼氣），其熱值約為19 256 kJ/m3，屬于低熱值氣體。隨著世界范圍日益緊張的能源趨勢(shì)，且由于其具有可循環(huán)性、原料多樣性、環(huán)保性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，生物質(zhì)氣的資源化利用已成為能源節(jié)約與生態(tài)環(huán)保的重要研究方向。

沼氣中可燃成分主要為CO、H2、CH4等，惰性氣體成分主要為N2、CO2等。但是，由于受諸多因素的影響，沼氣中各組分比例的含量變化明顯。由于各組分比例含量的變化，將對(duì)其熱值、著火特性與燃燒特性等產(chǎn)生較為顯著的影響。目前，燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)燃料基本為天然氣或輕柴油。以沼氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)，在將燃料由天然氣改為沼氣時(shí)，燃料成分發(fā)生變化，熱值降低（甲烷熱值為35 916 kJ/m3、柴油熱值為46 000 kJ/kg），且需要滿足環(huán)境保護(hù)和燃?xì)廨啓C(jī)可靠性、經(jīng)濟(jì)性要求。因此，需在充分了解沼氣燃燒特性及沼氣組分比例的變化對(duì)其燃燒特性的影響規(guī)律[1-4]（燃燒穩(wěn)定性及層流燃燒特性）的基礎(chǔ)上對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與改進(jìn)[5-9]。

Yan等[10]對(duì) 4種生物質(zhì)氣在平板火焰燃燒器中的層流燃燒速度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值計(jì)算，同時(shí)分析了當(dāng)量比與氫氣含量對(duì)其層流燃燒速度的影響規(guī)律。Vu等[11]在定容彈中試驗(yàn)測(cè)試了 3種生物質(zhì)氣的火焰發(fā)展特性及層流燃燒特性，并對(duì)其層流燃燒速度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。Amell等[12]對(duì)高海拔下某種生物質(zhì)氣的層流燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值計(jì)算，并分析了初始?jí)毫εc當(dāng)量比等對(duì)其層流燃燒特性的影響規(guī)律。Park等[13]對(duì)某種生物質(zhì)氣的對(duì)沖非預(yù)混燃燒時(shí)的燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值計(jì)算，并分析了生物質(zhì)氣的組分比例及氮?dú)庀♂尩葘?duì)其火焰結(jié)構(gòu)及 NOx生成的影響規(guī)律。但是，到目前為止，還無沼氣層流燃燒特性的相關(guān)報(bào)道。

1 試驗(yàn)裝置與原理

在定容燃燒彈中，對(duì) 3種不同組分比例比例的沼氣的火焰發(fā)展特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并根據(jù)火焰發(fā)展特性，獲得了 3種不同組成比例沼氣的燃燒穩(wěn)定性與層流燃燒速度。Hu等[14]對(duì)本文所采用的定容燃燒彈測(cè)試系統(tǒng)及相應(yīng)的試驗(yàn)原理[15-16]進(jìn)行了詳細(xì)闡述，在此不再贅述。

對(duì)沼氣的主要組分比例進(jìn)行了分析，并根據(jù)組分比例及所占比例范圍配置了3種試驗(yàn)配氣，如表1所示。從表 1可以看出，在試驗(yàn)配氣過程中，主要通過改變沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)（2種極限情況及中間情況）來改變沼氣中組分比例的含量，從而分析不同組分比例比例對(duì)沼氣層流燃燒特性的影響。

表1 沼氣的主要組分比例(體積分?jǐn)?shù))Table 1 Main compositions of biogas(volume fraction) %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 組分比例對(duì)火焰發(fā)展特性的影響

圖1、圖2與圖3分別顯示了初始溫度為320 K，當(dāng)量比為1.0，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，沼氣組分比例對(duì)火焰形狀隨時(shí)間變化的影響。

碳?xì)淙剂显趯恿魅紵^程中，會(huì)存在優(yōu)先擴(kuò)散、流體動(dòng)力學(xué)及浮力不穩(wěn)定等 3種火焰不穩(wěn)定性[17-20]。當(dāng)馬克斯坦長(zhǎng)度的值較小或?yàn)樨?fù)值、混合氣當(dāng)量比較小時(shí)將出現(xiàn)優(yōu)先擴(kuò)散不穩(wěn)定性，火焰前鋒面呈現(xiàn)不規(guī)則的胞狀結(jié)構(gòu)和火焰突起。在火焰半徑大于30 mm時(shí)能觀察到流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，火焰前鋒面呈現(xiàn)規(guī)則的胞狀結(jié)構(gòu)。由于本文試驗(yàn)只考慮火焰半徑在6～25 mm之間的部分，不會(huì)顯示該種不穩(wěn)定性。當(dāng)層流燃燒速度小于 0.15 m/s時(shí)將出現(xiàn)浮力不穩(wěn)定性，火焰受到浮力的影響從火焰中心向上飄起，隨著火焰的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)出現(xiàn)上半球大下半球小的圖像。本文試驗(yàn)中，當(dāng)初始溫度為320 K、初始?jí)毫?.1與0.2 MPa時(shí)，絕大部分工況下沼氣的層流燃燒速度都大于0.15 m/s；當(dāng)初始?jí)毫?.3 MPa時(shí)，絕大部分工況下沼氣的層流燃燒速度都小于0.15 m/s。因此，本文試驗(yàn)中在某些工況下將顯現(xiàn)浮力不穩(wěn)定性現(xiàn)象。

圖1 沼氣組分比例對(duì)火焰形狀隨時(shí)間變化的影響(P=0.1 MPa)Fig.1 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.1 MPa)

圖2 沼氣組分比例對(duì)火焰形狀隨時(shí)間變化的影響(P=0.2 MPa)Fig.2 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.2 MPa)

圖3 沼氣組分比例對(duì)火焰形狀隨時(shí)間變化的影響(P=0.3 MPa)Fig.3 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.3 MPa)

如圖1、圖2與圖3所示，當(dāng)初始溫度為320 K、當(dāng)量比為1.0、初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)，在沼氣中不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下火焰前鋒面均較為光滑，并呈準(zhǔn)球形向外發(fā)展。在這些工況下，馬克斯坦長(zhǎng)度值均較大，且沼氣的層流燃燒速度均大于0.15 m/s，因此，優(yōu)先擴(kuò)散與浮力不穩(wěn)定性均不會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)初始?jí)毫ι咧?.2 MPa時(shí)，大部分工況下馬克斯坦長(zhǎng)度值低于0.5 mm，火焰前鋒面出現(xiàn)了裂紋與火焰突起，優(yōu)先擴(kuò)散不穩(wěn)定性初步顯示。當(dāng)初始?jí)毫^續(xù)升高至0.3 MPa時(shí)，在沼氣中不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下馬克斯坦長(zhǎng)度值繼續(xù)降低，優(yōu)先擴(kuò)散不穩(wěn)定性逐步明顯；同時(shí)，由于在此工況下，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為47%與55.5%時(shí)，沼氣的層流燃燒速度均小于0.15 m/s，浮力不穩(wěn)定性將初步顯現(xiàn)。

圖4顯示了初始溫度為320 K，當(dāng)量比為1.0，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，沼氣組分比例對(duì)火焰半徑隨時(shí)間變化趨勢(shì)的影響規(guī)律。

如圖 4所示，在不同初始?jí)毫εc不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下火焰半徑隨時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)初始?jí)毫?.1與0.3 MPa時(shí)，隨著沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰發(fā)展速度明顯加快；但是，當(dāng)初始?jí)毫?.2 MPa時(shí)，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)由47%升高至55.5%時(shí)，火焰發(fā)展速度增加明顯，但當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高至59%時(shí)，火焰發(fā)展速度增加幅度較小。同時(shí)，隨著初始?jí)毫Φ纳撸谡託庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)相同的工況下，火焰發(fā)展速度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖4 組分比例對(duì)火焰半徑r隨時(shí)間t變化趨勢(shì)的影響(320=T K，0.1=φ)Fig.4 Effects of compositions on variations of flame radius r versus time t (320=TK，0.1=φ)

通過計(jì)算式 Sn= d rdt可獲得拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n，其中，r為火焰半徑，t為時(shí)間。圖5顯示了初始溫度為320 K，當(dāng)量比為1.0，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，沼氣組分比例對(duì)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑變化趨勢(shì)的影響規(guī)律。從圖 5可以看出，在不同初始?jí)毫εc不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑的增加均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)；同時(shí)，隨著沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低或初始?jí)毫Φ纳?，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低。

根據(jù)計(jì)算式 Sl- Sn=Lbα，可獲得表怔火焰穩(wěn)定性的馬克斯坦長(zhǎng)度（ Lb，在圖6中為直線斜率的相反值）以及無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?Sl，在圖6中為直線在y軸上的截距），其中，α為火焰拉伸率。圖6顯示了初始溫度為320 K，當(dāng)量比為1.0，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，沼氣組成對(duì)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S拉伸率變化趨勢(shì)的影響規(guī)律。

從圖 6可以看出，在不同初始?jí)毫εc不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，隨火焰拉伸率的增加，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)下降趨勢(shì)，說明馬克斯坦長(zhǎng)度均為正值；同時(shí)，隨著沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的降低或初始?jí)毫Φ纳?，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低。

圖5 沼氣組成成分對(duì)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n隨火焰半徑r變化趨勢(shì)的影響(320=TK,0.1=φ)Fig.5 Effects of biogas compositions on variations of stretched flame speed versus flame radius(320=TK,0.1=φ)

圖6 沼氣組成成分對(duì)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n隨拉伸率α變化趨勢(shì)的影響(320=TK，0.1=φ)Fig.6 Effects of biogas compositions on variations of stretched flame speed Sn versus flame stretch rate α (320=TK，0.1=φ)

2.2 組分比例對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響

火焰在向外發(fā)展過程中火焰前鋒面是否穩(wěn)定，主要由馬克斯坦長(zhǎng)度的值來反映。馬克斯坦長(zhǎng)度為正值時(shí)，反映出火焰發(fā)展速度隨拉伸率的增加而減小，當(dāng)火焰前鋒面出現(xiàn)凸起時(shí)（拉伸增加），凸起部分的火焰發(fā)展速度將得到抑制，使火焰趨于穩(wěn)定；反之，馬克斯坦長(zhǎng)度為負(fù)值時(shí)，火焰發(fā)展速度隨拉伸率的增加而增加，當(dāng)火焰前鋒面出現(xiàn)凸起時(shí)，凸起部分的火焰發(fā)展速度將進(jìn)一步增加，火焰的不穩(wěn)定性增加。

圖7顯示了初始溫度為320 K，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，沼氣組分比例對(duì)馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比變化趨勢(shì)的影響。由圖 7可見，隨著當(dāng)量比的增加、初始?jí)毫Φ慕档突蛘託庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)的增加，馬克斯坦長(zhǎng)度逐漸增大。

圖7 馬克斯坦長(zhǎng)度Lb隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)( 320=T K)Fig. 7 Variations of Markstein length Lb with equivalence ratio( 320=T K)

當(dāng)初始?jí)毫Ψ謩e為0.2 MPa，當(dāng)量比為0.8，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為 47%時(shí)，馬克斯坦長(zhǎng)度為負(fù)值（初始?jí)毫ι咧?.3 MPa時(shí)，在相同當(dāng)量比下，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為55.5%時(shí)馬克斯坦長(zhǎng)度也為負(fù)值），說明此時(shí)火焰處于不穩(wěn)定狀態(tài)；其他工況下馬克斯坦長(zhǎng)度均為正值，說明這些工況下火焰均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 組分比例對(duì)層流燃燒速度的影響

圖8顯示了初始溫度為320 K，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，沼氣組分比例對(duì)無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比變化趨勢(shì)的影響。同時(shí)，根據(jù)火焰前鋒面上的質(zhì)量守恒，有 A ρuUl= AρbSl，從而可獲得各工況下層流燃燒速度Ul。式中A為火焰前鋒面面積，ρu、ρb分別為未燃與已燃區(qū)混合氣的密度。

圖9顯示了初始溫度為320 K，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，沼氣組分比例對(duì)層流燃燒速度隨當(dāng)量比變化趨勢(shì)的影響。

從圖8與圖9可以看出，在不同初始?jí)毫εc沼氣中不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度隨當(dāng)量比的升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在當(dāng)量比為1.1時(shí)達(dá)到最大。同時(shí)，在沼氣不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度隨初始?jí)毫Φ纳叨饾u降低；在不同初始?jí)毫ο拢S著沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度逐漸升高。

表2顯示了初始溫度為320 K，初始?jí)毫Ψ謩e為0.1、0.2、0.3 MPa、不同當(dāng)量比與甲烷體積分?jǐn)?shù)下沼氣的層流燃燒速度。從表2可看出，當(dāng)沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)由47%升高至59%時(shí)，沼氣層流燃燒速度均增大20%以上，某些工況（初始?jí)毫?.3 MPa、當(dāng)量比為1.3時(shí)）下沼氣的層流燃燒速度甚至增大 46%。由此可見，沼氣組分及其所占比例對(duì)沼氣層流燃燒速度的影響甚為顯著。因此，在設(shè)計(jì)以沼氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，燃燒室長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)需根據(jù)具體的沼氣成分及其所占比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能保證沼氣在燃燒室內(nèi)進(jìn)行充分燃燒，達(dá)到高燃燒效率、低污染物排放的效果。

圖8 無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)( 320=T K)Fig.8 Variations of unstretched flame speed Sl with equivalence ratio ( 320=T K)

圖9 層流燃燒速度Ul隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)φ( 320=T K)Fig.9 Variations of laminar burning velocity Ul with equivalence ratio φ ( 320=T K)

表2 不同工況下沼氣的層流燃燒速度Table 2 Laminar burning velocity of biogas at different conditions m·s?1

3 結(jié) 論

試驗(yàn)測(cè)量了當(dāng)量比范圍為 0.8～1.3，初始?jí)毫Ψ秶鸀?.1～0.3 MPa，初始溫度為320 K，甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為47%、55.5%、59%的沼氣火焰發(fā)展特性，并分析了組分比例比例對(duì)其火焰發(fā)展特性、火焰穩(wěn)定性與層流燃燒速度的影響規(guī)律。得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)初始溫度為320 K，當(dāng)量比為1.0，初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)，在沼氣中不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下火焰前鋒面均較為光滑，并呈準(zhǔn)球形向外發(fā)展。當(dāng)初始?jí)毫ι咧?.2 MPa時(shí)，在沼氣中不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下火焰前鋒面均出現(xiàn)了裂紋與火焰突起，優(yōu)先擴(kuò)散不穩(wěn)定性初步顯示。當(dāng)初始?jí)毫^續(xù)升高至0.3 MPa時(shí)，優(yōu)先擴(kuò)散不穩(wěn)定性逐步明顯；同時(shí)浮力不穩(wěn)定性將初步顯現(xiàn)。

2) 隨著當(dāng)量比的增加、初始?jí)毫Φ慕档突蛘託庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)的增加，馬克斯坦長(zhǎng)度逐漸增大；當(dāng)初始?jí)毫?.2 MPa，當(dāng)量比為0.8，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為47%時(shí)，馬克斯坦長(zhǎng)度為負(fù)值（初始?jí)毫ι咧?.3 MPa時(shí)，在相同當(dāng)量比下，沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為55.5%時(shí)馬克斯坦長(zhǎng)度也為負(fù)值），說明此時(shí)火焰處于不穩(wěn)定狀態(tài)；其他工況下馬克斯坦長(zhǎng)度均為正值，說明這些工況下火焰均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 在不同初始?jí)毫εc沼氣中不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度隨當(dāng)量比的升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在當(dāng)量比為1.1時(shí)達(dá)到最大。同時(shí)，在不同初始?jí)毫ο?，隨著沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度逐漸升高。