摘 要：針對富氧氛圍下甲烷燃燒特性及其最佳的富氧條件，分別在氧氣含量為21 %、24 %、27 %、30 %、33 %和36 %條件下開展了甲烷點火延遲時間、絕熱火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒘u基生成率及氮氧化物排放等燃燒性能研究，并采用變異擾動法實現了不同富氧氛圍對甲烷燃燒貢獻的定量化表征和綜合評估，同時基于敏感度分析和反應路徑分析等途徑揭示了富氧氛圍對甲烷燃燒的關鍵反應和微觀機制的影響規(guī)律。結果表明：富氧氛圍顯著縮短了甲烷的點火延遲時間，有利于羥基的生成，且有效提高了絕熱火焰溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣龋鋮s增大了氮氧化物的排放；同時在本研究工況范圍內確定了27 %的含氧量是甲烷富氧燃燒的最佳氛圍，動力學分析結果顯示，富氧氛圍對甲烷燃燒的重要路徑影響不大，但會加快各通道的反應速率。

關鍵詞：甲烷；富氧氛圍；燃燒特性；變異擾動法

中圖分類號：TK16" " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " 文章編號：1007 - 9734 （2024） 03 - 0065 - 10

0 引 言

甲烷（CH4）是一種具有較高潛力的航空航天燃料，相比液氫液氧發(fā)動機和液氧煤油發(fā)動機，液氧甲烷發(fā)動機更適合于多次重復使用；同時，甲烷還是天然氣的主要成分，也是汽油、煤油等化石燃料燃燒時的重要中間組分；另外，甲烷來源廣泛、價格便宜、燃燒污染低，因此備受關注。富氧燃燒（Oxygen enriched combustion，OEC）作為一種高效節(jié)能的燃燒技術，通過提高氧化劑中氧氣的濃度（大于空氣中氧氣濃度至純氧）來強化整個燃燒過程，加快燃燒速率，提高燃燒效率。富氧燃燒技術在鍋爐、渦輪發(fā)動機、循環(huán)流化床等領域得到了廣泛的應用[1-6]。對其在富氧環(huán)境下的燃燒性能進行研究和綜合分析有助于液氧甲烷發(fā)動機的使用和天然氣等化石燃料的高效利用，并可為解決能源危機與環(huán)境污染問題提供新的途徑。因此，探究不同富氧氛圍下甲烷燃燒的特性及其演變規(guī)律，對于天然氣、汽油、煤油等化石燃料的高效燃燒以及火箭發(fā)動機等動力燃燒設備的設計優(yōu)化均具有較高的使用價值和參考意義。

甲烷的富氧燃燒一直是燃燒動力領域的研究熱點。Fordoei等[7]在不同富氧條件下對甲烷的傳熱、著火延遲、火焰結構、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）的排放等特性進行了綜合研究。Feng等[8]在氧氣質量分數從21 % 到99 % 變化條件下對富含甲烷/氧氣的空氣對流擴散火焰中NOx排放進行了數值分析。Jeong等[9]在較寬富氧氛圍下探究了CH4和O2/N2/CO2對流擴散火焰的火焰結構和 NOx排放等性能。Xie等[10]研究了高濃度CO2稀釋對CH4/CO2/O2 混合物的燃燒化學反應、火焰不穩(wěn)定性和火焰輻射的影響。Wang等[11]研究了二氧化碳 （CO2） 對CH4和丙烷（C3H8） 與空氣燃燒時層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響。任昕等[12]研究了O2/CO2氛圍下天然氣的富氧燃燒，對比了不同工況下的燃燒特性的變化規(guī)律。胡家龍等[13]探究了氧濃度、壓力對甲烷/空氣層流擴散燃燒特性的影響。王國昌等[14]探究了H2O、CO2和N2的稀釋對甲烷著火和排放特性的影響。單天翔等[15]探究了水蒸氣對甲烷燃燒特性的影響規(guī)律，并對反應的鏈式傳播過程進行分析。趙曉堯等[16]研究了高氧濃度氛圍下不同當量比對甲烷火焰燃燒的影響規(guī)律。王城景[17]模擬了甲烷在水和氧氣氛圍下的燃燒過程，發(fā)現水蒸氣的加入可以加快甲烷的消耗，在O2/H2O氛圍下能夠降低氮氧化物的生成水平。田曉晶等[18]探究了甲烷富氧燃燒特性及H2O對甲烷燃燒的影響。胡帆等[19]研究了富氧工況下H2O、O2和CO2等不同氣體組分對甲烷燃燒過程的影響規(guī)律。另外，對于包含甲烷的混合燃料的富氧燃燒，相關人員也開展了較多研究。如Hu等[20]在富氧空氣條件下對CH4/H2/CO/CO2/N2混合物的層流火焰速度進行了實驗和數值研究。Wu等[21]探究了富氧燃燒條件下的天然氣的傳熱效率和火焰變化規(guī)律，氮氧化物和二氧化碳的排放會隨著氧氣濃度提升而增加。Zhang等[22]研究了三種富氧氛圍下生物質燃料和煤的混合燃燒，發(fā)現O2/H2O氛圍能顯著縮短燃料的點火時間，從而使燃料快速點火。林日成等[23]對O2/H2O氣氛下煤氣燃燒溫度、煙氣組分、NOx濃度等特性進行了數值研究。孫紹增等[24]對合成氣在水蒸氣純氧條件下的燃燒成分、火焰溫度、CO濃度等燃燒特性進行了實驗研究。上述研究對不同富氧環(huán)境下甲烷的燃燒進行了分析，闡述了富氧氛圍對甲烷燃燒特性的影響規(guī)律和作用，表明富氧燃燒對于甲烷及其混合物的點火、燃燒和排放等特性有著顯著影響，并在燃燒過程和燃燒效率等方面也存在積極的作用。但甲烷富氧燃燒仍需進行系統研究，并且在多燃燒特性下對不同的富氧氛圍進行全面評估。

本文在較寬參數范圍內對甲烷富氧燃燒的點火延遲時間、絕熱火焰溫度、關鍵組分濃度、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑽廴疚锱欧诺忍匦赃M行了系統研究，并結合動力學分析對富氧氛圍下的反應路徑和關鍵反應進行剖析，同時基于提出的變異擾動法對不同富氧氛圍下的甲烷燃燒特性進行綜合評估和定量化表征，以確定最佳的富氧條件。本工作將有助于甲烷的高效清潔燃燒，并可為天然氣等化石燃料的高效利用提供依據。

1 研究方法

1.1 軟件和燃燒模型

本研究的數值仿真是基于Chemkin軟件包[25]和GRI-MECH 3.0燃燒反應機理[26]在較寬工況范圍內開展系統模擬，選擇Chemkin軟件中零維封閉均相反應器計算不同工況下燃料的自點火延遲時間、絕熱火焰溫度、OH基濃度，并通過一維層流預混火焰?zhèn)鞑シ磻饔嬎懔巳剂系膶恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣群臀廴疚锱欧乓蜃印Ｐ枰f明的是，GRI-MECH 3.0反應機理（簡稱G3機理）是面向天然氣的燃燒及其氮氧化物形成而構建的燃燒機理， G3機理的仿真精度和可靠性已被大量實驗數據進行了評估和驗證，并表現出了非常好的適應性，尤其是在開展甲烷以及天然氣等燃料燃燒仿真時常被作為首選的反應機理[20]。

1.2 工況參數

本文著重研究富氧助燃下的甲烷燃燒特性及其演變規(guī)律。一般情況下空氣中氧氣和氮氣的占比近似認為21 %和79 %，如果控制燃燒時氧化劑中氧氣的占比大于21 %，就認為此時的燃燒已經處于富氧氛圍。富氧燃燒技術相關研究表明，一般富氧燃燒氛圍在26 % ～ 31 %能夠取得最優(yōu)的效果[2]。為了尋找適用于甲烷的燃燒氛圍，本文分析了氧氣濃度在21 %到36 %時甲烷的燃燒特性，并將其對應為6種燃燒氛圍，具體如表1所示。

本文在壓力（p）分別為1 atm和10 atm，當量比（e）在0.5 ～ 1.4范圍內，溫度（T）在300 K至1800 K條件下，對燃料的自點火、燃燒溫度、最大OH基濃度、層流火焰速度和污染物排放等開展了數值仿真，并結合敏感度分析、反應路徑分析、物質產率分析等手段對甲烷燃燒特性進行了全面剖析。

1.3 修正的變異擾動法

作者在2019年首次提出了變異擾動法[27]，其主要基于變異系數的思想，消除各燃燒特性的數值尺度和量綱的影響，并在2022年通過引入權重和符號函數提出了新的變異擾動法計算公式，實現了添加劑或摻混燃料對主燃料燃燒影響程度的量化表征和綜合評估[28]。本文為更好地描述不同富氧氛圍對甲烷燃燒性能的影響，將圍繞每種富氧氛圍下的各種燃燒特性擾動求和得到總擾動量（Disturbance， D），計算過程如式（1）至式（6）所示。通過擾動量的值可以直觀化地給出富氧氛圍相比于空氣氛圍下對燃料燃燒性能影響的綜合擾動程度。相比于文獻[28]中的變異擾動法，本文修正了變異擾動法中權重的計算形式，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為燃料的第i種燃燒特性在較寬參數范圍內第j個工況下的值（實驗值或模擬值），其中[VOEij]為富氧氛圍下燃燒特性的值，[VAirij]為空氣氛圍下燃料燃燒性能的值；c為所有工況下富氧氛圍和空氣氛圍下燃料燃燒特性的相對變化量；Si為所有工況下c的累加值，基于Si值的信息可以初步判斷在多工況下富氧氛圍相比于空氣氛圍燃燒的整體影響程度；di為第i種燃燒特性的擾動值，其中stdev為樣本的標準偏差，avg為樣本的標準算數平均值，擾動值大小可以定量表示富氧燃燒相比于空氣氛圍的變化量的擾動程度，直接彰顯富氧氛圍對每種燃燒特性的貢獻，且能夠消除各種燃燒特性的量綱和量級的差異，進而可對各種燃燒性能的擾動求和得到無量綱的總擾動值；ωi為一種氛圍在多種富氧氛圍中的權重，以便于對比多種富氧氛圍相比于空氣條件燃燒性能的作用，若研究n種富氧氛圍，需要對每種氛圍下對應的Si求和獲取∑Si，然后基于Si和∑Si的比值來計算該氛圍的權重ωi；同時引入δ函數表征擾動的積極性，通過Si值和return函數返回的值（+ 1、- 1、0）來判斷富氧氛圍相比于空氣氛圍燃燒的擾動效果，具體應用參考3.1節(jié)。

2 結果與討論

2.1 富氧氛圍下甲烷的自點火特性

本文基于Chemkin零維封閉均相反應器，在當量比為1.0、壓力分別為1 atm和10 atm時，對不同氧氛圍下甲烷的點火延遲時間（Ignition delay time）進行了計算，結果如圖1所示。燃料的點火延遲時間與初始溫度成反比，在初始溫度增加的情況下，點火延遲時間明顯縮短，說明初始溫度增加，能有效提高燃料的化學反應速率，有助于燃料的快速點火；另外，對比圖1（a）、圖1（b）可知，點火延遲時間隨著初始壓強的增大而縮短，說明壓強增大對點火也是有利的；同時，在其他初始工況一致的情況下，隨著氧化劑中氧氣比例的增加，點火延遲時間同樣呈現了顯著的下降趨勢，當氧氣的占比最大時，燃料的點火延遲時間最短，這表明富氧氛圍對燃料的自點火性能是積極的，富氧的環(huán)境可實現甲烷的快速著火和燃燒。

圖2為當量比對甲烷自點火性能的影響結果?？梢钥闯觯c火延遲時間隨當量比的增加而增大，且呈現出正比關系，表明在貧油工況下，甲烷更容易點燃；但富氧氛圍對燃料富油燃燒的影響更加顯著；在當量比一定時，富氧氛圍顯著縮短了甲烷的點火延遲時間，且氧氣的占比越高，點火延遲時間越短。值得注意的是，隨著氧氣占比的增加，富氧氛圍對甲烷點火性能的促進作用在變緩，如圖2（a）中，在當量比為0.5時，氧氣在氧化劑中的占比依次均勻遞增（0.21 → 0.24 → 0.27 → 0.30 → 0.33 → 0.36）的過程中，甲烷點火延遲時間依次分別縮短了0.00439、0.00334、0.00263、0.00211、0.00174，同樣的情形在圖3和圖4中的其他工況下均有類似的現象。

2.2 不同氧氛圍下甲烷燃燒絕熱火焰溫度

本文還基于零維封閉均相反應器在當量比為1，壓力為1 atm和10 atm，初始溫度為1200 K ～ 1800 K的條件下，模擬了甲烷燃燒的絕熱火焰溫度（Adiabatic flame temperature）。

從圖3可知，不同氧濃度下甲烷燃燒的絕熱火焰溫度與初始溫度呈現出顯著的正比線性關系，同時，隨著氧化劑中O2濃度的增加，絕熱火焰溫度提升明顯；但從圖中各線的斜率可知，其正比系數隨著氧氣濃度的增大而減小，表明絕熱火焰溫度增加的效果在逐級遞減。如在初始溫度一定的情況下，氧化劑中氧氣濃度在21 %時增加的效果最為顯著，此時初始溫度每升高100 K，絕熱火焰溫度會隨之升高近40 K；而在氧氣濃度為36 %時，初始溫度每增加100 K，絕熱火焰溫度的升值約為24 K；另外，壓強的增加同樣能夠使絕熱火焰溫度增加，通過對比圖3（a）和圖3（b）可知，10 atm下氧氣對絕熱火焰溫度的提升效果要明顯強于1 atm時的效果。

圖4探究了當量比對絕熱火焰溫度的影響，發(fā)現絕熱火焰溫度隨當量比均呈現類似拋物線的變化，在當量比為1.1附近時達到最大值，在富油和貧油工況下絕熱火焰溫度則變低；另外，在貧油時，絕熱火焰溫度與當量比成正比，而在富油時則相反，且在貧油工況下絕熱火焰溫度梯度的絕對值要明顯大于富油，但在富油狀態(tài)下，甲烷燃燒的絕熱火焰溫度整體要高于貧油。

2.3 富氧氛圍對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

在溫度為300 K，壓力分別為1 atm和10 atm，當量比在0.5 ～ 1.4范圍內，本研究計算了甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋↙aminar flame speed）。

由圖5可知，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當量比均呈現出先增后減的變化，在當量比為1.0 ～ 1.1的范圍稍偏富油的情況下，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?；隨著氧氣濃度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@增大，且在化學恰當比附近增加效果最為明顯；而在當量比為0.5時，由于氧氣本身過剩，此時氧氣初始濃度對甲烷燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M作用較弱，而在富油的情況下，氧氣濃度增大則會明顯提升火焰的傳播速度。

另外，通過對比圖5（a）和圖5（b）發(fā)現，壓力整體對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸彩欠e極的。值得注意的是，該特性的變化規(guī)律與甲烷點火延遲時間和絕熱火焰溫度不同，隨著氧氣占比的增加，富氧氛圍對甲烷火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘拇龠M作用整體變大，該現象在1 atm下尤其明顯。

2.4 富氧氛圍對自由基OH的影響

OH自由基在碳氫燃料燃燒過程中至關重要，其積累速度直接決定了燃料點火的快慢，且以OH為代表的小分子活潑自由基與燃料分子碰撞發(fā)生的氫提取反應是烴類燃料主要的消耗通道；另外，碳氫燃料燃燒過程中重要的放熱反應為CO + OH = CO2 + H，同樣有OH的參與。需要注意的是，燃料燃燒過程中OH自由基主要通過H + O2 = OH + O反應生成，所以有理由相信在不同的氧氛圍下OH會呈現出較強的反饋。本文在當量比為1，壓強為1 atm和10 atm，溫度分別為1200 K、1400 K的條件下，基于物產產率分析（Rate of production， ROP）研究不同氧氣濃度下甲烷燃燒過程中OH基生成速率。

由圖6（a）至圖6（d）可知，隨著氧化劑中氧氣的增加，OH自由基積累速度加快，且加快了OH的生成速率；同樣初始溫度和壓強的增加能夠加快OH自由基的生成。根據質量作用定律可知，化學反應速率的快慢主要由反應物濃度和速率常數決定，因此，氧化劑中O2比例增大，提高了反應物的濃度；而溫度和壓強的增加，增大了反應速率常數，所以這些因素的變化，會提高H + O2 = OH + O反應速率，促進了OH的生成和積累。需要注意的是，圖6（a）中ΔROP1/Δt1 →ΔROP5/Δt5斜率絕對值在增大，表明隨著氧氣濃度的等值增大，OH生成速率的增長加快，但氧氣濃度對OH生成的影響程度在變緩，從Δt1 →Δt5在逐漸縮短可以說明。

2.5 富氧氛圍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）為研究對象，并采用航空領域中氣態(tài)污染物經典的評估方法——指數（Emission index， EI）來衡量NOx的排放水平：

EIi = mi， emitted / mf， burned （7）

上式中mi， emitted表示第i種污染組分的排放質量（g），mf， burned表示燃燒過程中所消耗燃料質量（kg）。本文在壓力為1 atm和10 atm，溫度300 K時探究了不同富氧氛圍下甲烷燃燒氮氧化物排放指數（Emission index of NOx， EINOx）隨當量比的變化情況，如圖7所示。結果表明，NOx的排放均隨著當量比的增大呈現出先增后減的變化，這是由于高溫環(huán)境下NOx更容易生成，而從貧油到富油的過程中，總會存在某個合適的當量比，使得甲烷燃燒溫度最高。

一般情況下，燃料在化學當量比下燃燒溫度最高，但較高的氧氛圍同樣會促進燃料燃燒溫度的提升，在同一當量比下，氧氣初始濃度越高，NOx的排放量也越大，這也是富氧燃燒存在的重大問題。

由圖7（a）、圖7（b）可知，富氧氛圍使得甲烷燃燒過程中，最大氮氧化物排放因子整體朝著貧油的方向移動，這也表明充分的氧氣氛圍更加有利于NOx的生成。

3 富氧氛圍下甲烷燃燒的綜合分析

3.1 不同富氧氛圍下的擾動及綜合分析

上述分析直觀地展現了不同富氧氛圍下的甲烷燃燒特性，但其燃燒性能需要進一步綜合評估，以便確定有利于甲烷燃燒的最佳富氧條件，進而對富氧燃燒技術進一步完善。

本文定義的δ函數返回值基于多工況下的Si值來判斷，其根據燃料燃燒特性以及工程燃燒所需來確定二者之間的對應關系。燃料的點火延遲時間越短越好，燃燒時的排放量越少越好，此時相應Si的值若小于0，則說明其作用積極，δ函數返回+ 1；若Si的值大于或者等于0，則δ函數分別為- 1或者0。同理，如果富氧氛圍條件下能夠提高火焰溫度、OH濃度和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，則判定其作用為積極的，此時δ函數為+ 1，反之，在與其約束條件相反的情況下，δ函數則為- 1。

需要說明的是一般情況下δ值不會為0，因為只要調整了燃料的燃燒氛圍，就會與空氣氛圍下的燃燒結果有所不同，從而使得Si值不會為0。

本文δ函數在各燃燒特性下的值如表2所示。

由表2可知，隨著氧含量的增大，點火延遲時間、絕熱火焰溫度、層流火焰速度、關鍵組分濃度等特性的擾動值均呈現出了遞增的關系，但其擾動幅度在變緩。需要說明的是，富氧的氛圍在加快甲烷的燃燒和火焰溫度的同時，也加大了NOx污染物的排放，這也是富氧燃燒的利弊所在。另外，由表2還可看出富氧氛圍對甲烷點火延遲時間的擾動較小，最大值也僅為0.0173；而對層流火焰速度和NOx排放的影響則較為顯著，二者分別達到了0.2020和-1.2854；對于絕熱火焰溫度和OH基濃度的擾動程度則處于中等水平。為了給甲烷富氧燃燒提供全面的、可量化的參考信息和判斷依據，本文基于變異擾動的處理結果，在消除燃燒特性在量綱和數值尺度的差異后，計算了不同氧含量氛圍下對甲烷燃燒的綜合擾動作用D，如表3所示。甲烷在OE-2的富氧氛圍狀態(tài)下，總擾動值為0.0821，為值最大，表明在綜合考慮燃燒和排放等性能時，氧含量為0.27是甲烷最為理想的富氧燃燒條件，次之為OE-3，即氧氣濃度在0.30時；而富氧氛圍在OE-5時，其擾動值最低，僅為-0.9073，說明該富氧條件對于甲烷燃燒最為不利。

3.2 甲烷燃燒敏感度分析

為認知甲烷燃燒過程中關鍵反應，在1 atm、溫度1200 K、當量比為1工況下探究了甲烷在空氣燃燒過程中的溫度敏感性，其中溫度的敏感度系數（Sensitivity coefficients）的計算表達式如下：

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

上式中T為燃燒過程中燃燒體系的溫度，αi為第i個基元反應的速率常數的指前因子。該值的大小直接表征了該反應對溫度的作用及其貢獻程度，且反應敏感性系數為正，說明該反應可以促進燃燒體系溫度的升高，如果為負則表明對溫度不利。

圖8展示了該工況下對溫度影響最大的10個反應。

其中促進作用最大的反應是HO2 + CH3 = OH + CH3O，該反應中兩個相對不活潑的自由基生成OH，這對燃料的燃燒過程中鏈傳播有重要的作用，可同時促進燃料的快速點火和穩(wěn)定燃燒。

另外，抑制作用最為顯著的是2CH3 = C2H6，該反應是自由基重新合成穩(wěn)定組分的過程，這不是燃料燃燒所需的理想通道，且該反應會與HO2 + CH3 = OH + CH3O競爭，消耗CH3而不能促進燃料的有效燃燒；而利于溫度生成的反應一般為相對穩(wěn)定的組分或初始自由基生成OH、O等更為活潑自由基的反應，如O2 + CH2O = HO2 + HCO、CH3 + O2 = OH + CHO。

為分析不同富氧氛圍對甲烷燃燒過程中關鍵反應的影響，本文在上述工況下分析了各氛圍下甲烷點火時刻對燃燒溫度影響最大的10個反應，如圖9所示。其結果顯示，在10個重要反應中，有7個反應對甲烷燃燒溫度影響作用是促進的，HO2 + CH3 = OH + CH3O的貢獻最大，其他3個反應則是抑制作用，2CH3 （+ M） = C2H6 （+ M）的影響最大。

以上結果表明富氧氛圍整體對甲烷燃燒的影響是積極的。另外，各重要反應對溫度敏感度系數的影響未發(fā)生質的改變，但隨著初始反應工況氧氣濃度的增大，敏感度系數的絕對值都在升高，表明較高的氧氣氛圍有利于甲烷燃燒的反應速率的提升，包括促進和抑制溫度的反應。

另外需要說明的是，隨氧氣氛圍的增大，變化最為顯著的是空氣氛圍下促進溫度積累的反應H + O2 + N2 = HO2 + N2被CH3O + O2 = HO2 + CH2O取代，主要是由于O2濃度的增大，含氧組分CH3O的濃度及生成速率也會變大，提升了反應CH3O + O2 = HO2 + CH2O的效果。

3.3 甲烷燃燒反應路徑分析

本文討論了在不同氧氛圍下的甲烷在初始壓力為10 atm、溫度為1000 K、當量比為1時的燃燒主要反應路徑；基于碳（C）元素追蹤了不同氧氛圍下燃料點火時刻的反應路徑，并對重要反應通道進行物質產率分析（Rate of production， ROP），包含7個組分、10個反應通道的甲烷燃燒反應路徑，如圖10所示。由于不同氧氛圍下甲烷的燃燒反應通道和層級結構與在空氣中的燃燒是一致的，因此圖10沒有再對各燃燒氛圍進行區(qū)分，但這也說明氧氣的濃度對CH4的重要消耗通道影響不大；同時，基于C元素的追蹤可知，CH4主要通過以下路徑發(fā)生反應：CH4主要通過與OH、H自由基反應生成CH3，然后CH3與O2反應可以生成CH3O或CH2O，另外CH3還會與CH2O發(fā)生反應生成HCO；隨之通過HCO + OH = CO + H2O和CO + OH = CO2 + H反應，最終生成CO2。

4 結 論

本文在較寬工況范圍內系統探究了富氧氛圍下甲烷燃燒特性及其演變規(guī)律，并通過動力學分析和變異擾動分析闡述了富氧氛圍下燃燒機制及其動力學特性，主要結論如下：

（1） 富氧氛圍顯著縮短了甲烷的點火延遲時間，提升了其燃燒溫度，并加快了甲烷的層流火焰燃燒速度，有利于甲烷的快速點火和穩(wěn)定燃燒，但隨著富氧氛圍中O2濃度的增大，其對燃燒特性的促進作用會放緩，也導致NOx排放量隨之增大。

（2） 本文基于變異系數法實現了富氧氛圍對甲烷燃燒性能影響程度的綜合評估和量化表征，并確定了本研究所有工況下甲烷燃燒合理的富氧氛圍為27 %O2 / 63 %N2。

（3） 基于敏感度分析確定了不同氧氛圍下甲烷燃燒過程中10個關鍵反應，發(fā)現富氧氛圍能夠整體提升這些反應的化學作用和影響程度，并促使了甲烷燃燒性能的提升。

（4） 基于反應路徑分析發(fā)現，富氧氛圍對甲烷主要燃燒反應路徑和層級結構影響不大，但產率分析結果顯示富氧氛圍會整體加快各燃燒通道的反應進程。

綜上可知，合理的富氧氛圍需同時兼顧燃料燃燒性能和污染排放，進而對甲烷的快速點火和穩(wěn)定高效燃燒產生最優(yōu)的積極作用。在燃料設計和動力裝置實際運用中，可以考慮引入多種燃燒性能指標，拓寬研究工況范圍，基于多目標耦合方法獲取綜合評估的可量化值，為富氧燃燒技術的深度應用提供參考和指導。

參考文獻：

［1］王科， 趙昌普， 蔡玉潔. 富氧燃燒與EGR對船用柴油機NO-碳煙排放和燃燒特性的影響[J]. 燃燒科學與技術， 2020，26（3）：248-256.

［2］蘇俊林，潘亮，朱長明.富氧燃燒技術研究現狀及發(fā)展[J]. 工業(yè)鍋爐，2008（3）：1-4.

［3］鄒遠龍，周月桂，李瀾波，等.CO2和H2O 氣氛下甲烷MILD 富氧燃燒NO 和CO 生成機理[J]. 燃燒科學與技術，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.天然氣富氧燃燒特性及污染物生成研究[J]. 當代化工，2019，48（9）：2084-2086.

［13］胡家龍，任航，聶曉康，等.氧濃度、壓力對甲烷/空氣層流擴散燃燒特性影響的數值模擬研究[J]. 東北電力大學報，2021，41（3）：10-18.

［14］王國昌， 舒子云， 司濟滄，等.二氧化碳、水和N2稀釋條件下甲烷MILD氧燃燒的實驗研究[J].中國電機工程學報，2021，41（18）：6312-6320.

［15］單天翔，崔淦，李自力，等.水蒸氣對甲烷燃燒影響的數值模擬研究[J].石油化工高等學校學報，2019，32（5）： 62-68.

［16］趙曉堯， 石保祿，李博， 等.高氧氣濃度甲烷不穩(wěn)定燃燒實驗研究[J].工程熱物理學報， 2020， 41（2）：474-481.

［17］王城景.Oxy-steam氣氛下天然氣燃燒特性研究[J].工業(yè)加熱，2020，49（7）：21-24，28.

［18］田曉晶，崔玉峰，房愛兵，等.CH4/O2/H2O 燃氣輪機富氧燃燒特性[J]. 燃燒科學與技術，2013，19（5）： 413-417.

［19］胡帆，李鵬飛，軍軍，等.甲烷擴散火焰的富氧燃燒特性[J].中國電機工程學報，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，鄢曉忠，何旭，等.Oxy-steam氣氛下低熱值燃氣燃燒特性研究[J].動力工程學報，2021，41（12）：1061-1068.

［24］孫紹增，孟順， 趙義軍，等.水蒸氣純氧條件下合成氣燃燒特性[J].化工學報， 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.

責任編校：田 旭，劉 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

基金項目：河南省自然科學基金面上項目（242300420050）；河南省高等學校重點科研項目（24A590006、24B470010）；河南省重點研發(fā)與推廣專項（科技攻關）（222102210050、232102320199）

作者簡介：李樹豪，男，河南濮陽人，博士，副教授，研究方向為燃燒動力學。

通訊作者：席雙惠，女，河南開封人，博士，講師，研究方向為燃燒動力學。