尚融雪, 杨悦, 李刚
东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-12-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804065); 中国博士后科学基金资助项目(2018M631811); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2001023)。
作者简介：尚融雪(1987-), 女, 辽宁沈阳人, 东北大学讲师, 博士;
李刚(1969-), 男, 河南信阳人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要：利用本生灯-纹影系统及CHEMKIN-PRO对高温下掺氢天然气层流预混火焰传播速度进行实验及数值模拟研究, 并从热力学及化学动力学效应方面讨论了初始温度对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响.结果表明: GRI-3.0机理能较准确地预测293~500 K条件下的掺氢天然气层流预混火焰传播速度; 在相同初始温度下, 混合物层流预混火焰传播速度在高掺氢比时增幅更显著; 在相同当量比下, 混合物层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度的升高呈近线性增加; 高温下, H自由基浓度的增大进一步增强了H+O₂=O+OH对整体燃烧反应的促进作用, 使混合物层流预混火焰传播速度显著加快.
关键词：本生灯法层流火焰火焰传播掺氢比GRI-3.0机理
Propagation of Laminar Premixed Flames of CH₄/H₂/Air Mixtures at Elevated Temperatures
SHANG Rong-xue, YANG Yue, LI Gang
School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: SHANG Rong-xue, E-mail: rongxue.shang@foxmail.com.

Abstract: The laminar flame speeds of CH₄/H₂/air mixtures were experimentally studied at elevated initial temperatures using the Bunsen burner method combined with the Schlieren technique, and the corresponding cases were computed using CHEMKIN-PRO. The effect of initial temperatures on the propagation characteristics of laminar premixed flames was discussed from the perspectives of thermodynamics and chemical kinetics. The results show that the laminar flame speeds of the mixtures at 293-500 K can be predicted well by GRI-3.0 mechanism. The greater increments of laminar flame speeds of mixtures are presented at higher H₂ fractions under all tested initial temperatures. The laminar flame speeds and adiabatic flame temperatures of mixtures almost linearly increase with a growth of initial temperatures with the same equivalence ratios. With the rise of initial temperatures, the dominant promotion of H+O₂=O+OH on the mass burning rates of mixtures can be enhanced by the great growth of the mole fractions of H radicals. Therefore, the laminar flame speed of CH₄/H₂/air mixtures significantly increases at elevated temperatures.
Key words: Bunsen burnerlaminar flameflame propagationH₂ fractionGRI-3.0 mechanism
与传统天然气相比, 在天然气中掺入氢气不仅能够提高预混燃气的火焰传播速度, 拓宽其燃烧极限等, 同时能有效降低燃烧产物中温室气体的排放量^[1].在实际生产过程中, 掺氢天然气在燃烧利用时通常环境预热温度较高.由于燃烧条件的差异, 较高的预热温度会改变预混燃气质量输运和化学动力学过程, 进而显著影响预混燃气的基础燃烧特性.其中, 层流预混火焰传播速度作为燃料重要的基础燃烧特性, 不仅是研究复杂湍流燃烧的重要基础, 也是验证化学动力机制、指导燃烧器安全设计的重要参数^[2].因此, 研究不同初始温度下掺氢天然气(CH₄/H₂)层流预混火焰传播特性, 能够为其安全高效的利用以及预防控制燃气火灾爆炸事故提供依据及科学指导.
近年来, 高温下预混燃气的燃烧特性得到了广泛研究.Hu等^[3]测量了不同温度下CH₄/O₂/CO₂的层流火焰传播速度, 发现升高的预热温度增加了预混燃气的绝热火焰温度, 从而加快了燃烧反应速率和火焰传播速度.Vancoilie等^[2]测得初始温度范围为298~353K的甲醇-空气层流火焰传播速度, 得到了在贫燃下较准确的数据.Zeng等^[4]研究发现随着初始温度的升高, 沼气的层流火焰传播速度不断增大.Xiao等^[5]通过测量氢气甲醇混合物燃烧特性发现, 掺氢比的增加促进H自由基的形成, 进一步促进H+O₂=O+OH的进行.Ai等^[6]研究发现CO/H₂/N₂/ CO₂/Air混合物层流火焰传播速度随刘易斯数和初始温度的升高而增大, 随初始压力的升高而减小.Mohammad等^[7]发现由于初始温度的升高, 大量活性自由基不断生成加快了预混燃气的燃烧过程.虽然****们已研究了不同预热温度下的预混燃气层流火焰传播特性, 但针对CH₄/H₂/空气的实验研究较少, 特别是高温下的有效实验数据十分有限.
为此, 本文使用自主搭建的本生灯-纹影系统实验研究了初始温度T₀为293~500 K, 掺氢比为0, 0.25, 0.5, 0.75, 当量比为0.8~2的CH₄/H₂/空气的层流火焰传播速度S_u, 并利用CHEMKIN-PRO模拟计算, 详细讨论了初始温度和掺氢比对CH₄/H₂/空气层流预混火焰热力学及化学动力学特征的影响.
1 实验及数值模拟方法本文在之前的研究基础上, 改进并搭建了适用于高温预热条件的本生灯-纹影系统.该系统主要包括配气系统、本生灯燃烧系统、预热恒温系统, 以及纹影成像系统等.
实验使用干燥的压缩空气作为氧化剂, 燃料为纯度高于99.9 % 的甲烷和纯度高于99.99 % 的氢气.利用规格分别为1 L/min, 2 L/min和5 L/min的质量流量控制器控制预混燃气的组成比例和总流量.
在预混燃气中, 当量比?定义为^[3]

(1)

式中: 分母(F/A)_st表示标准状态下, 预混燃气中的燃料与空气完全燃烧时的比例; 分子F/A表示实际的燃料与空气比例.
掺氢天然气中的掺氢比X_H2定义为

(2)

式中: x_CH4, x_H2分别为预混燃气中CH₄和H₂的摩尔分数.
为使本生灯管内的实验气体均匀预混且充分发展并保持层流状态, 实验使用内径为8 mm、长度为800 mm的不锈钢管作为本生灯管.通过计算得出实验工况下的预混燃气雷诺数均在400~1 400之间.在高温实验中, 本文利用电阻丝加热带及温控仪, 根据实验工况对预混室内的预混气进行加热控制.并使用保温带及保温棉对系统气路及本生灯管进行恒温保温.此外, 使用K型铠装热电偶测量系统中不同气路加热保温段的温度和本生灯出口处的气体实际温度, 温度误差在±5 K以内.
本文使用本生灯面积法测量并计算预混燃气的S_u(cm/s):

(3)

式中: 为预混燃气的总流量, L/min.根据S_u的定义, A_u表示未燃侧火焰表面积, m².为准确获得预混燃气未燃侧火焰面, 本文使用Z型纹影系统采集火焰图像, 并利用MATLAB对火焰图像进行处理.纹影系统由LED光源、两面直径为200 mm、焦距为2 000 mm的凹面反射镜以及刀口构成.拍摄本生灯火焰图片后, 利用MATLAB对火焰图像进行灰化处理, 并使用Canny算子进行火焰未燃侧边缘识别, 通过定积分计算得到火焰面未燃侧表面积.
此外, 本文使用CHEMKIN-PRO的PREMIX模块对不同T₀及X_H2的CH₄/H₂火焰传播特性进行了数值模拟计算.为准确计算含有H₂的预混燃气, 模拟中扩散速度计算选用完整的Multi-component模型并考察Soret效应.设置模拟自适应网格计算范围为10 cm, 反应区网格数为800~3 000.本文选用包括53个组分和325个基元反应的GRI-3.0化学反应机理对CH₄/H₂/空气的层流预混火焰传播特性进行了模拟分析.
2 结果与讨论2.1 实验系统校核为校核实验系统及数据处理方法, 图 1给出了常温及高温下CH₄/空气的S_u实验数据, 并与文献[7-10]数据进行对比.其中图 1a为常温下CH₄/空气的S_u; 图 1b给出了不同T₀下的S_u.如图 1a所示, 常温下文献中的S_u随着?的增大呈现先增加后减小的趋势, 且最大值均出现在?为1.1左右.此外, 在?确定的条件下, S_u随T₀升高而逐渐加快，如图 1b所示.本文实验结果与文献数据的变化趋势一致性较好, 因此本文的实验系统及数据处理方法能够准确测量不同T₀下预混燃气的S_u.
图 1(Fig. 1)

图 1 CH4/空气层流预混火焰传播速度Fig.1 Laminar flame speed of CH4/air

2.2 CH₄/H₂/空气层流预混火焰传播速度实验及数值模拟结果图 2给出了不同T₀和不同X_H2条件下CH₄/H₂/空气的S_u实验数据及GRI-3.0机理数值模拟结果.由图 2可以看出, 不同T₀下, 混合物S_u随?的增大均呈先增大后减小的趋势.在本文温度范围内, 实验测得的CH₄/H₂/空气的S_u随?和X_H2的变化规律与GRI-3.0机理模拟的计算结果变化趋势吻合较好.
图 2(Fig. 2)

图 2 CH4/H2/空气层流预混火焰传播速度Fig.2 Laminar flame speed of CH4/H2/air (a)—T0=293 K; (b)—T0=400 K; (c)—T0=450 K; (d)—T0=500 K.

在相同T₀下, CH₄/H₂/空气的S_u随X_H2的增加不断增大, 且随着T₀的进一步升高, 混合物S_u随X_H2的增加逐渐减小.在 T₀为293 K时, 当X_H2由0.25增大到0.75时, 实验得到的混合物S_u最大值由43.98 cm/s增加到101.91 cm/s, 增加了131.72 %; T₀为500 K时, X_H2由0.25增大到0.75时, 实验得到的S_u最大值增加了116.72 %.
此外, 在相同T₀下, 随着混合物X_H2的增加, CH₄/H₂/空气的S_u增幅越来越显著.当T₀为293 K, X_H2由0.25增大到0.5时, 实验测得的S_u最大值增大了30.31 %, 当X_H2由0.5增大到0.75时, S_u最大值增大了77.82 %; 当T₀为500 K, X_H2由0.25增加到0.5, 以及从0.5增大到0.75时, 实验测得的S_u最大值分别增大了23.49 % 和76.25 %.此外, 不同T₀条件下, 预混燃气S_u的峰值对应的当量比随着X_H2的增大略向富燃侧移动.从图 2可知, 不同T₀下, X_H2为0.25的预混燃气S_u最大值均出现在?为1.1左右, X_H2为0.75时, S_u最大值则出现在?为1.2附近.
2.3 初始温度对CH₄/H₂/空气火焰传播速度的影响图 3给出了T₀为293, 400, 450和500 K时CH₄/H₂/空气S_u的实验数据和模拟计算结果.从图 3可知, 随着T₀升高, CH₄/H₂/空气S_u显著增大; 当X_H2为0.5, T₀从293 K升高到500 K时, S_u最大值由57.31 cm/s增大到137.46 cm/s; 随着T₀的升高, 混合物S_u峰值对应的?并没有出现显著变化.
图 3(Fig. 3)

图 3 高温下CH4/H2/空气层流预混火焰传播速度(XH2=0.5)Fig.3 Laminar flame speed of CH4/H2/ air at elevated temperatures (XH2=0.5)

图 4给出了不同X_H2和T₀下, 在贫燃侧(?=0.8)和富燃侧(?=1.6)CH₄/H₂/空气的S_u.从图中可知, 随着T₀升高, 贫燃侧和富燃侧混合物S_u近线性增大.对不同T₀下的S_u实验数据及数值模拟结果进行线性拟合, 结果见表 1.从表可知, 除?=1.6, X_H2为0和0.5的工况外, 其余实验及模拟数据拟合得到的线性拟合相关系数R²均大于0.9, 因此CH₄/H₂/空气S_u与T₀显著线性相关.
图 4(Fig. 4)

图 4 高温下CH4/H2/空气层流预混火焰传播速度Fig.4 Laminar flame speed of CH4/H2/air at elevated temperatures (a)—ϕ=0.8；(b)—ϕ=1.6.

表 1(Table 1)

表 1 火焰传播速度线性拟合Table 1 Linear fitting of the laminar flame speed 参数 ?=0.8 ?=1.6 XH2=0 XH2=0.25 XH2=0.5 XH2=0.75 XH2=0 XH2=0.25 XH2=0.5 XH2=0.75 实验斜率 0.231 75 0.288 51 0.380 24 0.532 41 0.115 92 0.131 71 0.196 64 0.491 6 模拟斜率 0.221 7 0.261 19 0.338 36 0.533 92 0.082 79 0.106 38 0.169 3 0.497 3 实验R2 0.952 4 0.984 8 0.965 99 0.931 79 0.748 2 0.901 76 0.891 04 0.978 06 模拟R2 0.989 62 0.989 38 0.985 14 0.984 51 0.984 46 0.987 44 0.978 3 0.988 67

表 1 火焰传播速度线性拟合 Table 1 Linear fitting of the laminar flame speed

2.3.1 CH₄/H₂/空气绝热火焰温度为研究T₀对CH₄/H₂/空气S_u的热力学效应影响, 使用GRI-3.0机理计算T₀为293, 400, 450, 和500 K, X_H2为0.5条件下的CH₄/H₂/空气绝热火焰温度T_f, 如图 5所示.
图 5(Fig. 5)

图 5 高温下的CH4/H2/空气绝热火焰温度(XH2=0.5)Fig.5 Adiabatic flame temperatures of CH4/H2 /air at elevated temperatures (XH2=0.5)

随着T₀升高, CH₄/H₂/空气的T_f逐渐升高.当T₀从293 K升高到500 K时, T_f最大值从2 250 K增加到2 350 K.此外, T_f随?的增大呈先增大后减小的趋势, T_f的峰值出现在?为1.1附近, 与S_u变化趋势基本吻合.图 6分别给出了贫燃(?=0.8)和富燃(?=1.6)时, 不同X_H2条件下, CH₄/H₂/空气的T_f随T₀的变化规律.与CH₄/H₂/空气S_u变化趋势相似, 预混燃气T_f在贫燃侧和富燃侧均随T₀的升高显著线性升高, 通过线性拟合可知(表 2), T_f与T₀的线性拟合相关系数R²均大于0.99, 显著线性相关.
图 6(Fig. 6)

图 6 高温下的CH4/H2/空气绝热火焰温度Fig.6 Adiabatic flame temperatures of CH4/H2/ air at elevated temperatures (a)—ϕ=0.8；(b)—ϕ=1.6.

表 2(Table 2)

表 2 绝热火焰温度线性拟合Table 2 Linear fitting of adiabatic flame temperatures 参数 XH2=0 XH2=0.25 XH2=0.5 XH2=0.75 斜率(?=0.8) 0.700 15 0.712 05 0.696 78 0.725 31 R2(?=0.8) 0.999 06 0.998 53 0.996 6 0.998 斜率(?=1.6) 0.655 607 0.622 73 0.691 5 0.716 02 R2(?=1.6) 0.998 86 0.997 93 0.997 61 0.999 79

表 2 绝热火焰温度线性拟合 Table 2 Linear fitting of adiabatic flame temperatures

2.3.2 化学动力学效应分析为分析不同T₀对CH₄/H₂/空气燃烧过程化学动力学效应影响, 图 7给出了?=0.8, 1.6时, 不同T₀下的CH₄/H₂/空气(X_H2=0.5)质量燃烧速率敏感性系数(GRI-3.0机理).
图 7(Fig. 7)

图 7 高温下CH4/H2/空气质量燃烧速率化学动力学敏感性分析Fig.7 Sensitivities of mass burning rate of CH4/H2/air at elevated temperatures in terms of chemical kinetic coefficients (a)—ϕ=0.8；(b)—ϕ=1.6.

由图 7可以看出, 无论是贫燃侧还是富燃侧, 对整个燃烧反应起最主要促进作用的都是氧化反应H+O₂=O+OH, 其正敏感性系数远大于其他反应.贫燃条件下, 随着T₀升高, 反应H+O₂=O+OH的敏感性系数发生不规律变化, 但整体变化微小; 富燃条件下, 其敏感性系数随着T₀升高略微减小.在贫燃侧, 反应H+O₂+H₂O=HO₂+H₂O，H+CH₃(+M)=CH₄(+M)，以及H+HO₂=O₂+H₂均对整体燃烧反应起显著抑制作用; 随着T₀升高, 上述反应的抑制作用均减弱. 在富燃侧, 抑制作用最强的反应为H+CH₃(+M)= CH₄(+M), 随着T₀升高, 其敏感性系数略微增大, 反应H+CH₄=CH₃+H₂对火焰燃烧的抑制作用逐渐减弱.随着T₀升高, 反应O+CH₃=H+CH₂O, O+CH₃=H+H₂+CO的敏感性系数由负值变为正值, 促进燃烧反应的正向进行, 从而促进了S_u的进一步加快.
为详细分析化学动力学效应对预混燃气S_u的影响, 图 8和图 9分别给出了对整体反应影响较大的H自由基摩尔分数，以及主导促进反应H+O₂=O+OH的反应速率随T₀的变化规律.
图 8(Fig. 8)

图 8 H自由基摩尔分数Fig.8 Mole fraction profiles of H radical (a)—ϕ=0.8；(b)—ϕ=1.6.

图 9(Fig. 9)

图 9 H+O2=O+OH反应速率Fig.9 Reaction rate of H+O2=O+OH (a)—ϕ=0.8；(b)—ϕ=1.6.

随着T₀升高, H自由基的摩尔分数不断升高, 且随着OH自由基在其他反应中的进一步消耗, 促进了H+O₂=O+OH的正向进行, 从而使预混燃气S_u不断加快.反应H+O₂+H₂O=HO₂+H₂O和H+HO₂=O₂+H₂对燃烧反应的抑制作用随T₀升高而逐渐减弱, 且H自由基的升高不断促进这两个反应的正向进行, 使其对预混燃气燃烧反应的抑制作用进一步减弱.此外, H自由基的增加, 促进了反应H+O₂=O+OH的正向进行, 其反应速率随T₀升高显著加快.虽然反应H+O₂=O+OH对燃烧反应的促进作用随T₀升高略微减弱, 但随着T₀不断升高, 其反应速率及H自由基浓度显著增加, 使反应H+O₂=O+OH对于整体燃烧反应的促进作用随着T₀的升高而显著增强, 进而促进高温条件下预混燃气S_u的不断增大.
3 结论1) GRI-3.0机理能较准确预测初始温度为293~500 K时的掺氢天然气层流预混火焰传播速度.
2) 在相同初始温度下, 掺氢天然气层流预混火焰传播速度在高掺氢比时增加得更显著.
3) 在相同当量比下, 掺氢天然气层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度的升高近似呈线性增加.
4) 随着初始温度的升高, 预混火焰中氧化反应H+O₂=O+OH的反应速率以及H自由基浓度不断增大, 进一步增强了H+O₂=O+OH对整体燃烧反应的促进作用, 进而使掺氢天然气层流预混火焰传播速度在高温条件下显著加快.
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