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        不同初始條件下乙醇-空氣預(yù)混合氣層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)分析

        2011-10-08 07:29:30張志遠(yuǎn)鄭建軍黃佐華馬向平

        張志遠(yuǎn),鄭建軍,黃佐華,馬向平,韓 樹(shù)

        (1裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系,北京100072;2西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710049)

        燃料乙醇可用剩余糧食、能源作物和秸稈等生物資源制成,屬于可再生燃料。乙醇又是含氧燃料,內(nèi)燃機(jī)燃用乙醇可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煙排放,并能大幅度降低CO排放。因此,無(wú)論從降低對(duì)石油的依賴度還是從實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的潔凈燃燒方面,乙醇都是有較好應(yīng)用前景的內(nèi)燃機(jī)替代燃料。乙醇燃料可以采用摻燒方式100%替代汽油燃料,因此其作為內(nèi)燃機(jī)替代燃料的應(yīng)用研究已開(kāi)展得相當(dāng)廣泛,并獲得了許多燃用乙醇或乙醇-汽油混合燃料的內(nèi)燃機(jī)性能和排放的研究成果。但對(duì)于乙醇和乙醇-汽油混合燃料燃燒特性的內(nèi)在機(jī)理認(rèn)識(shí)還不清楚,有必要對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃用乙醇燃料以及乙醇-汽油混合燃料燃燒方面開(kāi)展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究,為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐[1]。

        乙醇燃料的預(yù)混層流燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究和利用乙醇化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的模擬計(jì)算是乙醇基礎(chǔ)燃燒研究的2個(gè)重要方面。在乙醇燃料預(yù)混層流燃燒特性研究方面,文獻(xiàn)[2-5]作者分別用不同的試驗(yàn)方法對(duì)乙醇-空氣預(yù)混合氣的層流燃燒速度進(jìn)行了測(cè)定,得出了相同的層流燃燒速度隨初始條件(初始?jí)毫?、初始溫度和氣體稀釋度)變化而變化的規(guī)律。為了對(duì)乙醇-空氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S初始條件變化的原因從火焰結(jié)構(gòu)上給予解釋,筆者利用Chemkin提供的火焰模擬類反應(yīng)模型中的層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算模型,對(duì)不同初始條件下乙醇-空氣混合氣一維穩(wěn)態(tài)層流預(yù)混火焰進(jìn)行模擬計(jì)算,給出一維層流自由傳播火焰中反應(yīng)物、自由基、碳基中間產(chǎn)物和燃燒產(chǎn)物分布規(guī)律,分析火焰結(jié)構(gòu)中的物種分布特別是中間自由基的分布與層流燃燒速度的關(guān)系,嘗試從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度解釋乙醇-空氣預(yù)混合氣層流燃燒速度隨初始?jí)毫?、初始溫度和稀釋度的變化?guī)律。

        1 擴(kuò)展乙醇化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的驗(yàn)證

        在乙醇燃料的燃燒中,也按C/H/O化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生火焰。燃料攻擊中涉及同碳?xì)淙剂弦粯拥淖杂苫?H、O、OH、HO2)。醇類火焰與一般碳?xì)淙剂匣鹧娴膮^(qū)別是初始攻擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的含氧基,而在通常的碳?xì)淙剂先紵兴鼈儍H以微量出現(xiàn)。燃燒中間產(chǎn)物也是相似的,因?yàn)樯婕巴瑯拥脑?,所以最終的絕熱產(chǎn)物也是一樣的。文獻(xiàn)中給出的乙醇化學(xué)反應(yīng)機(jī)理有2個(gè):一是N.M.Marinov給出的高溫條件下乙醇氧化的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)理,其包含57個(gè)物種,383步反應(yīng)[6];二是 Priyank Saxena給出的一個(gè)新的乙醇擴(kuò)展簡(jiǎn)化機(jī)理,其包含53個(gè)物種和288步基元反應(yīng)[7]。Marinov機(jī)理是一個(gè)詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的層流燃燒速度和激波管測(cè)定的著火延遲期數(shù)據(jù)比較,證明了該機(jī)理的有效性。而且該機(jī)理的計(jì)算結(jié)果也與通過(guò)連續(xù)反應(yīng)器和攪動(dòng)床反應(yīng)器測(cè)定的物種濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。但是Marinov機(jī)理不涉及NOx生成的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。本研究通過(guò)耦合Marinov機(jī)理和NO機(jī)理[8],生成一個(gè)新的包含63個(gè)物種、392步反應(yīng)的擴(kuò)展乙醇化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

        為驗(yàn)證該擴(kuò)展乙醇化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)于計(jì)算乙醇-空氣預(yù)混合氣燃燒過(guò)程的適應(yīng)性,筆者首先利用Chemkin 4.0層流火焰速率計(jì)算模型和該擴(kuò)展乙醇化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,計(jì)算了初始溫度Tu=423 K、初始?jí)毫?Pu=0.1 MPa、當(dāng)量比 φ =0.7 ~1.4 的乙醇 - 空氣預(yù)混合氣層流燃燒速率u1。圖1給出了乙醇-空氣預(yù)混合氣層流燃燒速率計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[5]中同樣初始條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,可以看出:計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合,表明高溫下擴(kuò)展乙醇化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)理適用于計(jì)算本文實(shí)驗(yàn)條件下的乙醇-空氣混合氣預(yù)混層流燃燒過(guò)程。

        圖1 乙醇-空氣混合氣層流燃燒速度計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

        2 乙醇-空氣混合氣預(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)分析

        筆者采用Chemkin 4.0層流火焰速率計(jì)算模型和Marinov擴(kuò)展乙醇化學(xué)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算不同初始條件下的乙醇-空氣層流預(yù)混燃燒特性。圖2-4分別給出了不同初始?jí)毫?、不同初始溫度和不同氣體稀釋度下化學(xué)計(jì)量當(dāng)量比一維層流自由傳播乙醇-空氣的火焰結(jié)構(gòu),從圖中可以看出:乙醇-空氣燃燒火焰的反應(yīng)物(C2H5OH和O2)、燃燒產(chǎn)物(CO2、CO和 H2O)、活性基(H、OH、O、HO2和 H2O2)和碳基中間產(chǎn)物(CH3CHO、C2H4、CH2O、CH4、C2H6、CH3、HCCO和CH2CO)的濃度隨燃燒區(qū)與火焰面距離的變化曲線。乙醇-空氣火焰中主要反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)量級(jí)為10-2~10-1,火焰中自由基的最大摩爾分?jǐn)?shù)量級(jí)為10-4~10-3,因此火焰中主要物種摩爾分?jǐn)?shù)由反應(yīng)物組分所決定,同時(shí)燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程對(duì)其也有影響。從碳基中間產(chǎn)物的摩爾分布曲線可以看出:碳基中間產(chǎn)物最大摩爾分?jǐn)?shù)量級(jí)為10-5~10-3?;鹧娼Y(jié)構(gòu)分析表明:在乙醇-空氣混合氣預(yù)混火焰中OH的摩爾分?jǐn)?shù)在整個(gè)火焰反應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)最大,其次是H,然后是O,而HO2和H2O2基團(tuán)的最大濃度值較小。在碳基中間產(chǎn)物中,乙醛CH3CHO是C2基與O2或其他活性組分次級(jí)反應(yīng)的主要產(chǎn)物,其濃度最大。其次是乙烯C2H4,它不僅通過(guò)乙醇的直接裂解產(chǎn)生,還通過(guò)乙醇中氫原子抽離形成的CH2CH2OH的裂解產(chǎn)生,其摩爾濃度也較大。

        2.1 不同初始?jí)毫ο乱掖迹諝庖痪S層流自由傳播火焰結(jié)構(gòu)

        圖2給出了初始溫度Tu=423 K、初始?jí)毫u分別為0.1 MPa和0.5 MPa時(shí)化學(xué)計(jì)量當(dāng)量比一維層流自由傳播乙醇-空氣的火焰結(jié)構(gòu)??梢钥闯?隨著初始?jí)毫Φ脑黾樱鹧娣磻?yīng)區(qū)域變薄,反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)下降速度和生成物摩爾分?jǐn)?shù)增加速度明顯加快。活性基(H、OH和O)濃度下降,其中以H基最為明顯。HO2和H2O2基團(tuán)最大濃度的變化不明顯。在給定當(dāng)量比條件下,層流燃燒速度隨初始?jí)毫υ黾佣档停?]。初始?jí)毫Φ脑黾訉?dǎo)致H、OH和O基濃度下降是造成乙醇燃燒反應(yīng)速率變慢的主要原因之一。碳基中間產(chǎn)物濃度最大值隨初始?jí)毫Φ淖兓療o(wú)明顯改變。

        圖2 不同初始?jí)毫ο乱掖迹諝忸A(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)比較

        2.2 不同初始溫度下乙醇-空氣一維層流自由傳播火焰結(jié)構(gòu)

        圖3給出了初始?jí)毫?Pu=0.1MPa、初始溫度Tu分別為373 K和423 K時(shí)化學(xué)計(jì)量當(dāng)量比一維層流自由傳播乙醇-空氣的火焰結(jié)構(gòu)??梢钥闯?初始溫度的增加對(duì)反應(yīng)物、燃燒產(chǎn)物以及碳基中間產(chǎn)物的濃度基本上無(wú)影響。隨著初始溫度的增加,濃度變化最明顯的是活性基H、OH和O,在整個(gè)燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)3種活性基濃度都有增加,這也是乙醇-空氣混合氣預(yù)混層流燃燒速率隨初始溫度增加而增加的主要原因之一。

        2.3 不同氣體稀釋度下乙醇-空氣一維層流自由傳播火焰結(jié)構(gòu)

        圖4給出了初始?jí)毫u=0.1 MPa、初始溫度Tu=373 K、氮?dú)庀♂尪圈誶分別為0%和15%時(shí)化學(xué)計(jì)量當(dāng)量比一維層流自由傳播乙醇-空氣的火焰結(jié)構(gòu)。可以看出:由于氮?dú)獾南♂?,反?yīng)物的濃度下降,燃燒產(chǎn)物的濃度變化不明顯。隨著氮?dú)獾奶砑?,碳基中間產(chǎn)物最大摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)位置向火焰區(qū)下游移動(dòng)。由于氮?dú)庀♂尳档土嘶鹧鏈囟龋瑢?dǎo)致這些碳基中間產(chǎn)物的生成和消耗反應(yīng)向溫度更高的下游位置移動(dòng)。碳基中間產(chǎn)物中乙醛濃度最大,乙醛是乙醇燃燒中最主要的中間產(chǎn)物,其次是乙烯。所以乙醛的裂解和氧化機(jī)理是乙醇燃燒機(jī)理必須包含進(jìn)來(lái)的重要一部分。氮?dú)庀♂寶獾奶砑咏档土艘胰┑臐舛?,從而乙醛排放降低。另一方面,氮?dú)庀♂寶獾奶砑又苯訉?dǎo)致活性基H、OH和O濃度在整個(gè)燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)明顯下降,這也是乙醇-空氣混合氣預(yù)混層流燃燒速率隨氮?dú)庀♂尪仍黾佣鴾p小的主要原因之一。

        圖3 不同初始溫度下乙醇-空氣預(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)比較

        圖4 不同氣體稀釋度下乙醇-空氣預(yù)混層流燃燒火焰結(jié)構(gòu)比較

        2.4 不同初始條件下乙醇-空氣預(yù)混層流燃燒NOx排放預(yù)測(cè)

        擴(kuò)展的乙醇-空氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理增加了NO、NO2和N2O的反應(yīng)機(jī)理,圖5給出了基于該機(jī)理計(jì)算的NO、NO2和N2O的濃度分布曲線。可以看出:NO是NOx中的主要生成物,其濃度隨著火焰區(qū)溫度的升高而增加,最后在計(jì)算區(qū)域邊界達(dá)到最高濃度。相對(duì)而言,NO2和N2O濃度比NO濃度相差1~2個(gè)數(shù)量級(jí),N2O濃度在火焰中心區(qū)達(dá)到最大濃度,N2O受溫度影響不大。具體分析初始?jí)毫?、初始溫度和氮?dú)庀♂尪葘?duì)NO生成的影響可以發(fā)現(xiàn):由于NOx的生成和N2、O2、H、O、OH 和 N 的濃度有很大關(guān)系,而這些物質(zhì)主要在高溫區(qū)生成;因而NOx的生成與火焰溫度直接相關(guān)。初始?jí)毫υ黾?,火焰燃燒溫度增加,NOx生成濃度增加。由于化學(xué)反應(yīng)區(qū)域變薄,可以看出NO和N2O增加速度很快,其中NO最為顯著。初始溫度增加,NO濃度增加,N2O變化很小。氮?dú)馓砑拥揭掖迹諝饣旌蠚夂?,稀釋度增加,火焰溫度降低,NOx濃度降低。其中,NO大幅度下降,而N2O和NO2變化很小。

        圖5 不同初始條件下乙醇-空氣火焰NOx濃度分布曲線

        3 結(jié)論

        筆者提出了一個(gè)擴(kuò)展的乙醇化學(xué)反應(yīng)機(jī)理并給予了驗(yàn)證。利用此擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行模擬計(jì)算得到如下主要結(jié)論:主要自由基OH、H和O濃度隨初始?jí)毫υ黾佣鴾p小;隨初始溫度增加而增加;隨氮?dú)庀♂尪鹊脑黾佣鴾p小。自由基濃度隨初始條件的變化規(guī)律部分地解釋了試驗(yàn)和計(jì)算得到的層流燃燒速度隨初始條件的變化規(guī)律。

        筆者的研究表明,基于一個(gè)恰當(dāng)機(jī)理的乙醇-空氣混合氣一維穩(wěn)態(tài)層流預(yù)混火焰模擬計(jì)算,一方面可以指導(dǎo)層流燃燒速度測(cè)定試驗(yàn)的進(jìn)行,另一方面從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度解釋了乙醇-空氣預(yù)混合氣層流燃燒速度隨初始條件的變化規(guī)律。同樣的研究用于基于恰當(dāng)簡(jiǎn)化機(jī)理的高碳碳?xì)浠衔镆矔?huì)對(duì)高碳碳?xì)浠衔锘蚋咛继細(xì)浠衔锖鸵掖蓟旌先剂项A(yù)混層流燃燒的研究起到積極的指導(dǎo)作用。

        [1]黃佐華,蔣德明,王錫斌.內(nèi)燃機(jī)燃燒研究及面臨的挑戰(zhàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008(S1):101-106.

        [2]Gulder O L.Laminar Burning Velocities of Methanol,Isooctane and Isooctane/Methanol Blends[J].Combustion Science and Technology,1983,33(1/4):179-192.

        [3]杜德興,Law C K.甲醇、乙醇-空氣混合物層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),1992,13(4):448-452.

        [4]Liao S Y,Jiang D M,Huang Z H,et al.Determination of the Laminar Burning Velocities for Mixtures of Ethanol and Air at Elevated Temperatures[J].Applied Thermal Engineering,2007,27(2/3):374-380.

        [5]張志遠(yuǎn),黃佐華,鄭建軍,等.高溫高壓條件下乙醇-空氣-稀釋氣預(yù)混合氣層流燃燒特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2010,28(2):103 -108.

        [6]Marinov N M.A Detailed Chemical Kinetic Model for High Temperature Ethanol Oxidation[J].International Journal of Chemical Kinetics,1999,31(3):183-220.

        [7]Saxena P,Williams F A.Numerical and Experimental Studies of Ethanol Flames[J].Proceedings of the Combustion Institute,2007,31(1):1149-1156.

        [8]Kong S C,Sun Y,Rietz R D.Modeling Diesel Spray Flame Liftoff,Sooting Tendency,and NOxEmissions Using Detailed Chemistry with Phenomenological Soot Model[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power-transactions of the Asme,2007,129(1):245-251.

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