周雅君，王智化，何 勇，翁武斌，周志軍，周俊虎，岑可法

（浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

0 引 言

富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)使中國成為世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國家之一。近幾十年，中國的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能耗也不可遏制地隨之增長，能源資源儲量的有限性引起了各級政府的重視，PM2.5等污染狀況也引起了激烈的社會討論。煤炭資源的高效清潔利用已成為一個(gè)重要而緊迫的課題。學(xué)術(shù)界對煤炭領(lǐng)域的科學(xué)研究從未間斷過，發(fā)展出了各種加工、轉(zhuǎn)化和清潔燃燒技術(shù)［1］。

煤氣化是煤與載氧氣化劑之間的一種不完全反應(yīng)，產(chǎn)物包含H2、CO、CH4、CO2、N2等氣體。其組分比重因?yàn)榧夹g(shù)和煤種等因素的不同有很大差異，熱值也有所不同。尤其空氣作為載氧氣化劑時(shí)產(chǎn)生的合成氣熱值更低，其燃燒的穩(wěn)定性及火焰的結(jié)構(gòu)受組分等因素影響更大。煤裂解則是將煤置于高溫環(huán)境下，使其中大分子的某些弱鍵斷裂從而形成輕質(zhì)氣態(tài)物質(zhì)和焦油的過程［2］。相對于氣化合成氣而言，熱值要大得多，可以歸入中熱值合成氣。詳細(xì)研究合成氣組分及雷諾數(shù)對燃燒的影響，在燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和改進(jìn)中有重要的參考意義。結(jié)合真實(shí)配比的合成氣組分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將推進(jìn)合成氣燃燒的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

目前關(guān)于合成氣燃燒特性的研究很多，但多數(shù)研究局限于H2含量影響、稀釋氣體影響、層流燃燒速度測量等方面［3－5］，且組分配比較為隨意，參考意義不大。在新型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)中，合成氣多以空氣氣化、湍流貧燃預(yù)混燃燒為主。火焰鋒面是預(yù)混燃燒過程的重要部分，其結(jié)構(gòu)和脈動(dòng)特性直接影響到燃燒場傳熱傳質(zhì)、燃燒效率和污染物生成等燃燒特性，成為研究湍流火焰的重要途徑［6］。平面激光誘導(dǎo)熒光（planar laser induced fluorescence，PLIF）技術(shù)是一種非接觸激光診斷技術(shù)，可以避免常規(guī)測量方法對火焰的干擾，使測量數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。該技術(shù)信號強(qiáng)，時(shí)空分辨率高，可獲得瞬時(shí)二維圖像，被廣泛應(yīng)用于火焰結(jié)構(gòu)的測量［7－10］。

本文將利用PLIF技術(shù)對典型煤氣化合成氣和煤裂解合成氣的湍流燃燒特性進(jìn)行在線測量研究。以真實(shí)比例氣體組分為基礎(chǔ)進(jìn)行工況設(shè)計(jì)，探討H2含量、CO／（CO＋CH4）相對比例和雷諾數(shù)對燃燒的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)研究采用的整個(gè)測量系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)分為供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、激光系統(tǒng)和信號收集系統(tǒng)4個(gè)部分。

圖1 合成氣湍流火焰OH－PLIF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic of OH－PLIF system setup

供氣系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)研究的合成氣通過配氣獲得，包含H2、CO、CH4、CO2、N2共5種組分，完全模擬實(shí)際合成氣的真實(shí)組成。每種成分的流量通過質(zhì)量流量計(jì)精確控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求的不同，對其中的對應(yīng)可燃組分（H2、CO、CH4）進(jìn)行調(diào)整。期間保證可燃組分總比例不變，以規(guī)避不可燃組分（CO2、N2）的稀釋作用對燃燒的影響。研究H2含量變化對燃燒的影響時(shí)，CO2和N2的比例保持不變，同時(shí)控制CO和CH4的相對比例一致。而在研究CO／（CO＋CH4）比例變化對燃燒影響時(shí)，保證H2、CO2、N2比例不變，只調(diào)整CO和CH4的相對比例，以規(guī)避H2和稀釋作用的影響。另外，還對一組典型煤裂解氣進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)的工況數(shù)據(jù)如表1和2所示。

表1 不同H2含量對應(yīng)的合成氣組成Table 1 Working condition list of different H2contents

表2 不同CO／（CO＋CH4）相對比例對應(yīng)的合成氣組成Table 2 Working condition of differentCO／（CO＋CH4）relative ratios

燃燒系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)沿用基于Mckenna burner改進(jìn)的平面火焰燃燒器。傳統(tǒng)McKenna burner作為燃燒領(lǐng)域的一款標(biāo)準(zhǔn)燃燒器，廣泛應(yīng)用于平面預(yù)混火焰的研究［11］，且形成的穩(wěn)定平面火焰常被用作光學(xué)測量的對照標(biāo)準(zhǔn)［12－13］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)采用的McKenna burner由美國Holthuis ＆Associates公司定制生產(chǎn)。為滿足中心射流的要求，改造后的燃燒器中心配有內(nèi)徑為2.3mm的射流管，周圍為平面層流伴流。氣體出口（射流管除外）由多孔黃銅一體化壓制而成，盤片直徑60mm。均勻細(xì)密的多孔設(shè)計(jì)在保證氣體均勻的同時(shí)還能避免回火的發(fā)生。合成氣／空氣預(yù)混氣體在流量計(jì)和燃燒器中間的管道中混合均勻再由中心射流管射出，達(dá)到湍流流動(dòng)狀態(tài)。外圍伴流分別為CH4－Air（研究H2含量變化時(shí)）和CO－O2－N2（研究CO比例變化時(shí)），可為射流火焰提供穩(wěn)定的著火環(huán)境。黃銅出口盤片內(nèi)側(cè)有冷卻水盤管分布，可以將盤片上的熱量迅速帶走從而平衡燃燒器表面的熱量，維持氣體初溫恒定，同時(shí)保證燃燒器的安全運(yùn)行。詳細(xì)介紹已于先前論文進(jìn)行闡述，詳見文獻(xiàn)［6］。

激光系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)采用PLIF技術(shù)進(jìn)行火焰中OH自由基的測量。激光源由美國Spectra－Physics公司生產(chǎn)的Nd：YAG激光器（型號PRO－250－10H）提供，用該激光器泵浦Continuum染料激光器（型號ND6000），再經(jīng)倍頻調(diào)整獲得實(shí)驗(yàn)所需的283nm波長激光。倍頻后的紫外激光經(jīng)過透鏡組形成厚度約200μm的激光薄片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。該頻率激光可激發(fā)OH Q1（8）吸收躍遷：A2∑＋←X2Π（1，0），信號收集系統(tǒng)接收OH自由基由激發(fā)態(tài)向基態(tài)A2∑＋→X2Π（0，0）輻射的熒光。

圖2 經(jīng)典Mckenna burner示意圖Fig.2 Schematic diagram of Mckenna burner

信號收集系統(tǒng)：激光激發(fā)OH自由基后產(chǎn)生的熒光信號由一臺像增強(qiáng)型CCD相機(jī)（ICCD）接收。該相機(jī)由美國Princeton公司生產(chǎn)，型號為PIMAX3，像素1024pixel×1024pixel。相機(jī)拍攝方位與光路垂直，拍攝頻率為10Hz，由激光器信號外觸發(fā)驅(qū)動(dòng)。在相機(jī)鏡頭上安裝窄帶濾波片（Andover 310FS10－50），并設(shè)定相機(jī)曝光時(shí)間為40ns，可有效規(guī)避激光散射和背景雜光的干擾，提高信噪比。

2 結(jié)果與討論

以典型的煙煤合成氣氣體組分為基礎(chǔ)進(jìn)行變化，驗(yàn)證了不同雷諾數(shù)、不同H2含量工況下火焰結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)還研究了不同CO／（CO＋CH4）相對比例下，合成氣湍流預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)特征，最后將實(shí)驗(yàn)推廣到典型裂解氣配比的工況并進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)采用的紫外激光經(jīng)過一焦距為－30mm的平凹柱面鏡和焦距為＋500mm的平凸球面鏡形成橫穿過火焰中心的激光薄片。薄片高度為70mm，用以測量火焰中OH自由基的二維分布。為了避免激光打在燃燒器表面產(chǎn)生散射對實(shí)驗(yàn)信號的影響，測量中激光片下端距離燃燒器出口2mm，每次可直接拍攝燃燒器出口上方2～72mm范圍內(nèi)的OH分布。雷諾數(shù)和H2含量變化的實(shí)驗(yàn)中，所采用的激光強(qiáng)度為8mJ／脈沖，CO／（CO＋CH4）相對比例變化的實(shí)驗(yàn)中激光能量為16mJ／脈沖，以保證獲得清晰的OH－PLIF圖像。

2.1 雷諾數(shù)對燃燒的影響

雷諾數(shù)是用以表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)，以Re表示：

其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與動(dòng)力黏度，L為其特征長度，實(shí)驗(yàn)用調(diào)整流速的方法改變雷諾數(shù)。雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動(dòng)狀態(tài)，影響著傳熱傳質(zhì)的過程。已有前人針對其影響方式進(jìn)行過研究，詳見文獻(xiàn)［14－15］。OH自由基是燃燒過程中產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物，分布于火焰峰面及燃燒產(chǎn)物區(qū)。根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理，燃燒過程由一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)完成，OH自由基增多將促進(jìn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生和傳播，從而加劇整個(gè)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。因此，實(shí)驗(yàn)可以引用OH自由基的分布作為燃燒強(qiáng)度的表征。實(shí)驗(yàn)采用不同的H2比例（工況1－6）進(jìn)行配比，研究了Re＝4× 103、8×103和1.2×104三個(gè)不同工況下的火焰結(jié)構(gòu)。文中取用25%H2（工況6）的數(shù)據(jù)，伴流火焰為CH4－Air層流預(yù)混火焰（CH4流量3L／min，空氣流量30L／min）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同雷諾數(shù)的火焰瞬時(shí)圖像（25%H2）Fig.3 Instantaneous OH－PLIF images of syngas flame for different Reynolds numbers（25%H2）

從圖中可以明顯地觀察到未燃區(qū)域和已燃區(qū)域的分界面，分界面很薄且多褶皺。對比三個(gè)不同雷諾數(shù)下的火焰，隨著流體雷諾數(shù)的增大，未燃區(qū)域高度的增加和火焰面褶皺程度的增加十分明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與何勇等人［6］文章中的數(shù)據(jù)是一致的。為進(jìn)一步了解雷諾數(shù)的作用，下文進(jìn)行了進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

圖4（a）和（b）分別為雷諾數(shù)對合成氣火焰結(jié)構(gòu)影響的OH－PLIF信號時(shí)均分布及脈動(dòng)強(qiáng)度圖像，此處采用的依舊是H2含量25%工況的數(shù)據(jù)。從圖像上可以明顯看到未燃區(qū)域隨雷諾數(shù)的增加而擴(kuò)大。進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理后，可得圖5，即時(shí)均圖最大OHPLIF信號值和脈動(dòng)最大值數(shù)據(jù)。隨著雷諾數(shù)的增大，火焰中OH自由基的最大濃度呈單調(diào)增大的趨勢。從Re＝4×103增大到1.2×104的過程中，時(shí)均最大OH－PLIF信號值由1677增強(qiáng)到1961，增幅為17%。而脈動(dòng)最大值由471增強(qiáng)到497，增幅5.5%。可見，雷諾數(shù)在強(qiáng)化合成氣燃燒的同時(shí)還增強(qiáng)了火焰脈動(dòng)特性。

圖4 不同雷諾數(shù)工況的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析圖像（25%H2）Fig.4 Statistic analysis for OH－PLIF images of syngas flame for different Reynolds numbers（25%H2）

圖5 不同雷諾數(shù)時(shí)均最大OH－PLIF信號值和脈動(dòng)最大值（25%H2）Fig.5 Maximum of OH－PLIF average signals and maximum pulsation intensity for different Reynolds numbers（25%H2）

2.2 H2含量對燃燒的影響

圖6 不同H2含量的火焰瞬時(shí)圖像（60m／s）Fig.6 Instantaneous OH－PLIF images of syngas flame for different H2contents（60m／s）

合成氣主要是以CO和H2為主要成分的混合氣體，其中H2含量的多少對合成氣燃燒特性有著至關(guān)重要的作用。圖6為同一流速（60m／s）下，不同氫氣含量的合成氣火焰瞬時(shí)OH－PLIF圖像。對比6個(gè)不同工況下的子圖圖像，正如何勇等在其文中討論的，在H2含量越高的工況下，在火焰上游產(chǎn)生的OH自由基就越多，即氫氣含量的增加促進(jìn)了火焰早期OH的生成［6］，OH自由基又促進(jìn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)從而加強(qiáng)了燃燒的劇烈程度。另外，從本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中也可以明顯看到，隨著H2含量不斷增大，中心射流未燃區(qū)域的直徑減小，高度也減小。隨著H2含量增加，燃燒中OH等自由基濃度增大，從而促進(jìn)了燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生和傳播，最終使得合成氣的燃燒速度隨H2含量的提高而增大，因此未燃區(qū)域明顯縮小。這表明高氫氣含量加強(qiáng)了火焰?zhèn)鞑?，縮短了火焰行程，對合成氣的充分燃燒十分有利。這些現(xiàn)象與何勇等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是一致的。

2.3 CO／（CO＋CH4）對燃燒的影響

實(shí)際合成氣中可燃成分除H2外，還含有CO、CH4等成分。而CO、CH4相對比例的變化同樣對合成氣燃燒特性存在顯著影響。圖7顯示的是相同雷諾數(shù)（Re＝8×103）下，不同CO／（CO＋CH4）相對比例工況時(shí)（工況7－12）合成氣湍流預(yù)混火焰的瞬時(shí)OH－PLIF圖像。此處采用的伴流火焰是CO－O2－N2層流預(yù)混火焰（其中CO流量8L／min，O2流量5L／min，N2流量5L／min），以避免含氫伴流火焰的產(chǎn)物H2O與射流中的CO發(fā)生（2）式所示的副反應(yīng)，產(chǎn)生額外的OH自由基。

由圖7可見，隨著混合氣體中CO相對比例由0%升到80%，中心射流未燃區(qū)域的高度呈單調(diào)減小的趨勢，火焰下游的OH－PLIF信號減弱。而隨著CO比例繼續(xù)增加到100%（此時(shí)合成氣中不含CH4），OH－PLIF信號減弱到背景水平，且未燃區(qū)域高度驟然增加到比無CO時(shí)更大的位置。這從側(cè)面表明CO比例對燃燒速度的影響是先促進(jìn)后抑制。即在達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)前，CO比例的升高加速混合氣燃燒，降低了到達(dá)火焰下游的未燃?xì)怏w量，使混合氣更易燃盡。在OH－PLIF圖像上表現(xiàn)為火焰高度降低，燃燒行程縮短，下游信號減弱。而在超過轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，由于H元素及OH自由基的缺失，火焰燃燒速度迅速下降，火焰被拉長。

圖7 不同CO／（CO＋CH4）相對比例的火焰瞬時(shí)圖像（60m／s）Fig.7 Instantaneous OH－PLIF images of syngas flame for different CO／（CO＋CH4）relative ratios（60m／s）

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析后，獲得不同CO比例時(shí)200幅湍流火焰OH－PLIF圖像的時(shí)均圖像，如圖8所示。圖9為不同CO比例下火焰時(shí)均OH－PLIF信號最大時(shí)均值變化曲線。圖中，當(dāng)CO比例從0%增大到80%時(shí)，OH－PLIF信號由1831緩慢減小到1411，而當(dāng)CO比例從80%增大到100%時(shí)，信號驟減到280。這是因?yàn)?，隨著CO比例的升高，CH4的含量逐漸減少，而CH4又是此時(shí)燃料中唯一含有H元素的組分，也就是OH自由基中H元素的唯一供體。因此，當(dāng)CO相對含量從0%增加到80%時(shí)，火焰中OH信號逐漸降低。但產(chǎn)生的OH自由基尚且能滿足與CO反應(yīng)的濃度需要，因此火焰行程縮短，利于燃燒。而當(dāng)CO相對比例接近100%時(shí)，圖像基本觀察不到OH自由基的存在，（2）式的反應(yīng)受到阻礙，不利于燃燒。

圖8 不同CO／（CO＋CH4）相對比例的火焰時(shí)均圖像（60m／s）Fig.8 Average signals for different CO／（CO＋CH4）relative ratios

圖9 不同CO／（CO＋CH4）相對比例OH－PLIF時(shí)均信號最大值（60m／s）Fig.9 Maximum average OH－PLIF signals for different CO／（CO＋CH4）relative ratios（60m／s）

2.4 典型煤裂解氣湍流火焰結(jié)構(gòu)分析

實(shí)驗(yàn)還利用OH－PLIF技術(shù)就典型煤裂解氣燃燒進(jìn)行了分析。其氣體組成如工況13所示，數(shù)據(jù)來自熱解技術(shù)書籍［16］原始數(shù)據(jù)的簡化。通過與實(shí)驗(yàn)工況1－12的對比，可以發(fā)現(xiàn)，裂解氣的H2含量為27.3，比較高，且CO／（CO＋CH4）相對比例13.0，有利于燃燒的充分發(fā)展。

圖10以典型的煤裂解氣成分為例，給出了不同雷諾數(shù)下湍流火焰結(jié)構(gòu)的OH－PLIF圖像?？v向?qū)Ρ葐畏鶊D像可見，OH－PLIF信號在上游處很弱，從約H＝2d處開始逐漸增強(qiáng)，在H＝8～12d區(qū)段達(dá)到最強(qiáng)，而后順著下游走又逐漸減弱，這一趨勢在水平最大信號圖中表現(xiàn)得更為明顯。分析其原因，是因?yàn)槌隹谔帤怏w處于吸熱著火階段，氣體內(nèi)部傳熱傳質(zhì)速率慢，燃燒不強(qiáng)烈導(dǎo)致產(chǎn)生的OH自由基較少，隨后傳熱傳質(zhì)不斷增強(qiáng)，直至大部分預(yù)混氣體燃盡，因此火焰下游OH自由基也較少。另外，激光片的能量縱向分布不均也可能對此造成影響。

對比左邊3幅圖像可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象：氣體流速從30、60至90m／s（對應(yīng)雷諾數(shù)4×103、8×103和1.2×104）的變化過程中，射流中間未燃區(qū)域的高度逐漸增加。相同管路和氣體比例條件下，雷諾數(shù)的增加，意味著氣體流速增大，總流量也隨即增大，相同時(shí)間段內(nèi)噴出的所有氣體燃盡所需的時(shí)間更長，在圖像上的反映就是未燃區(qū)域拉長。第二個(gè)現(xiàn)象是，隨著雷諾數(shù)的增大，火焰峰面的褶皺程度增加，且可觀察到的褶皺尺度更小更細(xì)致，這與我們上文中對于不同雷諾數(shù)下合成氣燃燒的分析是一致的。

圖10 不同雷諾數(shù)的裂解氣火焰瞬時(shí)圖像（60m／s）Fig.10 Instantaneous OH－PLIF images of pyrolysis syngas flame for different Reynolds numbers（60m／s）

為更好地了解燃燒的發(fā)展，本文還對60m／s工況組數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的火焰面密度分析?；鹧婷媸侵附橛谌紵髤^(qū)域和未燃區(qū)域間的反應(yīng)薄層，也就是燃燒化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的主要區(qū)域。在貧燃火焰中可以由其OH－PLIF圖像分析獲得［17］。在二維圖像中，定義火焰面密度：

其中，δA是無限小的面積，δL則是在無限小面積δA中的無限小火焰面長度。根據(jù)該定義進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，獲得火焰各個(gè)區(qū)域的火焰面密度和概率，可有效表征燃燒的發(fā)展情況。

從圖11（a）可以看到，由射流中心向四周發(fā)散，OH－PLIF信號經(jīng)過了先加強(qiáng)后減弱的歷程，其導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)兩次最值。其中射流邊緣處的是最大值，即我們需要的火焰面位置；火焰邊緣處的是最小值，即反應(yīng)產(chǎn)物與燃燒環(huán)境的交界面，此處應(yīng)省去。本文以射流中心為中心，以射流出口2mm為起點(diǎn)截取8mm× 70mm的信號，由MATLAB處理后得到的火焰面分布，如圖11（b）和（c）所示。將火焰面分布圖11（c）分解為0.2mm×0.2mm的控制微元，根據(jù)公式（3）可計(jì)算每一微元內(nèi)的火焰面密度。為使數(shù)據(jù)更具統(tǒng)計(jì)意義，后文出現(xiàn)的火焰面密度均來自200個(gè)單幅OH－PLIF圖像火焰面密度的平均數(shù)據(jù)。

圖11 火焰面處理流程圖Fig.11 Process flowchart for flame surface density analysis

圖12（a）和（b）分別為射流出口上方10mm和35mm處的水平線上火焰面密度分布圖。可見，火焰面集中分布在以射流中心為對稱軸的±2mm范圍內(nèi)。其中10mm處的分布圖在±1.5mm附近出兩個(gè)明顯的峰值，而35mm處的分布圖在±1.5mm之間達(dá)到最值，且顯示出無規(guī)律的平均分布，最大值約為圖12（a）的60%。這是因?yàn)榛鹧嫔嫌蝹鳠醾髻|(zhì)慢，與環(huán)境氣體的混合尚不均勻，火焰面位置較為固定，即在±1.5mm（接近于射流管半徑）處。當(dāng)火焰往下游發(fā)展到35mm，傳熱傳質(zhì)加強(qiáng)，出現(xiàn)了明顯的卷吸，再往下游甚至出現(xiàn)火焰面被攔腰截?cái)嗟木植肯ɑ鸷驮偃紖^(qū)域，如圖11（d）所示。發(fā)展到此時(shí)的火焰面位置分布極不穩(wěn)定，但仍控制在±2mm范圍內(nèi)，在±1.5mm區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大值并且分布較為均勻。

圖12 水平線上火焰面密度分布圖Fig.12 Flame surface density distributions in horizontal direction

此外，還針對射流軸向的火焰面分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖13所示。為更清晰地對比說明，此處引入了5%H2（工況2）的火焰面豎直分布情況，送氣速度同樣為60m／s。兩組數(shù)據(jù)均顯示，測量起始位置（射流出口上方2mm）火焰面密度均趨近于0，隨著火焰的發(fā)展，火焰面密度逐步增大到峰值，而后向下游發(fā)展又逐步減小直至0。兩組工況下火焰面密度都是從起測位置就開始增大的，其中工況2的最大值約是工況13最大值的1.5倍。通過兩組數(shù)據(jù)的對比可見，裂解氣的火焰面密度上升斜率較大，在20mm位置達(dá)到峰值而后緩慢減小，到45mm處已趨近于零。而工況2的火焰面密度在近50mm處才達(dá)到峰值，且在測量范圍內(nèi)沒有回落到近零的水平。說明，在裂解氣中，由于大量H2和CH4的存在，火焰上游反應(yīng)更迅速，更有利于混合氣的燃盡。

圖13 軸向火焰面密度分布圖Fig.13 Flame surface density distributions along the burner axis of 2different working conditions

3 結(jié) 論

利用OH－PLIF技術(shù)對典型煤氣化合成氣和裂解氣的湍流燃燒特性進(jìn)行了測量研究。結(jié)果表明，雷諾數(shù)、H2含量和CO／（CO＋CH4）相對比例的變化對合成氣燃燒過程都有顯著的影響。具體為：

（1）雷諾數(shù)從4×103增加到1.2×104的過程中，火焰高度增加、火焰面褶皺程度加深、OH信號和脈動(dòng)強(qiáng)度分別有17%和5.5%的增強(qiáng)，即雷諾數(shù)的增大有利于火焰中OH自由基的生成，同時(shí)也加強(qiáng)了火焰的脈動(dòng)特性。

（2）H2含量的增加使火焰未燃區(qū)域高度明顯下降，寬度變窄，同時(shí)使火焰上游自由基增多，下游自由基信號強(qiáng)度減弱。即H2含量的增加提高了混合氣燃燒速度，使之更易燃盡。

（3）CO／（CO＋CH4）相對比例的上升，因同時(shí)減少了CH4含量，導(dǎo)致OH自由基濃度單調(diào)下降。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前（0～80%工況），OH自由基濃度尚能滿足反應(yīng)需求，達(dá)到縮短火焰行程強(qiáng)化燃燒的效果。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后（80～100%工況），OH自由基濃度明顯不滿足反應(yīng)需求量，不利于燃燒。

（4）實(shí)驗(yàn)最后一部分將上述分析方法推廣到中熱值裂解氣。通過瞬時(shí)圖像、火焰面密度分析等手段對裂解氣火焰進(jìn)行研究，說明高H2和CH4含量都有利于合成氣上游燃燒的發(fā)展，高雷諾數(shù)則促進(jìn)了傳熱傳質(zhì)和燃燒反應(yīng)進(jìn)程，強(qiáng)化燃燒。這些現(xiàn)象同時(shí)也是對上文規(guī)律的很好印證。

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