丁士高，王關(guān)晴，徐玉龍，徐江榮

(杭州電子科技大學(xué)能源研究所，浙江 杭州 310018)

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多孔介質(zhì)中汽油著火特性研究

丁士高，王關(guān)晴，徐玉龍，徐江榮

(杭州電子科技大學(xué)能源研究所，浙江 杭州 310018)

在一種新型液體燃料多孔介質(zhì)燃燒裝置上，采用甲烷氣體燃燒預(yù)熱方式對(duì)汽油點(diǎn)火及汽油在多孔介質(zhì)中的著火特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.在討論甲烷氣體著火燃燒預(yù)熱啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，分析了汽油著火燃燒的啟動(dòng)過(guò)程，探討了汽油啟動(dòng)著火溫度分布與污染物排放的穩(wěn)定性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，甲烷能夠快速著火燃燒，預(yù)熱多孔介質(zhì)燃燒室，并形成穩(wěn)定的預(yù)熱溫度分布；霧化后的汽油液滴能夠在預(yù)熱后的多孔介質(zhì)中迅速著火燃燒，燃燒溫度逐漸升高，污染物排放逐漸降低，并最終形成穩(wěn)定的溫度分布和污染物排放，驗(yàn)證了汽油能夠在多孔介質(zhì)內(nèi)的穩(wěn)定燃燒.

多孔介質(zhì)燃燒；液體燃料；著火特性

0 引 言

液體燃料在多孔介質(zhì)中燃燒，多孔介質(zhì)能很好地促進(jìn)燃油的蒸發(fā)，從而形成可燃混合氣，減少燃料的不完全燃燒.混合氣在多孔介質(zhì)中的預(yù)混合燃燒可以大幅度提高燃燒效率和熱利用率，顯著擴(kuò)展燃燒極限，火焰穩(wěn)定性明顯提高，污染性尾氣的排放量大大降低[1-3].文獻(xiàn)[4]的實(shí)驗(yàn)表明，在燃燒器內(nèi)布置多孔介質(zhì)有效地增加了燃燒效率，改善了燃燒工況.文獻(xiàn)[5]的燃用正庚烷多孔介質(zhì)燃燒器實(shí)驗(yàn)表明，噴射霧化型多孔介質(zhì)燃燒可獲得良好的混合效果，在當(dāng)量比為0.57～0.67時(shí)，燃燒達(dá)到穩(wěn)定且污染物排放得到顯著改善.文獻(xiàn)[6]認(rèn)為液體燃料霧化效果的好壞是能否獲得穩(wěn)定高效多孔介質(zhì)燃燒的關(guān)鍵，尤其是燃料汽化潛熱較高的情況下，霧化液滴的大小對(duì)燃燒效果有著顯著的影響.文獻(xiàn)[7]的研究表明，燃油噴嘴位置很大程度地影響了燃燒污染物排放，當(dāng)噴嘴距多孔介質(zhì)的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，油滴與空氣可以很好地混合并得到充分蒸發(fā)，顯著改善了污染物排放.文獻(xiàn)[8]建立的實(shí)驗(yàn)分別研究了噴油量不同、空氣流量不同、預(yù)熱溫度不同等因素對(duì)多孔介質(zhì)燃燒的影響.本文在一種新型液體燃料多孔介質(zhì)燃燒實(shí)驗(yàn)裝置上[9]，利用甲烷燃燒預(yù)熱多孔介質(zhì)燃燒器后形成穩(wěn)定的汽油著火溫度分布，對(duì)汽油的著火燃燒穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究，分析了不同時(shí)間下各測(cè)點(diǎn)溫度變化和溫度分布情況，以及燃燒污染物排放的穩(wěn)定性，為探索多孔介質(zhì)內(nèi)液體燃料的高效清潔燃燒提供了研究基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

新型液體燃料多孔介質(zhì)燃燒裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括5個(gè)部分，分別是供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、多孔介質(zhì)燃燒主體、流量控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).供油系統(tǒng)主要是由油箱、液體泵、壓力表、噴嘴等部件組成；供氣系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、空氣儲(chǔ)罐、甲烷氣瓶、減壓閥等部件組成.液體燃料多孔介質(zhì)燃燒器是本實(shí)驗(yàn)的核心部分，主要是由多孔介質(zhì)預(yù)混室、蒸發(fā)氣化室、燃燒蓄熱室等部分組成.流量控制系統(tǒng)是通過(guò)質(zhì)量流量控制器(七星電子)來(lái)實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)、二次風(fēng)、甲烷氣的流量調(diào)節(jié)與顯示控制.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括溫度采集和煙氣成分采集，溫度采集主要是利用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀對(duì)熱電偶的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集，溫度測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，煙氣成分采集主要是通過(guò)HORIBA PG-350對(duì)煙氣成分進(jìn)行在線監(jiān)測(cè).

圖1 多孔介質(zhì)燃燒裝置系統(tǒng)圖

圖2 各溫度測(cè)點(diǎn)分布

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)通過(guò)向常溫燃燒器內(nèi)通入甲烷氣體進(jìn)行點(diǎn)火的冷態(tài)啟動(dòng)和在甲烷氣體著火并穩(wěn)定燃燒后，對(duì)汽油進(jìn)行預(yù)熱點(diǎn)火的啟動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行汽油在新型液體燃料多孔介質(zhì)燃燒裝置中的著火啟動(dòng)特性的研究.

將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通電，打開(kāi)質(zhì)量流量控制器及流量顯示儀電源，使其預(yù)熱時(shí)間至少15 min，并進(jìn)行調(diào)零，同時(shí)打開(kāi)HORIBA PG-350便攜式煙氣分析儀，使其預(yù)熱時(shí)間至少30 min；打開(kāi)與Agilent數(shù)據(jù)采集儀相連的計(jì)算機(jī)并打開(kāi)軟件進(jìn)行掃描通道以及數(shù)據(jù)采樣時(shí)間的設(shè)定，在線顯示并檢查各參數(shù)指示值；在各儀器正常工作狀態(tài)下，打開(kāi)高壓甲烷氣鋼瓶向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)中通入甲烷氣體并接通電子點(diǎn)火器，待甲烷著火后，調(diào)節(jié)流量顯示儀控制一次風(fēng)、二次風(fēng)流量和甲烷氣的流量，從而改變當(dāng)量比的值.在甲烷氣進(jìn)入到燃燒器時(shí)點(diǎn)火，同時(shí)開(kāi)啟軟件和HORIBA PG-350便攜式煙氣分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.待甲烷氣體穩(wěn)定燃燒后，停止供應(yīng)甲烷氣，打開(kāi)液體泵向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)中通入霧化汽油，調(diào)節(jié)流量顯示儀控制一次風(fēng)、二次風(fēng)流量，將汽油量調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)工況下的流量，進(jìn)行霧化汽油的著火燃燒實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 甲烷著火預(yù)熱啟動(dòng)特性研究

圖3 甲烷點(diǎn)火升溫曲線

甲烷點(diǎn)火升溫曲線如圖3所示.實(shí)驗(yàn)記錄了通過(guò)電子點(diǎn)火器點(diǎn)火使甲烷著火燃燒后的各測(cè)點(diǎn)溫度隨點(diǎn)火時(shí)間的變化情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持甲烷和空氣的進(jìn)氣量不變，通過(guò)計(jì)算得出此時(shí)當(dāng)量比為0.97，流速為0.55 m/min.從圖3可知，點(diǎn)火后，各測(cè)點(diǎn)溫度迅速升高，并迅速超過(guò)650 ℃(甲烷著火溫度，說(shuō)明甲烷能夠?qū)崿F(xiàn)快速著火，表明燃燒開(kāi)始，隨著燃燒時(shí)間增加，按照各測(cè)點(diǎn)溫度到達(dá)最高值的迅速，可以明顯看出燃燒火焰逐漸向上游傳播).

圖4(a)為甲烷預(yù)熱溫度分布情況，記錄了各測(cè)點(diǎn)溫度分布情況，待上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相當(dāng)時(shí)間，燃燒火焰?zhèn)鞑サ缴嫌魏?，為了得到甲烷在不同?dāng)量比情況下的燃燒效果，實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)甲烷進(jìn)氣量以及空氣的流量來(lái)進(jìn)行，得出此時(shí)當(dāng)量比為0.73，流速為0.46 m/min.圖4(b)為該情況下的煙氣濃度排放情況.圖4來(lái)源于HORIBA PG-350便攜式煙氣分析儀檢測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).圖4中，改變當(dāng)量比后，隨著溫度向燃燒器上游部位移動(dòng)，最佳燃燒區(qū)的溫度上升很快，并且形成穩(wěn)定的預(yù)熱溫度分布，說(shuō)明甲烷啟動(dòng)可以預(yù)熱燃燒室.隨著燃燒逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，CO2，NOx以及CO的含量逐漸減少并且在某一值后達(dá)到穩(wěn)定，CH4和O2的濃度也基本維持在某一值范圍內(nèi)，說(shuō)明在燃燒工況不變情況下煙氣成分達(dá)到一定，燃燒已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定.

2.2 汽油著火特性研究

停止向燃燒室內(nèi)通入甲烷，開(kāi)啟液體泵，并向燃燒室內(nèi)通入霧化汽油后，隨著汽油燃燒過(guò)程的進(jìn)行，各測(cè)點(diǎn)溫度分布情況如圖5所示.為了確定汽油的霧化效果，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先進(jìn)行汽油霧化實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)汽油流量為0.053 g/s時(shí)霧化效果最佳，調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)流量，計(jì)算得到此時(shí)當(dāng)量比為2.7.從圖5可知，一階段是汽油啟動(dòng)階段，汽油從霧化噴嘴噴出后可以實(shí)現(xiàn)迅速著火；二階段是汽油燃燒階段，該階段溫度迅速升高；三階段是汽油燃燒穩(wěn)定階段，隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，溫度迅速升高后，燃燒已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并且形成較高溫度分布.

噴入汽油后的燃燒污染物排放情況如圖6所示，圖6來(lái)源于HORIBA PG-350便攜式煙氣分析儀檢測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).從圖6中可知，汽油啟動(dòng)階段，隨著汽油迅速著火燃燒后，甲烷的含量迅速降低直至消耗完全，此階段燃燒過(guò)程不穩(wěn)定，所以CO2，NOx以及CO的含量變化范圍偏大.隨著汽油燃燒過(guò)程的進(jìn)行，NOx，CO和CO2的排放濃度降低.隨著汽油燃燒逐漸達(dá)到穩(wěn)定階段，燃燒污染物排放達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

圖5 噴入汽油后各測(cè)點(diǎn)溫度變化

圖6 噴入汽油后各煙氣污染物排放濃度變化

3 結(jié)束語(yǔ)

為探索汽油在多孔介質(zhì)中的著火特性，本文將汽油在新型液體燃料多孔介質(zhì)燃燒實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：甲烷能夠迅速著火，并開(kāi)始燃燒，隨著燃燒時(shí)間增加，甲烷燃燒火焰逐漸向上游傳播，預(yù)熱溫度和污染物排放逐漸趨于穩(wěn)定；汽油霧化液滴能夠在預(yù)熱多孔介質(zhì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)迅速著火，各點(diǎn)溫度迅速升高，并逐漸趨向于穩(wěn)定；CO，CH等污染物排放在汽油啟動(dòng)時(shí)迅速升高，隨后逐漸降低，并逐漸到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，形成穩(wěn)定燃燒，為深入研究液體燃料在多孔介質(zhì)中的高效清潔燃燒提供基礎(chǔ).

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Research on Gasoline Ignition Characteristics in Porous Medium

DING Shigao, WANG Guanqing, XU Yulong, XU Jiangrong

(InstituteofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The ignition characteristics of the gasoline were experimentally investigated in a novel type of the liquid fuel combustion device by preheating the combustion chamber with the methane gas combustion. Based on discussing the preheating process of the methane combustion, the ignition of the gasoline was analyzed, the stability of the testing temperatures and the emissions were confirmed. The results showed that the methane combustion could be ignited fast, preheated the porous media combustion chamber, and formed a stable preheating temperature profiles. The spray droplet of the gasoline was ignited fast in the preheated porous burner. The combustion temperatures gradually increase, the emissions gradually reduce, and the stable temperature profiles and emissions are finally obtained, which confirms the feasibility of the gasoline combustion in porous media.

porous media combustion; liquid fuel; ignition characteristics

10.13954/j.cnki.hdu.2016.06.014

2015-12-03

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY15E060007，Y1090313)

丁士高(1990-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，多孔介質(zhì)燃燒技術(shù).通信作者：王關(guān)晴副教授，E-mail：gqwang@hdu.edu.cn.

TK16

A

1001-9146(2016)06-0066-05