姚彥伊，王業(yè)峰，楊衛(wèi)娟，趙慶辰，周俊虎，程 軍

（浙江大學熱能工程研究所，杭州 310027）

0 前 言

微加工技術的進步極大促進了能源系統(tǒng)的小型化，微尺度燃燒系統(tǒng)以其體積小、能量密度高、供能時間長等優(yōu)點受到了國內外的廣泛關注，在航空航天、軍事、生活等方面都有廣泛應用前景[1-3]。但由于微尺度燃燒器的尺度小，燃料和氧化劑在燃燒室的駐留時間很短，燃料完全燃燒困難；同時，由于面容比大，散熱損失大，火焰難以穩(wěn)定，容易熄火[4-6]。針對如何在微尺度條件下實現燃料持續(xù)穩(wěn)定燃燒的問題，很多學者進行了相關研究[7-11]。平板燃燒器結構相對簡單，制造裝配相對容易，目前已有較多研究[12-16]。

TANG等[17]研究了甲烷、丙烷和氫氣三種燃料的燃燒特性，發(fā)現甲烷的壁溫分布最均勻，平均壁溫最高；甲烷的最小可燃通道高度為2.5 mm，丙烷為2 mm。MIHAI等[18]發(fā)現添加水會抑制丙烷的氧化過程，氫再生會促進丙烷的氧化，而對 CO氧化的影響卻相反。VINCENT等[19]對乙烷/O2/N2混合物在 Pt催化下的表面和氣相反應相互作用進行了研究，發(fā)現異相反應對于反應穩(wěn)定性至關重要，并有助于形成C2H4。熊鵬飛等[20]提出并構建了H2和C1～C4烷烴燃料在Pt表面上的詳細催化反應機理，經過模擬驗證此機理能夠有效地反映上述燃料的主要催化著火和催化燃燒特征，并可以對整個著火與燃燒過程進行動力學分析。

本文采用不銹鋼和石英材料制作的平板式微燃燒器，在內表面布置金屬鉑片，分別進行甲烷、乙烷、丙烷、丁烷與空氣的預混氣體的催化燃燒實驗，從火焰動態(tài)、火焰特性、自由基等多方面探討其燃燒性能，分析碳鏈長度等分子結構改變對微尺度催化著火及燃燒的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括供氣系統(tǒng)、微燃燒器、測量設備、數據采集系統(tǒng)，圖中實線為氣路，虛線為信號電路。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 1 The experimental system

甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、空氣（21% O2＋79% N2）的流量由七星華創(chuàng)CS-200系列質量流量計來控制，精確度 ±1.0%。采用光柵光譜儀（卓立）對燃燒器內不同波長輻射強度進行測量。利用ALLIED高頻相機（400幀）對平板燃燒器內的燃燒情況進行記錄，利用探針在燃燒器內距出口 4 mm處進行氣體取樣，然后送入氣相色譜儀（Agilent 7890B, USA），采用氣體分析方法對尾氣中H2、CO、CO2、CH4、C2H4和N2的含量進行精確測量。

1.2 燃燒器及燃料參數

平板燃燒器由不銹鋼制成，如圖2所示。進氣口為方形，進氣間距為1.08 mm，燃燒室尺寸為70 mm × 20 mm × 2.62 mm，壁厚為0.5 mm。兩處內表面在燃燒器入口處貼壁放置一塊30 mm長的金屬鉑片，在側面觀察火焰及燃燒情況。

圖2 微型燃燒器結構示意圖Fig. 2 The micro-scale combustor

甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷物性參數見表1[21]。

表1 燃料物性參數Table 1 Physical properties

2 結果與討論

2.1 動態(tài)火焰

在不同當量比（Φ =0.9、1、1.1）和定流速（v =0.75 m/s）的工況下分別進行甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷的催化燃燒實驗，用高頻相機觀察點火過程火焰的振蕩和穩(wěn)定圖像。圖3為丙烷在Φ= 0.9、1.1，v= 0.75 m/s條件下點火火焰的圖像。從圖3中可以看到，隨著當量比增加，火焰亮度逐漸增大，燃燒強度增強。整個點火過程可以分為3個階段：著火階段、火焰?zhèn)鞑ルA段和穩(wěn)定階段。在0 ～ 5.18 ms時為著火階段，預混氣接受熱量達到著火點后開始燃燒，火焰出現在點火針處；接著火焰開始分別向氣流上游方向及氣流下游方向傳播，同時火焰區(qū)域變大，在時間t= 18.13 ms時傳播到燃燒室出口，這是火焰擴散階段；在t= 18.13 ms后達到穩(wěn)定，這是火焰穩(wěn)定階段。

圖3 v = 0.75 m/s時丙烷點火火焰動態(tài)圖像Fig. 3 Dynamic images of the ignition of propane at v = 0.75 m/s

甲烷、乙烷和丁烷的火焰圖像及點火過程與丙烷類似。當量比相同時，4種燃料中，甲烷的火焰亮度最低，燃燒強度最弱；而丙烷在當量比Φ= 1.1時火焰亮度最高，燃燒強度最強。根據4種燃料不同當量比下的點火過程動態(tài)圖像，對火焰前鋒位置進行測量，得到了不同燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當量比的變化圖像，如圖4所示。從圖中可以看出，同一種燃料，隨著當量比增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之增大，這與胡二江[21]等的研究結果相符。甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷的層流燃燒速度都在當量比為 1.1左右呈現最大值，當量比超過 1.1之后燃燒速度開始隨當量比增大而減??；而當量比相同時，乙烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?種燃料中最高，與燃料層流火焰速度大小一致（表1），火焰?zhèn)鞑ニ俣葹橐彝?＞ 丁烷 ＞甲烷 ＞ 丙烷，與層流火焰速度大小相比，甲烷由速度最小變?yōu)榇笥诒椋@可能是由于Pt催化劑雖然能夠促進丙烷和正丁烷的低溫燃燒，但對于碳鏈的熱解并沒有發(fā)揮作用[24]，因此在催化作用下，甲烷的燃燒速度超過了丙烷。

圖4 不同燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當量比變化圖像Fig. 4 The flame propagation velocity changes with equivalence ratio of different fuels

2.2 穩(wěn)態(tài)火焰

為比較不同條件下火焰中自由基的濃度分布，在不同當量比（Φ =0.9、1、1.1）工況下，對甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷燃燒火焰分別加430 nm、516 nm濾鏡進行拍照，得到火焰亮度圖像如圖5所示。

添加430 nm和516 nm濾鏡的火焰圖像分別對應 CH*和 C2*濃度分布，觀察同種燃料在同一濾鏡下的對比圖像發(fā)現，當量比越大，火焰亮度越大，狹縫間 CH*和 C2*濃度越大；相同當量比，觀察不同燃料添加 430 nm濾鏡的火焰圖像發(fā)現，火焰中CH*濃度為：正丁烷 ≈ 丙烷 ＞ 乙烷 ＞ 甲烷；觀察不同燃料添加516 nm濾鏡的火焰圖像發(fā)現，火焰中C2*濃度為：丙烷 ＞ 正丁烷 ＞乙烷 ＞ 甲烷；相同當量比，乙烷火焰穩(wěn)定位置最接近進氣口（由下往上進氣）；宋旭東等[22]對甲烷的自由基輻射特性進行了研究，同樣發(fā)現隨著當量比增加，CH*濃度增加，在Φ＜ 1.1 時CH*濃度相對增加緩慢，而隨著Φ的繼續(xù)增大CH*濃度迅速增加。RENLUND等[23]認為，不同當量比下自由基濃度變化主要是由于自由基產生途徑發(fā)生了變化，在氧氣過量時主要發(fā)生 CH2*與O2的反應。

火焰正常拍攝照片在尾部都存在一個拖尾（如圖5“dark”圖像所示），分別加上430 nm和516 nm濾鏡后拖尾消失（如圖5“430 nm”和“516 nm”所示），其中乙烷和正丁烷的實際火焰圖像與430 nm濾鏡火焰圖像差別很大，說明乙烷和正丁烷燃燒時火焰后部CH*濃度很小。430 nm與516 nm火焰圖像在邊緣附近亮度較淺，推測可能是催化壁面對自由基的吸附造成的，氣相中的CH*與C2*被壁面吸附并參與表面反應，使得壁面附近的自由基濃度降低。

同燃料穩(wěn)態(tài)火焰位置數據如圖6所示。觀察圖6a發(fā)現，隨著當量比增大，4種燃料的火焰根部位置向氣流方向上游移動。分析其原因，可能是由于當量比增大，燃料分子數目增多，從而使著火位置靠前；觀察不同燃料不同當量比下的火焰高度，如圖6b所示，隨著當量比增大，甲烷與乙烷火焰高度降低，而丙烷與丁烷火焰高度變化不大，原因可能是由于當量比增大，氧氣濃度相對減小，發(fā)生氧化反應的范圍減小，因此甲烷與乙烷火焰高度降低，而當量比增大時，丙烷與丁烷的分解速度加快，因此火焰高度基本不變。

圖5 穩(wěn)態(tài)火焰圖像（v = 0.75 m/s；430 nm：CH*；516 nm：C2*）Fig. 5 Flame image at steady state（v = 0.75 m/s; 430 nm: CH*; 516 nm: C2*）

圖6 不同燃料穩(wěn)態(tài)火焰位置Fig. 6 Flame position of different fuels at steady state

2.3 自由基

采用光柵光譜儀，高壓1 000 V測得不同燃料在不同當量比工況下在310 nm、430 nm和516 nm所得數據如表2所示?？梢钥闯?，同一種燃料燃燒時，隨著當量比增大，310 nm、430 nm和516 nm的輻射強度都增大，即OH*、CH*、C2*濃度均增大。當量比相同時，乙烷的自由基濃度在4種燃料中最高，甲烷與丙烷自由基濃度較低。單獨分析每一種燃料，甲烷OH*濃度最高，C2*濃度最低；乙烷、丙烷和丁烷都是OH*、CH*濃度較高，C2*濃度最低。這些與氣相燃燒中釋放的自由基以及催化劑表面吸附的自由基數目相關。

表2 310 nm（OH*濃度）、430 nm（CH*濃度）和516 nm（C2*濃度）光柵光譜儀輻射強度Table 2 Radiation intensity of 310 nm (OH*), 430 nm (CH*) and 516 nm (C2*)

3 結 論

通過對甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷在微型平板燃燒器中的鉑片催化燃燒實驗研究，得到以下結論：

（1）觀察到燃料/空氣微平板催化燃燒的點火過程分為點火、傳播、穩(wěn)定三個階段。同一種燃料，隨著當量比增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之增大，當量比Φ＞1.1之后，燃燒速度開始隨當量比增大而減??；而當量比相同時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹橐彝?＞ 丁烷 ＞ 甲烷 ＞ 丙烷。

（2）隨著當量比增大，燃料的穩(wěn)態(tài)火焰根部位置向氣流上游移動?；鹧媪炼仍酱螅瑢θ紵曳謩e添加430 nm、516 nm濾鏡后觀察火焰發(fā)現，同一種燃料，當量比越大，相應的CH*、C2*濃度越高。與不加濾鏡相比較，加濾鏡后的火焰圖像在邊緣附近亮度較淺，這是壁面對自由基的吸附反應造成的。

（3）采用光柵光譜儀分析發(fā)現，當量比相同時，乙烷的OH*、CH*和C2*濃度在4種燃料中是最大的，而甲烷和丙烷的則較小。甲烷中，OH*濃度最大，乙烷、丙烷和丁烷則主要是 OH*、CH*。這與氣相燃燒中釋放的自由基及催化劑表面吸附的自由基數目有關。