陳珊珊

（河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066100）

燃燒三要素包括可燃物、氧化劑和點(diǎn)火源，其中可燃物的類(lèi)型和特性在很大程度上決定了燃燒的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。大部分液體和固體燃料不能直接燃燒，而是先受熱分解成可燃?xì)怏w再燃燒，復(fù)雜氣體燃料通常也要先分解成簡(jiǎn)單氣體。很多常用燃料如汽油、煤油、柴油等，都是石油經(jīng)過(guò)煉制得到的復(fù)雜烴類(lèi)混合物；森林荒地火災(zāi)中植被熱降解得到氣體混合物，主要成分是CO、CO2、甲烷及其他低碳烴類(lèi)；建筑火災(zāi)中各種高分子材料的熱解產(chǎn)物主要由CO、CO2、H2 及各種低碳烷烴和不飽和烴類(lèi)組成。因此，混合燃燒現(xiàn)象普遍存在于實(shí)際燃燒過(guò)程中。

另一方面，混合燃燒也是改善貧燃燃燒特性的一種有效方法。在全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和能源大量消耗的今天，能源危機(jī)問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。因此，提高能源效率、實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)利用已被眾多研究者提上日程。貧燃技術(shù)被許多學(xué)者認(rèn)為是能夠滿足各方面需求的一種有效手段，可以大大減少燃料消耗和污染物排放。然而，這一技術(shù)仍有部分問(wèn)題亟待解決：燃燒穩(wěn)定性會(huì)由于燃料不足受到影響，拉伸過(guò)程和熱損失可能引起局部熄火。這些問(wèn)題限制了貧燃技術(shù)的應(yīng)用和推廣，而混合燃燒是解決這些問(wèn)題的有效方法之一。

一、研究手段

混合燃燒的研究手段主要包括實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。研究初期受限于計(jì)算機(jī)硬件條件，以實(shí)驗(yàn)方法為主。但是全尺寸實(shí)驗(yàn)在很多情況下難以實(shí)現(xiàn)，通常需要大量的準(zhǔn)備工作，實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資高且耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，燃燒產(chǎn)物中的毒性物質(zhì)也容易對(duì)操作人員造成傷害，導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)無(wú)法得到有效提取，限制了相關(guān)研究的開(kāi)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)燃燒規(guī)律的深入了解，數(shù)值模擬逐漸成為研究混合燃燒問(wèn)題的一個(gè)有效手段。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬，可以在工況較多的情況下快速獲得有效數(shù)據(jù)，具有成本低、周期短、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠順利提取研究所需的大量資料。近些年來(lái)很多學(xué)者在研究過(guò)程中將兩種方法有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，取得了一系列的進(jìn)展。

二、研究進(jìn)展

（一）簡(jiǎn)單燃料研究

早期的混合燃燒研究以簡(jiǎn)單碳?xì)淙剂蠟橹饕獙?duì)象，通過(guò)對(duì)于典型低碳?xì)淙剂系幕旌先紵匦院突鹧娼Y(jié)構(gòu)的研究為復(fù)雜燃燒機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。甲烷作為天然氣的主要成分，因?yàn)樽陨淼奶厥鈨?yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的清潔能源之一，在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中都得到了廣泛的應(yīng)用。然而另一方面，甲烷的利用也遇到了一些問(wèn)題，如熱效率低和貧燃性能差。甲烷貧燃能夠有效降低氮氧化物排放，但在應(yīng)用中存在兩個(gè)缺點(diǎn)——層流燃燒速度明顯降低，熄火可能性增加。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，相關(guān)研究人員進(jìn)行了很多嘗試，發(fā)現(xiàn)一種有效方法是采用燃料添加劑，即將甲烷與其他燃燒速度快、火焰穩(wěn)定性好的燃料混合。重整氣被證明是一種很好的添加劑。由于重整氣主要由H2、CO和N2 組成，因此相關(guān)人員對(duì)于重整氣以及H2和CO 各自的作用進(jìn)行了廣泛研究。

Yu 等學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了含氫和不含氫的條件下碳?xì)浠衔?空氣混合物的層流火焰速度，結(jié)果表明，H2 添加顯著提高了火焰速度。Coppens 研究了甲烷/氫氣/氧氣/氮?dú)鈱恿黝A(yù)混火焰中組分對(duì)燃燒速度和NO 生成的影響，證明了隨著H2的富集，NO 濃度顯著降低。Guo 等學(xué)者研究了重整氣富集對(duì)甲烷/空氣預(yù)混對(duì)沖火焰的熄火極限和氮氧化物生成的影響，發(fā)現(xiàn)重整氣添加貧燃預(yù)混燃燒的顯著優(yōu)勢(shì)是：通過(guò)允許燃燒器在燃料更稀薄的條件下工作而對(duì)可燃范圍沒(méi)有任何影響，從而大大減少了NO的生成。此外上海市消防總隊(duì)的馬哲等人針對(duì)丙烷和H2 混合氣體燃燒的火焰特征開(kāi)展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著混合氣體中丙烷氣體組分的比例不斷下降，混合燃燒的平均火焰高度逐漸下降[1]。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為我國(guó)火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域唯一的國(guó)家級(jí)研究機(jī)構(gòu)，在混合燃燒領(lǐng)域取得了較多成果。陳文婷等人研究了貧燃條件下CO 含量對(duì)CH4/CO/空氣預(yù)混火焰的層流燃燒速度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃料中加入更多CO時(shí)，層流燃燒速度下降。為了分析其原因，進(jìn)一步研究了層流燃燒速度和H+OH 峰值濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)H+OH 峰濃度隨著CO 含量的增加呈線性下降，這一趨勢(shì)與層流燃燒速度的趨勢(shì)很好地吻合。同時(shí)，增加CO的含量可以顯著降低氮氧化物的排放，通過(guò)研究NO的形成機(jī)理，并測(cè)定相應(yīng)的生成反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)NO 濃度隨著CO的富集顯著降低，產(chǎn)生速率也明顯降低。此外,利用數(shù)值模擬求解火焰徑向拉伸率,深入分析燃料中添加CO時(shí)拉伸率對(duì)貧燃火焰穩(wěn)定性的影響，計(jì)算得到熄火拉伸率發(fā)現(xiàn)燃料中CO的加入在一定程度上提高了其貧燃極限[2]。

作者曾對(duì)常溫常壓下不同乙烯含量的甲烷/乙烯/空氣貧燃預(yù)混火焰進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了乙烯添加對(duì)無(wú)拉伸層流燃燒速度、火焰結(jié)構(gòu)和火焰穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著乙烯含量的增加，層流燃燒速度增大，且在當(dāng)量比較大時(shí)，這種效應(yīng)更加明顯。進(jìn)一步研究分析產(chǎn)生這一結(jié)果的原因主要有兩個(gè)方面：一是乙烯添加越多，火焰中H、O和OH 濃度越高，燃燒效果越好，層流燃燒速度與反應(yīng)區(qū)最大H+OH 濃度呈線性相關(guān)；二是隨著乙烯含量的增加，絕熱火焰溫度升高，反應(yīng)發(fā)生的臨界溫度降低，能夠促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。代表火焰穩(wěn)定性的Markstein 長(zhǎng)度和Markstein 數(shù)隨著乙烯添加量的增加而增大，表明隨著乙烯含量的增加，火焰穩(wěn)定性得到提高[3]。

（二）復(fù)雜燃料研究

隨著實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的完善和模擬技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)復(fù)雜燃料的研究也越來(lái)越多?；馂?zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的董清麗等人采用數(shù)值模擬方法對(duì)最典型的不飽和烴/復(fù)雜非烴類(lèi)氣——乙烯/甲基醚混合燃料的燃燒特性進(jìn)行研究，重點(diǎn)考察混合比率對(duì)點(diǎn)火延遲和層流燃燒速度的影響，并結(jié)合敏感性分析其原因。結(jié)果表明，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨溫度的升高而減小，不同溫度下混合比率對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響不同。在較高的溫度下加入甲基醚可以減少點(diǎn)火延遲時(shí)間，特別是當(dāng)添加量較小時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化率較大；當(dāng)混合比率大于20%時(shí)，甲基醚的加入對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響小于5%。層流燃燒速度隨甲基醚含量的增加而降低，且在混合比率較小時(shí)，甲基醚的加入對(duì)層流燃燒速度的抑制作用更為明顯[4]。

徐武等人采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了幾種鹵代烷作為阻燃劑對(duì)預(yù)混和非預(yù)混碳?xì)浠鹧娴挠绊懀瑴y(cè)定了一定當(dāng)量比范圍內(nèi)添加不同含量的C2HF5（HFC-125）、C2HF3Cl2（HCFC-123）和C3H2F3Br（2-BTP）時(shí)，甲烷/空氣火焰和丙烷/空氣火焰的無(wú)拉伸火焰速度和熄火拉伸率。實(shí)驗(yàn)使用對(duì)沖火焰平臺(tái)，在常溫常壓下進(jìn)行；模擬所用的動(dòng)力學(xué)模型是基于C1-C4 碳?xì)淠Ｐ秃鸵种谱幽Ｐ投_(kāi)發(fā)的。通過(guò)將模擬結(jié)果與測(cè)量的火焰速度和熄火拉伸率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者在層流火焰速度方面具有很好的一致性；對(duì)于非預(yù)混火焰的熄火拉伸率，雖然模擬準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了其隨著燃料摩爾比的增加而增加的趨勢(shì)，但得到的絕對(duì)數(shù)據(jù)偏高，即計(jì)算結(jié)果低估了抑制劑在擴(kuò)散火焰中的滅火性能。對(duì)火焰速度研究發(fā)現(xiàn)抑制劑效力主要受到預(yù)混火焰當(dāng)量比和抑制劑添加量的影響。C2HF3Cl2在所有研究的混合條件下都降低了火焰速度。但是貧燃條件下，C2HF5和C3H2F3Br 在低添加量時(shí)對(duì)火焰速度有抬升現(xiàn)象，表明抑制劑在該條件下的滅火作用是失效的，原因在于貧燃條件下抑制劑的添加導(dǎo)致了絕熱火焰溫度的上升，抑制劑本身的燃料性（化學(xué)式中含C和H）雖然很低但不能忽略。當(dāng)燃料增多進(jìn)入富燃條件時(shí)，抑制劑通過(guò)自由基捕獲和自由基催化重整循環(huán)等化學(xué)抑制作用降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋藭r(shí)的絕熱火焰溫度也隨著抑制劑的添加而不斷降低[5]。

三、總結(jié)

燃燒三要素中可燃物的類(lèi)型和特性在很大程度上決定了燃燒的的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程?；旌先紵F(xiàn)象普遍存在于實(shí)際燃燒過(guò)程中，同時(shí)也是改善貧燃燃燒特性的一種有效方法。其研究手段主要包括實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法，目前很多學(xué)者通過(guò)將兩者有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。其研究對(duì)象從早期的H2、CO、低碳烷烴等簡(jiǎn)單燃料逐漸發(fā)展到不飽和烴、非烴類(lèi)氣等各種復(fù)雜燃料，取得了一系列的成果。