甲烷在空氣燃燒的等離子體射流助燃效應(yīng)的光譜研究

張小林， 李壽哲， 冀春俊， 牛裕龍， 白 陽, 廖宏達(dá)

1. 大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院， 遼寧 大連 116024 2. 大連理工大學(xué)物理學(xué)院三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024

引 言

近年來， 大氣壓非平衡等離子體技術(shù)作為一個(gè)研究熱點(diǎn)被關(guān)注， 因?yàn)闅怏w溫度相對(duì)比較低， 熱效應(yīng)較小， 而它能夠產(chǎn)生大量的電子、 離子和活性基團(tuán)， 同時(shí)非平衡態(tài)等離子體的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)被認(rèn)為在輔助燃燒中會(huì)起到重要的作用。 科研人員已經(jīng)發(fā)展了多種產(chǎn)生等離子體的方式用于助燃研究， 例如介質(zhì)阻擋放電、 納秒脈沖電暈放電、 微波等離子體放電等等[1]。 雖然這些放電方式在等離子體助燃方面已經(jīng)顯現(xiàn)出一定的效果， 但是受限于放電方式和燃燒過程不能有效耦合， 以及對(duì)等離子體輔助燃燒所涉及的物理機(jī)制和過程還不是很清楚的實(shí)際情況， 已經(jīng)取得的成果還不能作為成熟的技術(shù)被廣泛的應(yīng)用。 這就需要通過各種助燃方案， 進(jìn)一步開展深入系統(tǒng)的研究。 在大氣壓條件下， 以氬氣作為載氣在高頻電源驅(qū)動(dòng)下在較長的柔性介質(zhì)管中能夠產(chǎn)生等離子體射流[2]。 這種等離子體射流的宏觀氣體溫度比較低， 電子溫度卻很高， 同時(shí)良好的可控性和操作靈活性， 在材料表面親疏水改性、 刻蝕、 醫(yī)學(xué)滅菌消毒以及滲氮的應(yīng)用中已獲得很好的效果[3]。 因此， 將等離子體射流應(yīng)用于等離子體輔助燃燒中具有重要的實(shí)際意義。 本工作通過對(duì)等離子體放電裝置改進(jìn)， 設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用等離子體射流技術(shù)的燃燒器， 實(shí)現(xiàn)大氣壓等離子體射流助燃。

探究甲烷(CH4)在空氣中的燃燒過程， 基于所產(chǎn)生的大氣壓非平衡態(tài)氬等離子體射流， 研究等離子體射流的一些非溫度效應(yīng)對(duì)燃燒過程的助燃影響。 利用在大氣壓下發(fā)生的氬等離子體射流， 研究了作為載氣的氬氣流量和施加的放電電壓對(duì)非預(yù)混和預(yù)混燃燒火焰形態(tài)的影響， 分析火焰根部自由基粒子的發(fā)射光譜強(qiáng)度與載氣氣流量和放電電壓之間的關(guān)系， 揭示等離子體射流通過激發(fā)活性粒子以及等離子體動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)過程來增強(qiáng)甲烷燃燒過程的機(jī)理。 對(duì)進(jìn)一步探究等離子體輔助燃燒的效果， 明確等離子體在助燃中的作用是十分重要的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

采用大氣壓等離子體射流助燃試驗(yàn)裝置(如圖1所示)， 主要由等離子體放電系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。 等離子體助燃的主體部件為十字型石英管燃燒器(四個(gè)臂如圖1中a， b， c， d)， a臂為長2 mm的噴嘴， d臂長92 mm為氬氣產(chǎn)生的等離子體產(chǎn)生區(qū)， 載氣由此臂進(jìn)入； 可燃?xì)怏w由45 mm長的b臂、 c臂進(jìn)入與d臂產(chǎn)生的等離子體混合并發(fā)生作用。 十字型燃燒器采用石英玻璃制成， 內(nèi)徑為3 mm， 外徑為5 mm。 實(shí)驗(yàn)中氣體的流量均由氣體質(zhì)量流量控制器(D07-19B， Sevenstar Electronics Co. Ltd.)準(zhǔn)確控制。 實(shí)驗(yàn)中采用純度為99.99%的氬氣作為載氣， 用來產(chǎn)生氬等離子體射流， 流量在0～10 L·min-1(℃, 1 atm, SLM)范圍內(nèi)可調(diào)； 可燃?xì)怏w為99.99%的甲烷， 考慮到甲烷是易燃易爆的氣體， 在甲烷氣體的鋼瓶出氣減壓閥的下游安裝了回火閥， 流量在0～500 SCCM的范圍內(nèi)變化。

圖1 大氣壓等離子體射流助燃實(shí)驗(yàn)裝置

等離子體產(chǎn)生的電源為高壓交流電源(型號(hào)為CTP-2000K)， 工作頻率可在3～100 kHz之間調(diào)節(jié)， 本實(shí)驗(yàn)所采用的工作頻率為46 kHz， 輸出電壓在0～25 kV之間可調(diào)。 氬等離子體射流的放電電壓和放電電流的波形分別用泰克高壓探頭(衰減比例為1 000∶1)和電流探頭并由泰克數(shù)字示波器(帶寬350 MHz)同時(shí)采集。 本實(shí)驗(yàn)采用發(fā)射光譜儀(OES)檢測(cè)甲烷燃燒過程中的自由基。 發(fā)射光譜儀不僅對(duì)測(cè)量目標(biāo)無干擾， 而且具有靈敏度高和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)， 普遍使用在各種等離子體特性的研究和各種參數(shù)的診斷中。 本實(shí)驗(yàn)光譜儀型號(hào)為Acton SP 2750(Princeton Instruments)， 該光譜儀配置了有PIXIS 400電荷耦合元件(CCD)的接收器， 并采用收集角為12.5°的光纖用于光信號(hào)的采集和傳輸。 本實(shí)驗(yàn)中， 光纖放置在水平方向上離燃燒器噴嘴(a)大約6 cm的位置， 并在豎直方向上離噴嘴(a)大約0.65 cm進(jìn)行光信號(hào)采集。 采用佳能公司生產(chǎn)的EOS 700D型數(shù)碼相機(jī)， 對(duì)燃燒過程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 氬等離子體射流對(duì)甲烷在空氣中燃燒過程的影響

首先， 通過改變放電電壓調(diào)控等離子體射流的狀態(tài)， 研究在不同的放電電壓下， 等離子體射流對(duì)非預(yù)混甲烷燃燒形成火焰形態(tài)的影響。 氬氣和甲烷的體積流量分別設(shè)定為0.56和0.42 SLM， 將高壓電源的工作頻率調(diào)節(jié)到46 kHz， 逐步升高放電電壓。 火焰形態(tài)表明隨著放電電壓的增加， 火焰根部藍(lán)色區(qū)域不斷擴(kuò)大， 火焰晃動(dòng)更加劇烈。 當(dāng)放電電壓為8 kV時(shí)， 在放電針頭上產(chǎn)生了一個(gè)小亮點(diǎn)， 表示氬氣局部放電剛開始， 對(duì)比沒有放電的火焰形態(tài)， 8 kV下的火焰形態(tài)根部藍(lán)色區(qū)域擴(kuò)大了近兩倍， 且藍(lán)色區(qū)域的形狀變?yōu)榈瑰F形， 火焰也開始抖動(dòng)， 分析認(rèn)為抖動(dòng)是由于燃燒的不均勻性造成， 放電時(shí)電場(chǎng)振蕩引發(fā)這樣的不均勻性， 中頻下強(qiáng)電場(chǎng)振蕩導(dǎo)致火焰中粒子的振蕩， 使火焰的形態(tài)受到影響。 隨著放電電壓的進(jìn)一步增加， 氬等離子體射流從局部放電開始其長度不斷增加， 當(dāng)電壓達(dá)到16 kV時(shí), 氬等離子體射流剛好傳播到燃燒器噴嘴(a)處， 并直接作用于火焰根部。 當(dāng)電壓達(dá)到22 kV時(shí)， 火焰抖動(dòng)變得非常劇烈并上下振蕩， 火焰不時(shí)脫離燃燒器噴口， 形成推舉火焰， 并發(fā)出噗噗的響聲， 火焰總體長度變短， 火焰面出現(xiàn)褶皺， 但是火焰根部藍(lán)色區(qū)域面積不斷擴(kuò)大， 大約占總火焰面積的1/2， 表明燃燒更加充分且劇烈。 分析認(rèn)為， 由于等離子體的離子風(fēng)效應(yīng)， 使火焰噴嘴處的氣體流速增大， 引起火焰面出現(xiàn)褶皺， 增加了反應(yīng)面積， 使甲烷與周圍空氣充分混合， 提高了燃燒速率； 另一方面， 氣體流速的增大會(huì)引起熱量的交換， 加快活性基團(tuán)的輸運(yùn)速度， 使燃燒速度進(jìn)一步得到提高。

圖2展示光譜儀所測(cè)量燃燒火焰的自由基發(fā)射光譜強(qiáng)度變化情況， 結(jié)果表明隨著電壓的增加， OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)自由基粒子的光譜強(qiáng)度先保持不變， 當(dāng)電壓達(dá)到16 kV時(shí)， 譜線強(qiáng)度開始增大， 同時(shí)伴隨著燃燒火焰抖動(dòng)增大， 導(dǎo)致了數(shù)據(jù)測(cè)量誤差相應(yīng)變大(圖中誤差棒加長)。 當(dāng)電壓還未達(dá)到16 kV時(shí)， 氬等離子體射流長度不足以到達(dá)圖1中燃燒器噴口(a)， 此時(shí)與甲烷沒有直接的相互作用， 所以O(shè)H， CH， C2的光譜強(qiáng)度基本沒有變化。 而氬等離子體射流產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度隨氣流輸運(yùn)到達(dá)a處是有限的， 對(duì)強(qiáng)化燃燒的作用微弱。 當(dāng)電壓為16 kV時(shí)， 等離子體射流直接與甲烷相互作用， 等離子體中的活性粒子參與了燃燒過程， 促進(jìn)了甲烷被分解成大量的自由基， 相應(yīng)的譜線強(qiáng)度增強(qiáng)， 自由基的增加表現(xiàn)為火焰根部藍(lán)色區(qū)域的擴(kuò)大。 當(dāng)電壓在22 kV時(shí)， 譜線強(qiáng)度開始減小， 這是因?yàn)榈入x子體使得管內(nèi)氣體流速增大， 導(dǎo)致燃燒火焰的觀察區(qū)域發(fā)生移動(dòng)遠(yuǎn)離圖1中噴口(a)(22 kV根部區(qū)域)， 使得測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度變小。 如進(jìn)一步增大放電電壓， 火焰開始出現(xiàn)吹脫現(xiàn)象并最終熄滅。

圖2 不同放電電壓對(duì)OH(A-X)， CH(A-X)，C2(d)發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響

2.2 預(yù)混氧氣的甲烷在空氣中燃燒時(shí)氬等離子體射流的助燃效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 放電電壓對(duì)非預(yù)混火焰有一定的助燃作用， 由于氬等離子體射流對(duì)氧氣的稀釋， 氬氣量的增加會(huì)引起燃燒所需氧氣不足， 出現(xiàn)吹脫現(xiàn)象。 為了排除這一因素的干擾， 甲烷先預(yù)混一定比例的氧氣， 對(duì)不同當(dāng)量比預(yù)混等離子體射流的助燃效果開展了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

2.2.1 不同燃料當(dāng)量比下燃燒火焰形態(tài)的變化

氬氣和甲烷的體積流量分別固定為0.56和0.28 SLM， 氧氣流量分別為0.0， 0.07， 0.1， 0.14， 0.2和0.28 SLM。 圖3(a—f)所示甲烷預(yù)混的燃燒火焰結(jié)果表明， 隨著氧氣的不斷增加， 火焰長度變得不僅越來越短， 而且呈現(xiàn)出三層不一樣顏色的火焰， 如圖3(d)內(nèi)區(qū)為深藍(lán)色， 外區(qū)為淺藍(lán)色， 中間區(qū)為橙黃色。 深藍(lán)色的內(nèi)區(qū)是把預(yù)混進(jìn)入的氧氣都消耗完的預(yù)混火焰的氣體輻射[4]； 橙黃色區(qū)域則是通過預(yù)混火焰的剩余燃料和周圍大氣中的氧氣形成的含有大量的碳粒輻射的擴(kuò)散火焰； 最外層的淺藍(lán)色區(qū)域是在高溫下已反應(yīng)了的燃燒產(chǎn)物發(fā)出的可見光輻射[6]。 再進(jìn)一步增加氧氣含量， 黃色區(qū)消失， 深藍(lán)色內(nèi)錐不僅縮小且變成明亮的淺藍(lán)色， 如圖3(f)所示。

圖3 預(yù)混不同氧氣流量對(duì)火焰形態(tài)的影響

2.2.2 預(yù)混氧氣的甲烷燃燒火焰形態(tài)隨放電電壓的變化

通常燃料和氧化劑的成分比例用燃料當(dāng)量比Ф來表征

其中， 下標(biāo)st表示按化學(xué)計(jì)量比混合， [CH4]和[O2]分別表示甲烷和氧氣的流量。 圖4中所示Φ=4時(shí)火焰燃燒形態(tài)隨放電電壓的變化。 圖4(a)所示隨著放電電壓的不斷增大， 火焰燃燒更加劇烈， 并發(fā)出噗噗的聲響， 火焰整體更加明亮， 火焰內(nèi)區(qū)縮短， 顏色由深藍(lán)變成淡藍(lán)色， 當(dāng)電壓達(dá)到16 kV, 代表擴(kuò)散火焰的黃色中間區(qū)域逐漸變大。 分析認(rèn)為等離子體的加入， 促進(jìn)了甲烷氣體與預(yù)混進(jìn)入的氧氣反應(yīng)， 因此火焰內(nèi)區(qū)變成淡藍(lán)色， 而火焰尾部出現(xiàn)貧氧， 出現(xiàn)了不完全燃燒的現(xiàn)象。 另外， 圖4(b)展示了在放電電壓為22 kV的非預(yù)混燃燒的火焰形態(tài)圖， 此時(shí)火焰出現(xiàn)了吹脫現(xiàn)象。 與圖4(a)中相同實(shí)驗(yàn)條件下得到的燃燒火焰照片對(duì)比可見， 氧氣的加入確實(shí)可以減緩火焰的吹脫現(xiàn)象。

圖4 (a) Φ=4時(shí)， 不同放電電壓下火焰形態(tài)變化； (b) 放電電壓為22 kV時(shí)的火焰形態(tài)

2.2.3 預(yù)混氧氣的甲烷燃燒火焰的光譜診斷

圖5 放電電壓為0和22 kV時(shí)1 cm火焰的光譜圖

圖6為Φ=8, 4, 2時(shí)， 自由基OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)的光譜發(fā)射強(qiáng)度隨放電電壓的變化情況。Φ=8和4時(shí)， OH， CH， C2的強(qiáng)度隨放電電壓的增大而增強(qiáng)。 大氣壓氬等離子體射流中的電子密度和電子溫度隨著放電電壓的增加而增加， 相應(yīng)地甲烷的解離脫氫反應(yīng)以及重組反應(yīng)加快， 產(chǎn)生更多自由基中間產(chǎn)物， 而此時(shí)氧氣的濃度相對(duì)甲烷濃度較低， 抑制了富氧條件下甲烷燃燒過程中發(fā)生的氧化反應(yīng)， 燃燒過程還是以甲烷的脫氫反應(yīng)為主。 當(dāng)Φ=2時(shí)， 隨著放電電壓的增大， OH(A-X)的發(fā)射光譜強(qiáng)度保持著增大的變化趨勢(shì)， 而 CH(A-X)， C2(d)的光譜強(qiáng)度先增大后減小， 變化拐點(diǎn)發(fā)生在等離子體射流開始直接作用在燃燒火焰的電壓值(16 kV)上， 在圖中位于虛影區(qū)對(duì)應(yīng)的值上。Φ=2預(yù)混氣體中氧氣的含量明顯多于Φ=8和4的情形。 因此， 重組反應(yīng)生成的OH會(huì)隨著等離子體密度的增加而增加， 同時(shí)在較大的放電電壓下產(chǎn)生了大量的活性氧原子和分子， 它們足夠高的濃度促進(jìn)了CH和C2的氧化反應(yīng)的進(jìn)行而被消耗掉， 相應(yīng)地CH(A-X)和C2(d)的光譜強(qiáng)度隨著放電電壓的增加顯現(xiàn)出了下降的變化趨勢(shì)。

圖6 不同空燃比時(shí)， 放電電壓增加對(duì)OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

采用十字型燃燒器開展了氬等離子體射流對(duì)甲烷在空氣中燃燒過程影響的發(fā)射光譜研究。 實(shí)驗(yàn)通過引入施加電場(chǎng)產(chǎn)生的等離子體射流， 隨著放電電壓的增大， 火焰開始抖動(dòng)并加劇， 同時(shí)上下振蕩， 當(dāng)電壓達(dá)到22 kV時(shí)， 形成推舉火焰， 火焰總體長度變短， 火焰面出現(xiàn)褶皺， 但是火焰根部藍(lán)色區(qū)域面積不斷擴(kuò)大， 大約占總火焰面積的1/2。 發(fā)射光譜測(cè)量自由基OH， CH和C2的發(fā)射強(qiáng)度表明， 當(dāng)電壓達(dá)到16 kV時(shí)， 各自由基強(qiáng)度增大， 而當(dāng)電壓進(jìn)一步增大到22 kV時(shí)， 這些自由基粒子的光譜強(qiáng)度卻出現(xiàn)下降， 這歸因于等離子體使得管內(nèi)氣體流速增大， 導(dǎo)致燃燒觀察區(qū)發(fā)生移動(dòng)遠(yuǎn)離噴口， 使得采集到的火焰根部區(qū)域變小造成的。 另外， 研究了在不同的燃料當(dāng)量比下等離子體射流對(duì)預(yù)混氣體助燃的過程， 測(cè)量了火焰形態(tài)及燃燒中自由基OH(A-X)， CH(A-X)， C2(d)的光譜強(qiáng)度隨電壓的變化規(guī)律。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燃料當(dāng)量比為2時(shí)， OH的光譜發(fā)射強(qiáng)度隨電壓的增大而增強(qiáng)， 而CH和C2的發(fā)射強(qiáng)度在等離子體射流直接作用的情況下減少， 反映了在氬等離子體射流參與助燃下燃燒變得更加充分了。