高壓直流電場作用下的甲烷-氧氣層流擴散火焰穩定性

吳心祎， 吳婧瑄， 龔 巖， 于廣鎖,2

（1.華東理工大學潔凈煤技術研究所, 上海 200237；2.寧夏大學省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室, 銀川 750031）

煤炭是我國的基礎能源和戰略原料，煤炭的清潔高效利用是社會經濟發展和生態文明建設的客觀要求，也是保障國家能源安全的現實需要[1-2]。氣流床煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術，是煤基大宗化學品合成、煤制液體燃料、煤制天然氣和制氫等過程工業的龍頭技術和關鍵技術[3]。在大型水煤漿氣化技術發展過程中，仍存在一些亟待解決的瓶頸問題，如耐火磚在其服役過程中受到高溫火焰等的劇烈沖刷和侵蝕，造成了爐內耐火襯里的失效，這直接導致氣化爐運行周期縮短、生產成本增加，極大地影響了超大型氣化裝置長周期、高效、穩定運行。高溫火焰侵蝕是導致耐火磚損毀的重要原因，耐火襯里使用壽命的提高主要依靠高性能耐火材料的開發和爐膛結構的優化，現階段新型耐火材料的研制還未實現大規模突破，而通過優化耐火襯里結構以延長其壽命的效果有限，耐火襯里失效仍是氣化技術面臨的共性難題[4]。不同爐型的蝕損和失效的區域亦有所區別，不同氣化技術的蝕損問題解決方法不具備普適性[5]。因此，亟待開發一種靈活且通用的火焰動態調控方式，從而有效降低高溫火焰對耐火襯里的侵蝕，保障氣化爐長周期、高效、穩定運行。

火焰作為弱電離等離子體，其電特性會受到電場的影響。自上世紀起，國內外諸多學者開展了電場對火焰的影響研究。Calcote 等[6]通過實驗發現電場會影響火焰的穩定性?；鹧鎯葞щ婋x子受到電場作用后，快速移動的離子會對載氣產生阻力而導致氣體流動，即產生離子風效應。Weinberg 等[7]從離子風效應和帶電離子運輸效應的定量關系出發，指出離子風效應產生的實際效果取決于當前的電流密度。文獻[8]發現，電子溫度對電場也有較強的敏感度，當施加電場時，電場不僅會加快電子攪動速度，也會抑制電子附著，進而改變電子溫度，反應速率隨著電子溫度的升高而加快。

火焰中的離子和電子是由于化學電離產生的，在燃燒過程中會產生CHO+、H3O+等正離子，其數量大約每毫升在109～1012個，層流擴散火焰的阻值也非常大，通常在108Ω 量級[9-10]。從微觀角度而言，電場會誘導火焰中正離子和中性粒子向負極運動，當火焰中正離子和中性粒子發生碰撞時，正離子會優先加速向負極運動，它的部分動量轉移到中性粒子上，從而產生體積力和離子風，使得火焰外觀變化[11-12]。離子風效應被認為是直流電場影響火焰燃燒過程的主要機理，其實質就是電場所引起的離子定向移動。文獻[13]認為離子風效應還與外加電場強度以及火焰在電場中駐留的時間相關。

Lewis 等[14]通過實驗發現消除正離子會導致火焰的熄滅，證明了正離子在維持火焰穩定性中起到了關鍵作用。文獻[15-16]驗證了電場對預混火焰及非預混射流火焰穩定性的影響。文獻[17]基于離子風效應，研究了直流電場對層流非預混乙烯火焰的作用，發現在正電壓下可以觀察到不穩定的波動火焰，此現象也是由于正離子受到了洛侖茲力的作用。Belhi 等[18]對電場作用下火焰的穩定性進行了數值模擬研究，發現離子風可以促進火焰的穩定性。

不同的電極形狀由于其表面曲率不同也會對火焰外觀產生不同的效果[19]。Boom 等[20]通過實驗發現電場引起的燃燒速度變化會隨外加電壓呈非線性增長，且受電極間距的影響。同樣地，電場也會改變火焰的傳播速度[14,21]。唐安東等[22]在定容燃燒器中研究了非均勻電場對火焰傳播速度的影響，發現火焰的傳播速度隨著施加電場強度的增加而增加；且正負電場都會增強火焰的穩定性，而負電場的效應更顯著[23]。在點電極下施加負電場也會使火焰的傳播速度加快，且隨著電壓增加而增加[24]。段浩等[25]進一步比較了不同電極形狀對火焰傳播速度的影響，發現網狀電極對火焰傳播的促進作用最為顯著，柱狀電極次之，點電極最弱，與各形狀電極產生的電場強度一致。Sayed-Kassem 等[26]所建立的模型在電場條件下能定性地再現火焰實際的燃燒情況，數值模擬結果表明電場可以改變火焰形狀、促進燃燒、提高離子的產生。

由于爐膛內火焰過于復雜，且電場對火焰穩定性的定量研究并不完善，故本研究以甲烷-氧氣擴散火焰為切入點，通過對甲烷-氧氣火焰施加不同強度的直流高壓電場，即通過改變所施加直流電壓的大小及電極間距，觀察火焰脈動受電場的影響，探討直流電場火焰穩定性的可能性。與傳統方法不同，本研究并非通過調整氣化爐噴嘴參數以達到穩定燃燒的目的，而是通過直流高壓電場這種通用靈活、可實時操控的技術調控非預混擴散火焰，從而提高火焰穩定性，降低由于火焰脈動而產生的燃燒不穩定性。本文為降低氣化爐內火焰對耐火磚壁面的侵蝕提供了理論依據和實踐參考。

1 實驗系統及方法

本實驗系統采用雙通道非預混噴嘴，噴嘴配備一路燃料管道以及一路氧氣管道（圖1）。實驗采用甲烷作為燃料，甲烷自氣罐通過質量流量計控制流量后，由燃料管道輸送至噴嘴中心通道，氧氣自氧氣氣罐通過質量流量計進入噴嘴外通道。噴嘴外部包裹氣體分布器，氬氣通過氣體分布器被均勻分散以隔絕噴嘴火焰與空氣氣氛?？烧{直流高壓電源在噴嘴和環形石墨電極之間施加單向電場，直流電源負極通過高壓電纜與鉑-銠合金連接于環形石墨電極，并置于火焰上方的線圈內，電源正極通過高壓電纜直接連接于噴嘴下方。噴嘴與支架和管路之間、石墨電極與環形支架之間均采用耐高壓絕緣連接?？烧{電源與工作站相連，通過數控軟件在線調控電源電壓。采用高速攝像儀（Pco.dimax S4）拍攝火焰圖像，其最大分辨率為2016×2016 pixel，最高幀率（f）為1 279 fps，數據經工作站儲存和分析。其中，可調直流高壓電源的電壓調節范圍為800～10 000 V，設置高速攝像儀的幀率f= 250 fps，拍攝時長t= 2 s。本實驗中的層流擴散火焰參數如表1 所示。對于同軸射流火焰而言，雷諾數是判斷其燃燒形態的重要依據。通常，層流擴散火焰向湍流擴散火焰過度的臨界雷諾數（Rec）為2 000～10 000[27]，經計算，本研究中的火焰雷諾數均小于1 000，屬于層流擴散火焰。

表1 電場對擴散火焰的實驗條件Table 1 Experimental conditions of electric field on diffusion flame

圖1 在電場作用下的層流火焰實驗平臺Fig.1 Laminar flame experimental platform under electric field

2 電場對火焰穩定性的影響

對于層流擴散火焰而言，其火焰長度與初始速度及管徑均無關，只和初始體積流量（Q）有關[28]。實驗研究了固定電極間距（d）下直流電場對甲烷-氧氣層流射流火焰振蕩情況的影響。對于甲烷流量（QCH4）、氧氣流量（QO2）分別為0.25、0.50 L/min 的非預混甲烷-氧氣火焰，當量比（λ）即為1.0。當量比的具體定義為：氧氣和甲烷實際的物質的量之比與氧氣和甲烷完全燃燒時物質的量之比的比值。若λ＜1.0，則為不完全燃燒。在未施加直流電壓時，火焰會出現顯著的振蕩情況。為進一步用數值直觀表征火焰振蕩情況，對高速攝像儀所拍攝的火焰圖像進行歸一化處理，首先將所拍攝的火焰圖片進行裁剪。為更好地展現火焰全貌，通過Image J 圖像處理軟件將火焰圖像裁剪為分辨率270×90 pixel 的圖像。隨后將拍攝所得圖像簡化，通過圖像處理軟件將圖像中的各個像素點的亮度進行歸一化處理。為更好體現火焰變化，選取212的灰階度，將火焰圖像轉化為其灰階度的矩陣，隨后對矩陣中的各行進行均值處理。如圖2 所示，對于λ=1.0 的非預混甲烷-氧氣火焰，當其未施加電場時會出現顯著的振蕩現象。

圖2 未施加電場時火焰的高度變化Fig.2 Flame height change without electric field

在高速相機所拍攝的500 張火焰形態圖經數值化處理后，其同一高度下歸一化均值的變化情況如圖3 所示。非預混甲烷-氧氣火焰在未施加電場時呈現較為規律的振蕩，且火焰振蕩的幅度隨λ的增加先上升，直至當λ=1.3 時，再逐漸減小，并趨于穩定，如圖4 所示。

圖4 火焰振蕩幅度隨λ 的變化趨勢Fig.4 Variation trend of flame pulsation amplitude with λ

電場強度是電場的特征參數。對于勻強電場而言，固定兩點的電場強度與兩端的電壓及兩點的間距有關；對于環形電極而言，其軸向電場強度與電壓及軸向距離有關；這兩種情況（勻強電場和環形電極）的電場強度均隨間距的增加而減小。本實驗中由于高壓電場的電場強度無法直接測量，火焰內部場強較為復雜，無法直接通過計算獲得，故本文從電壓及電極間距兩個變量出發，探討電場對于火焰穩定性的影響。

2.1 電壓對火焰穩定性影響

當d=8 cm、施加不同電壓時，QCH4= 0.25 L/min、QO2= 0.50 L/min、λ=1.0 條件下非預混甲烷-氧氣火焰的振蕩情況如圖5 所示?；鹧娴恼袷幥闆r隨著電壓的增加逐漸趨于平緩，當電壓達到3.1 kV 時，火焰的振蕩幾乎停滯（圖5（d））。繼續提高所施加的電壓至4.0 kV時，火焰依舊維持穩定狀態（圖5（f））。

圖5 火焰振蕩情況與直流電壓的關系Fig.5 Relationship between flame pulsation and direct current voltage

火焰振蕩能譜圖與直流電壓的關系更清晰地反映出火焰由振蕩歸于平穩的變化情況，如圖6 所示。經過傅里葉變換后，能譜圖中的峰值代表火焰的振蕩程度，峰值越大，表明火焰振蕩越劇烈；峰值所對應的頻率值代表了火焰振蕩的頻率。當火焰尚不穩定、存在振蕩時，如圖6(a)、6(b)和6(c)所示，在頻率為10～20 Hz 的范圍內，存在一個特征峰。當電壓達到3.1 kV 時，火焰趨于穩定，其對應的能譜圖中亦無特征峰，各工況的峰值出現在頻率趨于零的位置，如圖6(e)、6(f)和6(g)所示。故對于d= 8 cm、QCH4=0.25 L/min、QO2= 0.50 L/min的非預混層流甲烷-氧氣火焰而言，當直流電壓達到3.1 kV 時，其燃燒趨于穩定，后文將此電壓值簡稱為穩定電壓。

圖6 火焰振蕩能譜圖與直流電壓的關系Fig.6 Relationship between flame pulsation energy spectrum and direct current voltage ( QCH4 = 0.25 L/min, QO2 = 0.50 L/min、λ=1.0)

2.2 電極間距對火焰穩定性的影響

對于不同氣體混合比的甲烷-氧氣火焰，其穩定電壓也各不相同，且對于施加在火焰上、下端的直流電場而言，電極間距也是較為重要的影響因素之一，因為電極間距會改變施加于火焰上的電場強度。當電極間距分別為8、9、10、11、12 cm 時，對不同氣體混合比下甲烷-氧氣火焰的穩定電壓進行測量。固定甲烷流量為0.25 L/min，通過改變氧氣流量來控制火焰燃燒的當量比。測量結果如圖7 所示。

圖7 不同電極間距下火焰穩定電壓隨λ 的變化Fig.7 Variation of flame stable voltage with λ at different electrode spacing

由圖7 可以看出，火焰的穩定電壓會受到電極間距的影響。當電極間距差別較小時，其對火焰穩定電壓的影響并不顯著；但將電極間距8 cm 和12 cm下不同當量比火焰所對應的穩定電壓進行比較，可以發現，對于相同當量比的火焰，電極間距越大，所需的穩定電壓就越高。同時，無論電極間距的大小如何變化，對于固定電極間距下的非預混甲烷-氧氣火焰，其穩定電壓隨當量比的變化趨勢是一致的，即穩定電壓先隨當量比的增加而增加，直至當量比達到1.2～1.3 時，穩定電壓達到峰值；隨后，穩定電壓會隨著當量比的增加呈下降趨勢。其整體趨勢與圖4所示的未施加電壓時，火焰振蕩幅度隨當量比的變化規律基本一致。

上述結果表明，當對非預混火焰施加正向直流電場（即電流方向與燃料射流方向一致）時，可以增強火焰的穩定性，推斷其原因是由于正向電場使得火焰內正離子定向運動，產生離子風效應，填補了由于燃料及氧氣密度不同所產生的漩渦結構，故火焰的振蕩現象逐漸減弱直至消失。當電極間距不同，當量比為1.0～1.3 時，甲烷-氧氣非預混層流火焰的穩定電壓隨初始振幅的增長單調遞增，如圖8 所示。將圖8 結果進行線性擬合，擬合直線的殘差平方和（SSE）均小于0.040 00；只有當電極間距為8 cm 時，其穩定電壓隨初始振幅變化的擬合直線的相關系數R2＞0.990 00，而其余電極間距下，穩定電壓隨初始振幅的增長均無法滿足線性關系。

圖8 不同電極間距下初始振幅與穩定電壓的關系（λ=1.0～1.3）Fig.8 Relationship between initial amplitude and stable voltage at different electrode spacing (λ=1.0～1.3)

3 結 論

（1）高壓直流電場可以增強脈動層流火焰的穩定性，在對火焰施加與射流方向一致的高壓直流電場，且電極間距不變的情況下，電壓越高，電場強度越高，其增強火焰穩定性的效果越強。對于當量比為1.0～1.3 的甲烷-氧氣非預混層流火焰，穩定電壓與火焰初始脈動振幅（當量比）呈單調遞增的關系，初始振幅（當量比）越大，火焰所需的穩定電壓就越高。穩定電壓通常在火焰當量比為1.3 時達到峰值，隨后火焰的初始振幅隨當量比的增加而減小，穩定電壓也隨著初始振幅單調遞減。

（2）電極間距對電場穩定火焰的能力產生一定影響，但其影響較小，只有當電極間距相差較大時才有明顯差異。對于電極間距為8 cm 及12 cm 的甲烷-氧氣非預混層流火焰，電極間距越大，為保證火焰受到同樣的電場強度，穩定相同振蕩幅度的火焰（即同一當量比下的火焰）所需的直流電壓值就越高。

（3）電場強度越大，直流電場對火焰的穩定效果越好；電場強度越低，直流電場對火焰穩定性的影響越小。