生物燃气及生物燃气掺氢燃烧特性的实验研究

图 １ 实 验 系统 示 意 图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍ ａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ
器 （Ｋｉｓｔｌｅｒ ６０５２Ｃ），前 者 用 于 配 气 阶 段 监 控 燃 烧 容器 内的各气体分压 ，配气过程中各种气体通过 独立进气 口进气 ；后者用于记录燃烧过程 中容器 壁 面处 的燃 烧压 力 。火焰 的传 播 过程 通过 纹影 系 统投射至高速摄像机镜头 ，纹影系统的光路设为 ｚ形光 路 ，所 采用 的光 学视 镜 的焦距 为 １２０ ｍｍ； 火焰投影 图像 由 ＩＤＴ Ｍｏｔｉｏｎ Ｐｒｏ—Ｙ４高速摄像机 进行捕捉 ，拍摄频率设 为 ８ ０００帧／ｓ，拍摄像素设 置为 ３５２ｘ３５２。本 实验研 究中 ，氢 气的纯 度为 ９９．９９５％，二 氧化碳 的纯度为 ９９．９９５％，甲烷 的纯 度为 ９９．９９９％．空气为工业氧气和工业氮气按照 ２１：７９的体积 比配制成 的干燥合成空气。 ２ 球 形 扩散 理论
收稿 日期 ：２０１７—０３—２９。 作者简介 ：李娅 男（１９６９一），女 ，内蒙古通辽人 ，副教授 ，主要从 事能源 与交通工程方面的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙｎ６９０３０７＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
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可 再 生 能 塬
Ｓｂ＝ＳＯｂ－ＬｂＫ
பைடு நூலகம்
（４）
式 中：５ｏｂ为无拉伸火焰传播速 度 ，ｍ／ｓ；Ｌ 为马克
摘 要 ：为了获得生物燃气及生物燃气掺氢的燃 烧特性 ，文章通过高速纹影 系统在定容燃烧 弹中研究 了 ＣＨ４／ ＣＯ 在 不同 ＣＯ 比例 、不 同当量 比、不 同初始压力 以及不 同掺氢 比下 的层 流燃烧特性 。研究 结果 表明 ：生物燃 气 的层流燃烧速度随着 ＣＯ：掺混 比例 的增 大而降低 ，随着初始压 力的升高而降低 ；生物燃气掺 氢后 的层流燃 烧 速度随着掺氢 比的增大而增大 ：对于生物燃气及生物燃气掺氢 而言 ，火焰 的稳定性随着初始压力 及掺氢 比 的增大而降低 ，随着当量比增大 而增大 ，生物燃气 中 ＣＯ：的比例对火焰稳定性的影 响不大 。 关键词 ：生物燃气 ；拉伸率 ；层流燃烧 速度 ；氢气 比例 中图分 类号 ：ＴＫ６ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１６７１—５２９２（２０１８）０２～０１７９—０６
Ｏ 前 言 随着化石燃料储量 的剧减 以及人们对 环保
要求的不断提高 ，新 型可再生 、环境友好型燃料 的利用成为当前重要 的发展趋势［１］。生物燃气作 为 一种 替 代 燃 料 ，以其 来 源 广 泛 、污 染 较 低 的特 点 吸 引 了广泛 的关 注ｆ２】＇【３】。
生物 燃 气可 以应用 于 燃 气 轮 机 、发 动机 及 各 种动力机械中【４】１［５１。但是 ，生物燃气 中的 ＣＯ：会降 低 火焰 燃 烧 速度 和 火焰 可燃 极 限 ，会 影 响燃 烧 系 统在稀燃条件下 的稳定性网。在生物燃气 中添加 氢气能够提高生物燃气 的可燃极 限。Ｊｅｏｎｇ研究 了生物 燃 气掺 氢 对 点燃 式 发 动机 性 能 的影 响 ，研 究发现 ，随着掺氢 比例的增大 ，发 动机效 率及最 大燃烧压力随之增大 ；氢气能有效提高发动机的 稀燃范围和发动机的稳定性 。Ｌｅｅ研究发现 ，氢 气添加到生物燃气 中后 ，能提高发动机的效率［８１。 Ｐｏｒｐａｔｈａｍ研 究发 现 ，在生 物燃 气发 动 机 中加 人少 量 氢气 后 ，发动 机 的稀燃 极 限 明显 提 高 。
层 流燃 烧特 性 是燃 料 的重 要 基础 特 性 。其 对 于化 学 反 应 动力 学 机 理 的验 证 和燃 烧 系 统 的设 计 具有 重 要 意义 。 目前 ，国内外 学 者针 对 ＣＨ 和 ＣＨＪＨ 的层 流燃 烧 特 性 开展 了大量 研 究 ．而有 关 生物燃气及生物燃气掺氢层流燃烧特性 的研究 还 比较少 【 ９１。Ｖ Ｖ Ｒａｔｎａ Ｋｉｓｈｏｒｅ研 究 了 ＣＨＪＣＯ２
第 ３６卷 第 ２期 ２０１８年 ２月
可 再 生 能
Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ． ２Ｏ１８
生 物 燃 气 及 生 物 燃 气 掺 氢 燃 烧 特 性 的 实 验 研 究
李娅 男 （内蒙古农 业大学 能源与交通工程学 院 ，内蒙古 呼和浩特 ０１００００）
斯坦 长度 ，取 为 ６—２０ ｍｍ［ ｔ￣Ｊ；Ｌｂ是 ．ｓｂ＿－ 直 线斜 率
的相反数 ，直线倒推至拉伸率为 ０时，直线在拉伸
火 焰传播 速 度轴 上 的截距 即 为无拉 伸火 焰传 播速
度 Ｓ０ｂ。
无 拉 伸 层 流燃 烧 速 度 Ｓｏｕ和无 拉 伸 火 焰传 播
速 度 的关 系为
为 了获得 更多 关 于生物燃 气 及生 物燃 气掺 氢 燃烧特性的信息 ．本文通过实验研究 了 ＣＨ４／ＣＯ 在 不 同 ＣＯ 比例 （０～５０％）、不 同 当量 比 （ ＝０．６～ １．２）、不 同压 力 （Ｐ＝０．１—０＿３ ＭＰａ）以及 不 同掺 氢 比 （０－４０％）下 的层 流 燃 烧 特性 ，研 究 结果 对 生 物 燃 气及 生物 燃气 掺氢 的应用 具有 重要 指导 意义 １ 实验 设备和 方 法
在常压下 的燃烧特性 ，『２ｌ】。Ｎａｔｈａｎ Ｈｉｎｔｏｎ研究了 生物 燃气 的层 流燃 烧 速度 。Ｈ Ｓ Ｚｈｅｎ研 究 了生 物燃气掺氢后 。火焰稳定性和 ＣＯ的排放情况 ，但 是对层流燃烧速度没有关注［２３１。总体来看 ，关于生 物燃气 及 生物燃 气掺 氢在 宽 ＣＯ 范围及 宽掺 氢 范 围的燃烧特性的研究 比较零散 ，不同气体比例下 生物燃气及生物燃气掺氢的层流燃烧特性 尚不明 确 ，相关研究亟需进一步开展。
本文所开展 的实验在定容燃烧实验系统 中进 行 ，该 系统 主 要 由定 容 燃烧 弹 、配气 系 统 、纹 影 系 统 、高速摄影系统 、数据控制及采集系统组成 （图
１）。
定容燃烧弹由不锈钢制成 ，在燃烧容器两个 对 立 的方 向上 ．居 中设 置一 对点火 电极 ．用 于 在燃 烧容器中心位置实施预混燃料的强制点火 。定容 燃烧 容器 的顶 端 和低端 分别 安装 有 台达压 力 变送 器 （ＤＰＡ０１Ｍ—Ｐ和 ＤＰＡ１０Ｍ—Ｐ）和 Ｋｉｓｌｔｅｒ压力 传感