孫鈳煒,趙偉炳,張治國(guó),葉陽(yáng)輝,范志庚

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,杭州 310023)

非預(yù)混火焰被廣泛應(yīng)用于各種燃燒裝置中,但它會(huì)產(chǎn)生很多污染物,碳煙是主要有害污染物之一。碳煙不僅會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染[1-2],而且會(huì)降低燃燒室的燃燒效率,增加燃燒室壁面的熱負(fù)荷[3]。因此,如何有效地抑制碳煙顆粒的排放成為燃燒科學(xué)研究的中心課題之一。從燃燒控制的角度來(lái)看,可通過(guò)調(diào)控溫度、壓力和當(dāng)量比等參數(shù)來(lái)調(diào)控燃燒過(guò)程,進(jìn)而改變污染物的排放特性[4-6]。實(shí)際應(yīng)用中還可通過(guò)改進(jìn)燃料的配比來(lái)降低碳煙顆粒的生成,包括降低燃料中芳香烴組分、采用含氧燃料、摻雜添加劑等。此外,采用催化氧化、顆粒過(guò)濾捕集技術(shù)等尾氣后處理技術(shù)也同樣可以降低碳煙的排放量[7],還有文獻(xiàn)報(bào)道采用外加電場(chǎng)的方式也可以降低燃燒過(guò)程中碳煙顆粒的生成與排放[8]。

脈動(dòng)燃燒作為一種控制火焰的有效手段受到了廣泛的關(guān)注。對(duì)火焰施加脈動(dòng)波會(huì)影響火焰的結(jié)構(gòu)和化學(xué)水平上的燃燒過(guò)程,從而導(dǎo)致火焰顏色和產(chǎn)物發(fā)生變化[9-10]。此外,在高噪聲級(jí)的燃燒器中,自激勵(lì)脈動(dòng)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象[11]。通過(guò)主動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈動(dòng)燃燒熱聲不穩(wěn)定情況的調(diào)整,達(dá)到燃燒效率更高,使用壽命更長(zhǎng),降低噪聲,改善運(yùn)行環(huán)境的目的[12-13]。Sapmaz等[14]通過(guò)使用電磁閥來(lái)產(chǎn)生頻率在10～200 Hz之間變化的脈動(dòng)波并施加到預(yù)混火焰中,發(fā)現(xiàn)碳煙體積分?jǐn)?shù)隨著脈動(dòng)波頻率的增加而增加。Saito等[15]得出了相似的結(jié)論,并得出聲波脈動(dòng)可促進(jìn)空氣與燃料的混合并提高火焰溫度,使碳煙顆粒再氧化,從而減少碳煙生成的結(jié)論。Alex[16]開(kāi)展了一項(xiàng)對(duì)貧氧燃燒火焰施加脈動(dòng)波的研究,發(fā)現(xiàn)施加脈動(dòng)后會(huì)引起火焰溫度升高,NOx生成量增加,CO生成量減少,這一結(jié)果印證了Satio的猜想。然而,Shaddix等[17]的研究認(rèn)為,碳煙體積分?jǐn)?shù)和碳煙顆粒的尺寸比非脈動(dòng)燃燒火焰增加了2～4倍,是因?yàn)槭艿交鹧嫱Ａ魰r(shí)間增加的影響,這與Sapmaz和Saito等的結(jié)論相左。Jocher等[18]對(duì)脈動(dòng)層流火焰中碳煙演化的數(shù)值模擬的研究也得出了與Shaddix相似的結(jié)論。由此可見(jiàn),脈動(dòng)燃燒是否可以有效抑制碳煙生成還存在爭(zhēng)議,因此需要進(jìn)一步的研究。因此,本研究通過(guò)改變脈動(dòng)波的振幅、頻率、不同波形、噴嘴內(nèi)徑和燃料流量等參數(shù),對(duì)脈動(dòng)燃燒火焰在不同燃燒器結(jié)構(gòu)和聲源參數(shù)下的碳煙抑制情況進(jìn)行探究,以期找到一種抑制火焰中碳煙生成的有效方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器

玻璃管(外徑34 mm,內(nèi)徑20 mm),揚(yáng)聲器(東莞市華創(chuàng)音響器材有限公司,DL50TZF-01),壓電式壓力傳感器(昆山雙橋傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司,CYG1406),電子天平(德國(guó)賽多利斯電子天平,BSA2245-CW),玻璃纖維濾膜,噴嘴(不銹鋼管,內(nèi)徑分別為2.5、7.0 mm),本生燈,質(zhì)量流量計(jì)(美國(guó)艾里卡特(Alicat)高精度氣體質(zhì)量流量計(jì),M-500SLPM),真空泵。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1—乙炔氣瓶;2—質(zhì)量流量計(jì);3—燃燒器;4—噴嘴;5—揚(yáng)聲器;6—計(jì)算機(jī);7—玻璃纖維過(guò)濾器;8—真空泵。 圖1 脈動(dòng)燃燒抑制乙炔擴(kuò)散火焰碳煙生成試驗(yàn)示意圖 Fig.1 Diagram of soot suppression of acetylene diffusion flames by pulse combustion

試驗(yàn)使用的燃料為乙炔氣體。乙炔氣體從氣瓶中流出后,由質(zhì)量流量計(jì)控制流量Q在(0.05～0.07 L/min)內(nèi)變化,并在本生燈處點(diǎn)燃。在乙炔擴(kuò)散火焰兩邊設(shè)置兩端分別安裝了揚(yáng)聲器的玻璃管,利用LabVIEW程序控制揚(yáng)聲器產(chǎn)生的干涉波(鋸齒波、方波、正弦波)對(duì)乙炔擴(kuò)散火焰施加脈動(dòng)波。脈動(dòng)波的頻率f和振幅A分別在40～120 Hz和0～0.14 V范圍內(nèi)變化。用壓電式壓力傳感器對(duì)揚(yáng)聲器產(chǎn)生的振幅和波形進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)。燃燒產(chǎn)生的碳煙顆粒采用玻璃纖維過(guò)濾器進(jìn)行收集。脈動(dòng)燃燒抑制乙炔擴(kuò)散火焰碳煙生成試驗(yàn)如圖1所示。

1.3 分析方法

使用精度為0.1 mg的電子天平對(duì)收集到的碳煙顆粒的質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)定。采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)分析收集到的碳煙的物理化學(xué)性質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 施加脈動(dòng)波前后的火焰情況

脈動(dòng)波的頻率設(shè)定為100 Hz,振幅從0 V增大到0.07 V,燃料流量為0.06 L/min,噴嘴內(nèi)徑為7.0 mm。乙炔擴(kuò)散火焰在施加脈動(dòng)波前后的火焰形狀如圖2所示,從圖中可以看出,在不施加脈動(dòng)波時(shí),火焰上方有大量的碳煙生成;施加脈動(dòng)波后,隨著振幅的增大,火焰長(zhǎng)度逐漸減小,當(dāng)振幅達(dá)到0.07 V時(shí),幾乎沒(méi)有碳煙產(chǎn)生。由此可見(jiàn),使用脈動(dòng)燃燒技術(shù)可以有效地抑制乙炔擴(kuò)散火焰產(chǎn)生的碳煙,這與前人的研究結(jié)果[15]一致。

圖2 施加脈動(dòng)波前后的火焰形狀Fig.2 Shape of flame before andafter pulse is applied

2.2 施加脈動(dòng)波后不同參數(shù)條件對(duì)碳煙抑制效果的影響

2.2.1 振幅對(duì)碳煙抑制效果的影響

施加脈動(dòng)波的頻率和振幅的變化范圍分別為40～120 Hz和0～0.14 V,燃料流量為0.06 L/min,噴嘴內(nèi)徑為7.0 mm。振幅對(duì)碳煙抑制效果的影響如圖3所示,其中,碳煙生成量比為脈動(dòng)燃燒時(shí)產(chǎn)生的碳煙質(zhì)量(m1)與未加脈動(dòng)燃燒產(chǎn)生的碳煙質(zhì)量(m2)的比值,從圖中可以看出,隨著振幅的增大,碳煙的抑制效果得到了明顯的提升。當(dāng)頻率為40 Hz,振幅小于0.01 V時(shí),施加脈動(dòng)波不會(huì)引起碳煙生成量的顯著下降;然而,當(dāng)振幅大于0.015 V時(shí),碳煙生成量迅速減少,且在振幅為0.02 V時(shí)碳煙抑制率超過(guò)90%。而在頻率為120 Hz的條件下,需要施加0.14 V的振幅來(lái)達(dá)到相似的碳煙抑制率。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是相比低振幅,高振幅條件下的碳煙在生成區(qū)的生長(zhǎng)和團(tuán)聚受到的抑制作用更大,且劇烈震蕩使碳煙顆粒得到充分的氧化,使碳煙顆粒的粒徑減小。

圖3 振幅對(duì)碳煙抑制效果的影響Fig.3 Effect of amplitude on soot suppression

2.2.2 頻率對(duì)碳煙抑制效果的影響

施加脈動(dòng)波的頻率和振幅的變化范圍分別為40～120 Hz和0.02 V,燃料流量為0.06 L/min,噴嘴內(nèi)徑為7.0 mm。不同頻率對(duì)碳煙抑制效果的影響如圖4所示,從圖中可以看出,碳煙的抑制率首先隨頻率的增大而增大,在頻率為40 Hz的條件下碳煙抑制率達(dá)到最優(yōu)值。但隨頻率的增大,碳煙抑制率開(kāi)始下降;當(dāng)頻率大于80 Hz時(shí),繼續(xù)增加頻率,碳煙的抑制率基本上不變。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是乙炔燃燒產(chǎn)生的固有頻率接近40 Hz,與揚(yáng)聲器產(chǎn)生的脈動(dòng)頻率之間發(fā)生耦合[19]。這使得乙炔擴(kuò)散火焰產(chǎn)生的碳煙與氧氣得到了更充分的混合,碳煙顆粒的氧化更充分,從而導(dǎo)致低頻條件下的碳煙抑制效果更明顯。

圖4 頻率對(duì)碳煙抑制效果的影響Fig.4 Effect of frequency on soot suppression

2.2.3 噴嘴內(nèi)徑對(duì)碳煙抑制效果的影響

施加脈動(dòng)波的頻率為60、100 Hz,振幅變化范圍為0～0.08 V,燃料流量為0.06 L/min,噴嘴內(nèi)徑分別為2.5、7.0 mm。不同噴嘴內(nèi)徑對(duì)碳煙抑制效果的影響如圖5所示,從圖中可以看出,在振幅和頻率保持不變的情況下,7.0 mm和2.5 mm內(nèi)徑的噴嘴表現(xiàn)出了相同的碳煙抑制效果,這說(shuō)明噴嘴內(nèi)徑對(duì)碳煙抑制效果不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

圖5 噴嘴內(nèi)徑對(duì)碳煙抑制效果的影響Fig.5 Effect of internal diameter of thenozzle on soot suppression

2.2.4 燃料流量對(duì)碳煙抑制效果及碳煙顆粒的影響

施加脈動(dòng)波的頻率為60 Hz,振幅在0.01～0.03 V內(nèi)變化,燃料流量在0.05～0.07 L/min內(nèi)變化,噴嘴內(nèi)徑為7.0 mm。不同燃料流量對(duì)碳煙抑制效果的影響如圖6所示,從圖中可以看出,與大燃料流量相比,當(dāng)燃料流量較小時(shí),碳煙抑制效果更好。初步分析這可能是小燃料流量的火焰停留時(shí)間較短,有利于碳煙在最后過(guò)程的氧化。而大燃料流量(0.07 L/min)產(chǎn)生的乙炔擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度和火焰停留時(shí)間都要大于小燃料流量(0.05 L/min)時(shí)的情況。這一情況使小燃料流量的碳煙前驅(qū)物更容易得到氧化,碳煙生長(zhǎng)和團(tuán)聚受到的抑制效果比大燃料流量時(shí)好。

圖6 燃料流量對(duì)碳煙抑制效果的影響Fig.6 Effect of flow rate of the fuel on soot suppression

不同燃料流量下的碳煙顆粒SEM圖如圖7所示。當(dāng)燃料流量為0.05 L/min時(shí),碳煙呈現(xiàn)顆粒狀,顆粒之間排列較為緊密且顆粒大小比較均勻,顆粒與顆粒之間以鏈狀形式相連接;隨著燃料流量增大(0.06 L/min),顆粒開(kāi)始團(tuán)聚并逐漸形成塊狀;當(dāng)燃料流量增大為0.07 L/min時(shí),碳煙顆粒已經(jīng)明顯團(tuán)聚成塊。初步分析出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)樘紵熢谏仙礁邷鼗鹧鎱^(qū)域時(shí),由于流量過(guò)大,導(dǎo)致火焰停留時(shí)間更長(zhǎng),碳煙未能到達(dá)形成顆粒狀時(shí)就被氣流推出火焰,不利于碳煙最后過(guò)程的氧化,同時(shí)燃料在其中不完全燃燒,導(dǎo)致出現(xiàn)大塊狀碳煙[20]。

圖7 不同燃料流量下的碳煙顆粒SEM圖Fig.7 SEM image of soot particles under different fuel rates

2.2.5 不同脈動(dòng)波波形對(duì)碳煙抑制效果的影響

施加的脈動(dòng)波頻率和振幅分別在40～80 Hz和0～0.08 V范圍內(nèi)變化,施加的脈動(dòng)波分別為正弦波、方波和鋸齒波,燃料流量為0.06 L/min。不同脈動(dòng)波波形對(duì)碳煙抑制效果的影響如圖8所示。

圖8 不同脈動(dòng)波波形對(duì)碳煙抑制效果的影響Fig.8 Effect of wave shapes on soot suppression

從圖8中可以看出,相比正弦波,鋸齒波在一開(kāi)始時(shí)的抑制效果要好一些;但隨著振幅的增大,正弦波的碳煙抑制效果逐漸超過(guò)了鋸齒波;在3種波形中,方波具有最好的碳煙抑制效果,鋸齒波的碳煙抑制效果最差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是方波在3種波中具有最大的能量,在施加方波時(shí)乙炔擴(kuò)散火焰中產(chǎn)生的碳煙顆粒震蕩更為劇烈,碳煙顆粒氧化得更加充分。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究針對(duì)乙炔燃燒高碳煙生成的問(wèn)題,通過(guò)改變脈動(dòng)波的振幅、頻率及噴嘴內(nèi)徑、燃料流量和波形等參數(shù)來(lái)探討脈動(dòng)燃燒對(duì)碳煙抑制效果的影響。結(jié)果顯示:通過(guò)增大脈動(dòng)波的振幅,選用合適的頻率,并根據(jù)振幅和頻率來(lái)選用合適的波形有利于抑制乙炔擴(kuò)散火焰碳煙的生成。經(jīng)掃描電子顯微鏡分析收集到的碳煙,其結(jié)果表明,脈動(dòng)燃燒可以抑制碳煙顆粒的團(tuán)聚和促進(jìn)碳煙顆粒的氧化,使其顆粒變小,最終達(dá)到抑制碳煙生成的目的。本研究為抑制火焰中碳煙生成提供了一種新方法。