吳心祎， 吳婧瑄， 龔 巖， 于廣鎖,2

（1.華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所, 上海 200237；2.寧夏大學(xué)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(chǔ)能源和戰(zhàn)略原料，煤炭的清潔高效利用是社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的客觀要求，也是保障國家能源安全的現(xiàn)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(shù)，是煤基大宗化學(xué)品合成、煤制液體燃料、煤制天然氣和制氫等過程工業(yè)的龍頭技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)[3]。在大型水煤漿氣化技術(shù)發(fā)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(nèi)耐火襯里的失效，這直接導(dǎo)致氣化爐運行周期縮短、生產(chǎn)成本增加，極大地影響了超大型氣化裝置長周期、高效、穩(wěn)定運行。高溫火焰侵蝕是導(dǎo)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(fā)和爐膛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，現(xiàn)階段新型耐火材料的研制還未實現(xiàn)大規(guī)模突破，而通過優(yōu)化耐火襯里結(jié)構(gòu)以延長其壽命的效果有限，耐火襯里失效仍是氣化技術(shù)面臨的共性難題[4]。不同爐型的蝕損和失效的區(qū)域亦有所區(qū)別，不同氣化技術(shù)的蝕損問題解決方法不具備普適性[5]。因此，亟待開發(fā)一種靈活且通用的火焰動態(tài)調(diào)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(wěn)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(jì)起，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了電場對火焰的影響研究。Calcote 等[6]通過實驗發(fā)現(xiàn)電場會影響火焰的穩(wěn)定性?；鹧鎯?nèi)帶電離子受到電場作用后，快速移動的離子會對載氣產(chǎn)生阻力而導(dǎo)致氣體流動，即產(chǎn)生離子風(fēng)效應(yīng)。Weinberg 等[7]從離子風(fēng)效應(yīng)和帶電離子運輸效應(yīng)的定量關(guān)系出發(fā)，指出離子風(fēng)效應(yīng)產(chǎn)生的實際效果取決于當(dāng)前的電流密度。文獻[8]發(fā)現(xiàn)，電子溫度對電場也有較強的敏感度，當(dāng)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(yīng)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(xué)電離產(chǎn)生的，在燃燒過程中會產(chǎn)生CHO+、H3O+等正離子，其數(shù)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(dǎo)火焰中正離子和中性粒子向負(fù)極運動，當(dāng)火焰中正離子和中性粒子發(fā)生碰撞時，正離子會優(yōu)先加速向負(fù)極運動，它的部分動量轉(zhuǎn)移到中性粒子上，從而產(chǎn)生體積力和離子風(fēng)，使得火焰外觀變化[11-12]。離子風(fēng)效應(yīng)被認(rèn)為是直流電場影響火焰燃燒過程的主要機理，其實質(zhì)就是電場所引起的離子定向移動。文獻[13]認(rèn)為離子風(fēng)效應(yīng)還與外加電場強度以及火焰在電場中駐留的時間相關(guān)。

Lewis 等[14]通過實驗發(fā)現(xiàn)消除正離子會導(dǎo)致火焰的熄滅，證明了正離子在維持火焰穩(wěn)定性中起到了關(guān)鍵作用。文獻[15-16]驗證了電場對預(yù)混火焰及非預(yù)混射流火焰穩(wěn)定性的影響。文獻[17]基于離子風(fēng)效應(yīng)，研究了直流電場對層流非預(yù)混乙烯火焰的作用，發(fā)現(xiàn)在正電壓下可以觀察到不穩(wěn)定的波動火焰，此現(xiàn)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(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)離子風(fēng)可以促進火焰的穩(wěn)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(chǎn)生不同的效果[19]。Boom 等[20]通過實驗發(fā)現(xiàn)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?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀l(fā)現(xiàn)火焰的傳播速度隨著施加電場強度的增加而增加；且正負(fù)電場都會增強火焰的穩(wěn)定性，而負(fù)電場的效應(yīng)更顯著[23]。在點電極下施加負(fù)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?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀電極對火焰?zhèn)鞑サ拇龠M作用最為顯著，柱狀電極次之，點電極最弱，與各形狀電極產(chǎn)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(xiàn)火焰實際的燃燒情況，數(shù)值模擬結(jié)果表明電場可以改變火焰形狀、促進燃燒、提高離子的產(chǎn)生。

由于爐膛內(nèi)火焰過于復(fù)雜，且電場對火焰穩(wěn)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(wěn)定性的可能性。與傳統(tǒng)方法不同，本研究并非通過調(diào)整氣化爐噴嘴參數(shù)以達(dá)到穩(wěn)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(shù)調(diào)控非預(yù)混擴散火焰，從而提高火焰穩(wěn)定性，降低由于火焰脈動而產(chǎn)生的燃燒不穩(wěn)定性。本文為降低氣化爐內(nèi)火焰對耐火磚壁面的侵蝕提供了理論依據(jù)和實踐參考。

1 實驗系統(tǒng)及方法

本實驗系統(tǒng)采用雙通道非預(yù)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(zhì)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(zhì)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。可調(diào)直流高壓電源在噴嘴和環(huán)形石墨電極之間施加單向電場，直流電源負(fù)極通過高壓電纜與鉑-銠合金連接于環(huán)形石墨電極，并置于火焰上方的線圈內(nèi)，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(huán)形支架之間均采用耐高壓絕緣連接?？烧{(diào)電源與工作站相連，通過數(shù)控軟件在線調(diào)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(shù)據(jù)經(jīng)工作站儲存和分析。其中，可調(diào)直流高壓電源的電壓調(diào)節(jié)范圍為800～10 000 V，設(shè)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(shù)如表1 所示。對于同軸射流火焰而言，雷諾數(shù)是判斷其燃燒形態(tài)的重要依據(jù)。通常，層流擴散火焰向湍流擴散火焰過度的臨界雷諾數(shù)（Rec）為2 000～10 000[27]，經(jīng)計算，本研究中的火焰雷諾數(shù)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(wěn)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(guān)，只和初始體積流量（Q）有關(guān)[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(yù)混甲烷-氧氣火焰，當(dāng)量比（λ）即為1.0。當(dāng)量比的具體定義為：氧氣和甲烷實際的物質(zhì)的量之比與氧氣和甲烷完全燃燒時物質(zhì)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(xiàn)顯著的振蕩情況。為進一步用數(shù)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(xiàn)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(xiàn)火焰變化，選取212的灰階度，將火焰圖像轉(zhuǎn)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(yù)混甲烷-氧氣火焰，當(dāng)其未施加電場時會出現(xiàn)顯著的振蕩現(xiàn)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(tài)圖經(jīng)數(shù)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(yù)混甲烷-氧氣火焰在未施加電場時呈現(xiàn)較為規(guī)律的振蕩，且火焰振蕩的幅度隨λ的增加先上升，直至當(dāng)λ=1.3 時，再逐漸減小，并趨于穩(wěn)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(shù)。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(guān)；對于環(huán)形電極而言，其軸向電場強度與電壓及軸向距離有關(guān)；這兩種情況（勻強電場和環(huán)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(nèi)部場強較為復(fù)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(fā)，探討電場對于火焰穩(wěn)定性的影響。

2.1 電壓對火焰穩(wěn)定性影響

當(dāng)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(yù)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(dāng)電壓達(dá)到3.1 kV 時，火焰的振蕩幾乎停滯（圖5（d））。繼續(xù)提高所施加的電壓至4.0 kV時，火焰依舊維持穩(wěn)定狀態(tài)（圖5（f））。

圖5 火焰振蕩情況與直流電壓的關(guān)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(guān)系更清晰地反映出火焰由振蕩歸于平穩(wěn)的變化情況，如圖6 所示。經(jīng)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(yīng)的頻率值代表了火焰振蕩的頻率。當(dāng)火焰尚不穩(wěn)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(nèi)，存在一個特征峰。當(dāng)電壓達(dá)到3.1 kV 時，火焰趨于穩(wěn)定，其對應(yīng)的能譜圖中亦無特征峰，各工況的峰值出現(xiàn)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(yù)混層流甲烷-氧氣火焰而言，當(dāng)直流電壓達(dá)到3.1 kV 時，其燃燒趨于穩(wěn)定，后文將此電壓值簡稱為穩(wěn)定電壓。

圖6 火焰振蕩能譜圖與直流電壓的關(guān)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(wěn)定性的影響

對于不同氣體混合比的甲烷-氧氣火焰，其穩(wěn)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(dāng)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(wěn)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(dāng)量比。測量結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同電極間距下火焰穩(wěn)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(wěn)定電壓會受到電極間距的影響。當(dāng)電極間距差別較小時，其對火焰穩(wěn)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(dāng)量比火焰所對應(yīng)的穩(wěn)定電壓進行比較，可以發(fā)現(xiàn)，對于相同當(dāng)量比的火焰，電極間距越大，所需的穩(wěn)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(yù)混甲烷-氧氣火焰，其穩(wěn)定電壓隨當(dāng)量比的變化趨勢是一致的，即穩(wěn)定電壓先隨當(dāng)量比的增加而增加，直至當(dāng)量比達(dá)到1.2～1.3 時，穩(wěn)定電壓達(dá)到峰值；隨后，穩(wěn)定電壓會隨著當(dāng)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(dāng)量比的變化規(guī)律基本一致。

上述結(jié)果表明，當(dāng)對非預(yù)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(wěn)定性，推斷其原因是由于正向電場使得火焰內(nèi)正離子定向運動，產(chǎn)生離子風(fēng)效應(yīng)，填補了由于燃料及氧氣密度不同所產(chǎn)生的漩渦結(jié)構(gòu)，故火焰的振蕩現(xiàn)象逐漸減弱直至消失。當(dāng)電極間距不同，當(dāng)量比為1.0～1.3 時，甲烷-氧氣非預(yù)混層流火焰的穩(wěn)定電壓隨初始振幅的增長單調(diào)遞增，如圖8 所示。將圖8 結(jié)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(dāng)電極間距為8 cm 時，其穩(wěn)定電壓隨初始振幅變化的擬合直線的相關(guān)系數(shù)R2＞0.990 00，而其余電極間距下，穩(wěn)定電壓隨初始振幅的增長均無法滿足線性關(guān)系。

圖8 不同電極間距下初始振幅與穩(wěn)定電壓的關(guān)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(jié) 論

（1）高壓直流電場可以增強脈動層流火焰的穩(wěn)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(wěn)定性的效果越強。對于當(dāng)量比為1.0～1.3 的甲烷-氧氣非預(yù)混層流火焰，穩(wěn)定電壓與火焰初始脈動振幅（當(dāng)量比）呈單調(diào)遞增的關(guān)系，初始振幅（當(dāng)量比）越大，火焰所需的穩(wěn)定電壓就越高。穩(wěn)定電壓通常在火焰當(dāng)量比為1.3 時達(dá)到峰值，隨后火焰的初始振幅隨當(dāng)量比的增加而減小，穩(wěn)定電壓也隨著初始振幅單調(diào)遞減。

（2）電極間距對電場穩(wěn)定火焰的能力產(chǎn)生一定影響，但其影響較小，只有當(dāng)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(yù)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(wěn)定相同振蕩幅度的火焰（即同一當(dāng)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(wěn)定效果越好；電場強度越低，直流電場對火焰穩(wěn)定性的影響越小。