作者：张毅
标准状态下，根据燃料发热量的大小可将其分为高热值燃料、中热值燃料和低热值燃料[1]，[2]。高热值燃料的热值大于15.07 MJ/m3，如天然气、甲烷等；中热值燃料的热值为6.28—15.07 MJ/m3,如填埋气、以氧气为气化剂的合成煤气和转炉煤气等；低热值燃料的热值小于6.28 MJ/m3，如以空气为气化剂的合成煤气、生物质气化气和高炉煤气等。以生物质气化气和高炉煤气为代表的典型低热值燃料，来源广、产量大，受到广泛关注。充分利用这些低热值燃料，不仅能扩宽可利用燃料的范围，节约主流燃料，而且生产或转化中低热值燃料也是处理钢厂放散气、副产气、废弃物和垃圾填埋气、生物质气化气的过程，有利于净化环境和控制污染物排放。
然而，由于低热值燃料具有热值较低、稀释气体含量较高、火焰传播速度较慢等特点，使其洁净、稳定燃烧的难度相当大，须要采取有针对性的措施和解决方案一在改进低热值燃气燃烧技术中，以H20作为燃烧添加剂的辅助技术由来已久。近年来，国内外学者就H20对燃气燃烧性能的影响进行了多方面研究，其中H20对火焰结构、稳定性、火焰速度、排放物水平的影响及相关化学动力学机理的模拟为研究的主要内容。顾欣通过实验和数值模拟发现，甲烷一空气混合燃料加H20后，回流区轴向距离缩短，回流强度减弱，使燃烧的稳定性变差，更容易产生局部熄火[3]。Mazas A在不同当量比和H20添加比例下，对甲烷预混燃烧的层流火焰传播速度进行了实验研究，随着H2O添加量的增加，层流火焰速度下降．并且在贫燃状态时表现得更加明显[4] 。T Bnushaki采用实验和数值模拟的方法，在不同当量比和不同H2O添加比例下．研究了在甲烷一空气混合燃料中添加H20对层流火焰传播速度的影响，结果表明，加H2O使火焰传播速度减慢[5]。Li比较了添加N2，H20，C02和Ar对甲烷燃烧NOx排放水平的影响，认为H20稀释是NOx减排的最有效手段[6]。Belokon研究了模型燃烧室中甲烷一湿空气燃烧扩散火焰的NOx排放及燃烧效率，实验结果表明，加H20量增加，
N0x含量显著降低，CO和LTHC含量增加，燃烧效率下降同。
各国学者对燃气轮机燃烧室加H20燃烧进行了一系列研究，选用的燃料以甲烷为主。燃气加H20，一方面能够降低燃烧温度和减少N0x排放：另一方面也带来燃烧稳定性变差、燃烧效率下降、火焰传播速度降低等问题。鉴于加H20燃烧的优越性能和潜在不利因素同时并存的问题，为充分发挥加H20燃烧的优势，并避免或控制对燃烧的不利影响，有必要对其影响进行更细致、深入的研究。本文以CO为研究对象，在平口烧嘴上考察了CO和CH4熄火特性的区别，研究了添加不同N2比例对熄火特性的影响，以及H20对CO预混燃烧熄火特性的影响。通过Chemkin软件对添加不同比例H20的CO层流火焰速度和敏感性系数变化进行了模拟计算，期望能为以CO为主要可燃成分的低热值燃料的洁净稳燃设计提供参考。
1 实验装置及实验过程
1.1实验装置
本文实验是预混燃烧，即在点火前将燃料、含H20空气充分混合。根据实验需要，燃气中的一路或多路首先进入燃料混合器充分混合，接着与空气、H20在燃烧前混合器中充分混合。上述两个混合器内部均设置多孔板，使气体混合得更加均匀。如图1所示，实验采用平口烧嘴，直径为12 mm，长度为80 mm,平口烧嘴、入口管和底座均可拆卸 由于燃料和空气在进人入口管之前已充分混合．因此入口管只有一根；为保证在出口处燃料和空气混合得均匀稳定，烧嘴管应有一定的长度。实验时，首先点火，待火焰稳定燃烧后，逐渐缓慢减小燃气流量。每次减小流量，均要保持火焰稳定燃烧一段时间，然后再继续减小流量，直至火焰熄灭。实验中，记录燃烧过程和熄火前一刻的数据，用于贫熄相关的计算。
1.2实验台布置
实验系统如图2所示。进口燃料由高压储气罐提供，并经过两级减压阀减压；由下游的质量流量控制器(MFC)控制流量（精度0.5%）。按实验所需比例混和的不同组分气体，进入燃烧混合器中快速形成均匀混气，随后在燃烧前混合器中与来自稳压罐的空气混合，最终由点火器在烧嘴出口附近点燃。空气由风机提供，通过转子流量计调节流量，在进行加H2O实验时，开启空气加热器，其主要作用是加热空气，并防止与蒸汽混合后冷凝。试验中燃料流量和压力数据信号由LabVIEW软件采集。
1.3 H20添加管路布置
由于本实验所要研究的是气态H20对火焰 稳定性的影响，因此需要专门的仪器将其转化为气态。本实验选用的汽化器能将进入其中的液态H20迅速完全汽化，并且能通过配套温控仪控制出口蒸汽温度，最高汽化温度为600 0C。
实验中要严格控制水蒸汽的流量，因此采用在汽化器前控制流量的方式，使用了能够比较精确控制微小流量的蠕动泵。通过控制蠕动泵的转速来精确控制汽化器的入口流量。蠕动泵的流量范围为0.000 11～190 ml/min，最高转速为50 r/min,转速分辨率为0.1，精度误差小于0.5%。在蒸汽流动的管路和蒸汽与燃料、空气的混合气体流通的管路上均布置有加热带，并通过温控仪控制其加热温度，以确保参加燃烧的H20为气态二实验的相关管路采用了耐温材料。
1.4实验过程
首先，调节空气量保持在一定值不变，再调节燃气流量至设计值，用点火器点火，待火焰稳定后，逐渐缓慢减小燃气流量直至熄灭，最后记录熄火时刻的CO，N2和空气的流量。熄火特性实验主要是记录熄火瞬间的燃烧状态以及熄火时刻的数据，进而根据得到的一系列数据进行特性分析。
由于常压下N2为气态，因此在添加N2的实验研究中，可以与燃料同时通过MFC控制流量，相对于燃料CO的比例来计算添加比，操作比较方便。通过蠕动泵控制面板独立操作来控制H2O的添加比例，为方便实验的操作，H20添加比的参考对象为空气流量，且仍为体积比。在研究H20对CO预混火焰熄火特性的影响时，首先调节空气量和蠕动泵转速保持在一定值不变，即固定空气量和水量，调节燃气流量至设计值，再用点火器点火：待火焰稳定后，按比例逐渐缓慢减小燃气流量直至熄灭，记录熄火时刻的CO，N2，H20和空气的流量值；然后，按照单因子变量原则，将水量调节为下一个设计值并同定，按照上述步骤做下一组实验；最后，整理昕有记录数据，并作数据分析和处理。为比较不同添加剂的影响差异，计算中作为添加剂的N2和H20均不计入当量比中。另外，本文的当量比均为平口烧嘴出口之前的混合当量比，不计出口周围空气的影响。
2实验结果与分析
2.1 CO与CH4熄火特性的比较
CH4是热值高、可燃范围广、稳定性好的燃气，广泛应用于现实生活中，也一直被用于与燃烧有关的科研实验中。本文重点研究以高炉煤气为背景的低热值燃料，CO是主要的可燃成分，由于CO热值低、不易点燃、燃烧稳定性差，实际应用较少，尤其是以CO作为单一燃料的应用。因此，将CH4燃料作为实验参照，比较分析CO与CH4熄火特性的差异。
图3所示为以空气流量值为横坐标，熄火当量比为纵坐标的CO和CH4的熄火特性对比。
由图3可知：①同一实验条件下．CO的稳定燃烧范围远小于CH4。从曲线上方的稳定工作范围看，CO对应的熄火曲线明显比CH4窄；从可燃极限空气流量的范围来看，CH4临界空气量约为2.0 m3／h，CO的临界值约为0.6 m3/h。②CO极小值点的位置相对于CH4明显居左，前者在0.1 m3/h左右，而后者大于0.8 m3／h。在各自临界空气量范围内的极值点两侧，CO的熄火当量比的变化比CH4更剧烈，尤其是在极值点右侧，CH4相应的曲线走势很平稳，而C0相直曲线走势陡峭综上5斤述，C0熄火特性曲线上方稳定燃烧的区域范围更窄小，即CO的稳定性比CH4稳定性差。
2.2 N2对CO预混燃烧熄火特性的影响
在中低热值燃料中，除可燃成分CO外，还含有不可燃．但对燃烧反应起促进或抑制作用的其他成分，如C02，N2等。N2是合成气、高炉煤气、生物质气化气等中低热值燃料中主要不可燃成分。因此，进一步对C0燃料在添加不同比例N2情况下的熄火特性进行了实验和分析。
由于实验室的N2质量流量控制器(MFC)只有在给定流量大于0.24 L/min时．MFC的返回示数才会稳定，而当N2添加比例小于20%时，有部分N2添加量小于0.24 Umin。因此，为减少误差，同时考虑到实际低热值燃料中N2含量范围，本实验的N2添加比设定在20%—70%。
以空气流量为横坐标，熄火当量比为纵坐标的实验数据处理结果如图4所示。由图4可以看出，不同N2添加比下的特性曲线都呈现逐渐上升的趋势，且斜率越来越大。就不同N2比例的曲线来看，同一空气量下，随着N2比例的增大，熄火当量比逐渐增大；在空气人口流量较小时，添加不同比例N2对熄火当量比影响不大，而在空气流量较大时，熄火当量比变大的程度越来越显著。因此，N2添加比例越高，混合燃气的燃烧稳定性越差。
2.3 H20对CO熄火特性的影响
在进行CO燃料添加H20的实验中，为了更明确地显示H20添加比例的影响，把空气量固定为0.3 m3/h，结果如图5所示。
图5显示，在空气量为0.3 m3/h的条件下，特性曲线的形状大致呈“V”型，即在一定H20比例范围内，熄火当量比随H20比例增大而减小，而超过这一范围．熄火当量比随H20比例增大而增大。实验条件下．水蒸气添加比例为3%~15%时出现熄火当量比极小值：综合以上分析可以得出，添加H20可以在一定范围内减小C0的熄火当量比，提高CO预混火焰的稳定性，而超过这一范围时，火焰稳定性降低。
通过以上对比可见，对于CO为主要可燃成分的低热值燃料预混燃烧，H20与N2的作用差异显著，添加H2O能在一定条件下体现为与惰性和稀释特性相反的作用。可以推断，向以CO为主的混合燃料中添加适量的H20有可能产生增强燃烧和提高火焰稳定性的促进作用。
3数值模拟分析
3.1 H20对CO燃料层流火焰速度的影响
火焰传播速度能直接且显著地影响平口烧嘴火焰的稳定性，增大火焰传播速度能够增强火焰稳定性；降低火焰传播速度将减小火焰稳定性[8]。因此，本文利用Chemkin软件的Premix模型，选用GRI 3.0 燃烧反应机理，对添加不同比例H20的CO混合燃料层流火焰速度进行了数值模拟，从层流火焰速度变化的角度解释火焰熄火特性的变化，并通过敏感性分析，阐述基元反应的变化。
添加不同比例H20之后，层流火焰速度模拟结果如图6所示。向CO中加入H20，能在一定范围内显著提高层流火焰传播速度，并在到达极大值后减小，这与熄火当量比随添加H20比例变化的趋势在机理上相吻合。这表明了向以C0为主要可燃成分的低热值燃料中添加不同比例的H20，能改变其火焰传播速度，进而影响火焰的稳定性。
3.2 H20对CO燃料层流火焰速度影响的敏感性分析
Chemkin后处理程序的敏感性分析能够直观地分析组分、基元反应、反应条件等因素对系统温度、层流火焰传播速度等反应参数变化的敏感程度，也即某一条件的改变对研究参数的影响程度。量化这一敏感程度的参数为敏感性系数。根据敏感性系数的大小可以考察哪些变量对目标参数影响较大，哪些变量影响较小。在分析层流火焰传播速度对基元反应敏感性分析时，敏感性系数为正值表示基元反应具有使层流火焰传播速度增大的作用：敏感性系数为负值表示基元反应具有使层流火焰传播速度减小的作用：敏感性系数绝对值越大，相应的作用越明显。通过对层流火焰传播速度的基元反应敏感性分析，能够找出
CO中加入H20后新产生的化学反应或加强的化学反应。
图7为在C0中添加H20的比例不大于10%的敏感性系数分布。由图7可见，向CO中添加H20后，对层流火焰传播速度影响最大的基元反应是链传递反应R99．其次是链分支反应R46、链终止反应R45，R36等，其中R45和R36具有负的敏感性系数。图7表明，在H20比例为0.2%`~10%时，随着H20比例的增大，R99和R46敏感性系数逐渐增大，且在H20比例为0.5%～5%时增幅最大，而后增幅逐渐减小，加之R36和R45的负敏感系数在数值上随H20比例增大而逐渐增大（相对R99和R46的值仍较小），使层流火焰传播速度增大的作用逐渐减弱。因此，随着H20比例的增大，层流火焰传播速度一开始迅速增大，接着增幅逐渐减小，并达到极大值。
图8为在CO中添加H20的比例不小于10%时的敏感性系数分布。随着H20比例的继续增大，具有正敏感性系数的链分支反应R99和R46变化较小；在负敏感性系数一侧，链终止反应R35的敏感性系数值迅速增大，使降低火焰传播速度的作用更强，即随着H20比例的继续增大，层流火焰传播速度开始减小。
从化学动力学角度看，纯CO在干燥空气中燃烧，由于没有OH，H等含H基团的参与，其主要基元反应：
等基元反应，产生大量的H，OH基等活性很强的粒子，其中，自由基H是加速火焰速度最有效的基团，它在链分支反
应中起到了决定性作用[9]，[11]。这些活性粒子浓度的增大，强化了基元反应，增大了火焰传播速度
然而，H20含量的继续增大，又会不同程度地影响这些基元反应，使某些基元反应增强，而另一些基元反应减弱：最终层流火焰传播速度的大小和变化趋势是所有基元反应共同作用的结果，综合表现为：随着H20添加比例的持续增大，层流火焰传播速度先变大后减小。向CO中添加H2O能提高火焰稳定性的原因：提高了吹熄点附近燃烧区域的活性粒子H，OH基的浓度，提高了化学反应速率，更快释放燃烧的热量，有利于增强燃烧稳定性。从化学动力学角度看，添加H2O对火焰传播速度与燃烧稳定性的影响具有相同的内因[9]
4结论
本文对以CO为主要成分的混合燃料进行了预混火焰熄火特性实验及相关数值模拟研究。
实验比较了CH4和CO的燃烧稳定性差异，CO相比于CH4更难点火，稳定燃烧的范围更窄。
实验表明：向以CO为主要可燃成分的燃料中添加H20和添加N2，呈现出显著的差异。添加N2可降低预混火焰稳定性；在一定比例范围内，添加H20能够提高CO预混火焰的稳定性，在添加比例为3%~15%时有极值点。
模拟计算表明，随着H20添加比例的加大，层流火焰速度先迅速增大到极大值，而后减小，这和熄火当量比的变化趋势在机理上吻合，且极值点出现的区间也相一致。敏感性分析表明：C0中添加适当比例的H20能增大火焰传播速度和稳定性，其原因是添加H2O后昕产生的H，OH等基团，增强了OH+CO <=>H+CO2和H+H02<=>20H等链传递反应的反应速率．增大了火焰速度，强化了燃烧：
5摘要：
针对以CO为主要可燃成分的低热值燃气，设汁加T了平口烧嘴装置。在该装置上进行了 CO与CH4 预混熄火特性的对比实验；考察了H20，N2对C0预混火焰熄火特性的影响。结果表明：与CH4相比,CO点火 困难，稳定燃烧范围更窄；随着N2添加比的增大，熄火当量比逐渐增大；添加适当比例的H20能够提高预混火焰的稳定性。采用CHEMKIN软件对在实验气体中添加不同比例H20的层流火焰速度和敏感性系数进行了模拟计算，对比实验熄火特性曲线和层流火焰速度变化曲线，发现两者变化趋势相近，并且均在H20的添加比例为3%～15%时出现极值点。
