CN105114974A - 一种通过添加o3和ch3oh获得稳定冷焰的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法，目的在于提出一种具有燃料适用性的冷焰稳定方法，为进行冷焰结构、温度和组分浓度的测量提供条件，为研究冷焰产生、消亡及波动规律奠定基础。同时，通过调整O3和CH3OH的比例来控制燃烧过程。

Description

一种通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法
1.所属的技术领域：
本发明涉及一种燃料火焰稳定的方法，尤其涉及一种通过添加活性分子和抑制剂控制燃料低温氧化过程的方法，属于燃料火焰稳定技术应用领域。
2.背景技术
冷焰是一种出现在碳氢燃料低温燃烧过程中，持续以极缓慢的速度放热的低温火焰。作为低温燃烧区的重要阶段，冷焰对低温区的着火以及最终产物的生成有重要的影响，因此冷焰的研究对工业应用及燃烧过程的理解有着重要的作用。冷焰反应所涉及的退化支链反应加速慢且反应速率较小，在这种缓慢氧化的链式反应体系中，某些不稳定中间物的不断积累，到某一定时刻迅速分支生成自由基而消耗掉这些中间物，反应又迟缓下来，这样就造成了短时间内发光放热的冷焰现象。另一方面冷焰区退化支链反应进行的极为缓慢，温度稍有升高就被反应速率极大的一般的链分支反应替代，导致着火，冷焰过程结束，进入热焰阶段，因此要获得稳定的冷焰有很大的困难。而获得稳定的冷焰是研究及分析冷焰的前提和关键。
目前现有的获得稳定冷焰的方法，主要存在以下几个方面不足：
(1)通过改变壁面换热条件和外部加热的方法获得稳定冷焰，使得冷焰过程受到系统热力学和化学反应动力学的双重影响，而这两者紧密相关导致对冷焰规律的分析变得复杂，阻碍我们认识冷焰过程。
(2)通过等离子体产生活跃自由基的方法来稳定冷焰，然而等离子体的产生种类不受控制，在此过程中常常会产生多种物质，在燃烧过程中互相影响，导致冷焰的认识过程更为困难和复杂。
(3)针对具体燃料设计的添加活性物质获得稳定冷焰的方法，不同的燃料需要单独考虑，重新设计，燃料适用性较差。
(4)获得冷焰的燃烧条件都是预混燃烧的方式，无法清晰的观察火焰结构，测量燃烧过程中的自由基变化，不利于分析冷焰的具体结构、详细的产生过程。
3.发明内容：
本发明的目的在于提出一种具有燃料适用性的冷焰稳定方法，为进行冷焰结构、温度和组分浓度的测量提供条件，为研究冷焰产生、消亡及波动规律奠定基础。同时，通过调整O3和CH3OH的比例来控制燃烧过程。
为观察冷焰结构及测量燃烧过程中自由基的浓度变化，本发明采用对冲扩散的燃烧方式。氧化剂中O3加入后通过反应向系统提供活跃的O自由基，加快燃料(RH)的脱氢进程，缩短形成燃料的自由基(R)所需的诱导期时间，随后燃料自由基(R)与氧气的反应，更快地进入燃料的低温氧化阶段，加速燃烧的化学动力学过程。
另一方面，CH3OH与碳氢燃料的混合物在燃烧过程中，CH3OH的第一步是通过脱氢反应得到CH2OH，由于该自由基中的亚甲基基团存在未成对的电子，因此CH2OH会继续参与脱氢反应得到CH2O和自由基HO2。此时脱氢反应中最活跃的OH的增长主要通过H2O2分解得到，而在中低温条件下H2O2分解反应活化能较高，因此OH的增长受到抑制。随着HO2的积累，OH自由基的减少，HO2开始参与燃料的脱氢并占据主要地位，而HO2与甲醇之间的脱氢反应是一个反应速率较小的慢反应，造成活跃自由基的生成速率，反应系统的活性降低，燃烧的化学动力学过程减慢。因此，合适的选用O3和CH3OH的比例可以控制低温氧化过程，稳定冷焰，这个比例范围一般为1:25～1:5。
实验中使用激光诱导荧光技术(LIF)测量火焰温度分布及O和OH自由基的浓度分布。测量自由基浓度的方法为：当激光通过燃烧火焰时，调整激光的输出频率，使之和待测原子或分子的某一上下能级之间的共振跃迁频率相同，通过共振吸收将待测分子从某一电子基态激励到某一激发态，激发态的粒子向下跃迁，产生荧光信号，通过对该荧光成像获得燃烧区域自由基浓度的二维空间分布信息。测量火焰温度时选用OH基作为待测的分子，使用双波长测温法，获得OH自由基产生的荧光信号，将所得荧光信号强度相比约去浓度和荧光淬灭效应的影响，然后根据不同转动能级量子数分布所满足的波耳兹曼分布律得到温度分布。
根据本发明设计的对冲扩散火焰燃烧室由燃料喷嘴6和氧化剂喷嘴9组成，喷嘴周围管道中的N2作为燃烧过程的保护气。燃料(庚烷、辛烷、二甲醚、葵酸甲酯等)、抑制剂(甲醇)和预热后的氮气分别通过各自进口1、15、14注入恒温预热的汽化室3，汽化之后燃料/抑制剂/氮气混合物进入实验台上部的燃料喷嘴6中。实验中采用高纯度的氧气作为氧化剂，通过进口13进入管道，当需要向实验中添加臭氧时，关闭图中氧气管路中的旁路阀12，则氧气通过臭氧发生器11产生一定浓度的臭氧，并与剩余氧气混合进入实验台下部的氧化剂喷嘴9。
混合物出口设有对应的温度测点5，在实验过程中，采用PID控制器控制上部燃料喷嘴和下部氧化剂喷嘴的出口混合物的温度。臭氧的浓度通过臭氧发生器前后氧气的浓度进行换算得到，氧气浓度由浓度测点10测得。物质流量通过管路中的阀门进行调节，各物质的管道出口均设有流量测点2。CCD摄像机13显示冷焰的图像，LIF激光束14测量冷焰中心区的温度分布以及O和OH自由基的浓度分布。
实验过程中根据燃料的种类，不同的分子结构，调节O3和CH3OH的比例控制氧化燃烧过程，得到稳定的冷焰。
本发明与现有技术相比主要的区别在于现有技术无法得到持续稳定的冷焰，并且获得冷焰的方法对冷焰生成过程影响复杂，阻碍对冷焰规律的认识；而本发明从化学反应动力学角度出发，考虑O3的加入加速自由基的形成，加速低温区的化学反应，缩短冷焰的诱导期，增强冷焰的剧烈程度；CH3OH作为低温氧化过程的抑制物，可以改变OH自由基的浓度，减缓反应进程，对冷焰的稳定性产生影响。
综合考虑两者对燃烧过程的影响，改变O3和CH3OH的比例，可以控制碳氢燃料低温燃烧过程，在工业应用中帮助寻找控制HCCI的点火时间以及避免爆震现象的出现的方法，避开燃烧过程中有害物质的高生成区，指导碳氢燃料高效清洁的燃烧；选取合适的O3和CH3OH的比例，可以得到稳定的冷焰，此时冷焰的生成只受到化学反应动力学的影响，更利于认识冷焰结构及分析冷焰规律，在燃烧理论方面为构建能够反映冷焰特性的更为详细、准确的化学反应机理奠定基础。同时，本发明所用的对冲扩散燃烧方式，便于观测到火焰结构，可以很好的监测到冷焰燃烧过程中重要的中间组分(CH2O等)和自由基(O、OH等)的浓度变化，有助于分析冷焰的生成路径，由于冷焰区的低温氧化过程主要影响燃料重整的产物的纯度和产率，因此在实际生产中弄清燃料在冷焰区的反应可以帮助寻求碳氢燃料高效安全的重整的有效手段。另一方面，本发明稳定冷焰的方法对几乎所有碳氢燃料均适用，在使用过程只需要根据燃料的种类调整O3和CH3OH的配比，具有很好的通用性。
4.附图说明：
图1本发明的实验系统简图
1—燃料进口，2—流量测点，3—汽化/蒸发室，4—加热器，5—温度测点，6—燃料喷嘴，7—滞止板，8—CCD摄像机，9—氧化剂喷嘴，10—氧气浓度测点，,11—臭氧发生器，12—旁路阀，13—氧气进口，14—氮气进口，15—抑制剂(CH3OH)进口，16—LIF激光束
5.具体实施方式
以正庚烷和异辛烷具体工况为例，正庚烷在火焰拉伸率为50，燃料侧组成为7％的正庚烷、0.5％的甲醇和92.5％的氮气,温度为550K；氧化剂一侧为0.02％的臭氧和99.98％的氧气，温度为300K，可得到温度约为720K的冷焰。异辛烷在火焰拉伸率为60，燃料侧组成为12％的异辛烷、0.5％的甲醇和87.5％的氮气，温度为650K；氧化剂一侧为2％的臭氧和98％的氧气，温度为300K，可得到温度约为780K的冷焰。
对于正庚烷，在不同的火焰拉伸率及不同的燃料百分数条件下有不同的O3和CH3OH的比例，但比例大小在1：25至1：5的范围内变化。

Claims (5)

1.一种通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法，其特征在于：
为观察冷焰结构及测量燃烧过程中自由基的浓度变化，本发明采用对冲扩散的燃烧方式；氧化剂中O3加入后通过反应向系统提供活跃的O自由基，加快燃料(RH)的脱氢进程，缩短形成燃料的自由基(R)所需的诱导期时间，随后燃料自由基(R)与氧气的反应，更快地进入燃料的低温氧化阶段，加速燃烧的化学动力学过程；合理的选用O3和CH3OH的比例可以控制低温氧化过程，稳定冷焰；使用激光诱导荧光技术(LIF)测量火焰温度分布及O和OH自由基的浓度分布；测量自由基浓度的方法为：当激光通过燃烧火焰时，调整激光的输出频率，使之和待测原子或分子的某一上下能级之间的共振跃迁频率相同，通过共振吸收将待测分子从某一电子基态激励到某一激发态，激发态的粒子向下跃迁，产生荧光信号，通过对该荧光成像获得燃烧区域自由基浓度的二维空间分布信息；测量火焰温度时选用OH基作为待测的分子，使用双波长测温法，获得OH自由基产生的荧光信号，将所得荧光信号强度相比约去浓度和荧光淬灭效应的影响，然后根据不同转动能级量子数分布所满足的波耳兹曼分布律得到温度分布；
根据本发明设计的对冲扩散火焰燃烧室由燃料喷嘴6和氧化剂喷嘴9组成，喷嘴周围管道中的N2作为燃烧过程的保护气；燃料(庚烷、辛烷、二甲醚、葵酸甲酯等)、抑制剂(甲醇)和预热后的氮气分别通过各自进口1、15、14注入恒温预热的汽化室3，汽化之后燃料/抑制剂/氮气混合物进入实验台上部的燃料喷嘴6中。实验中采用高纯度的氧气作为氧化剂，通过进口13进入管道，当需要向实验中添加臭氧时，关闭图中氧气管路中的旁路阀12，则氧气通过臭氧发生器11产生一定浓度的臭氧，并与剩余氧气混合进入实验台下部的氧化剂喷嘴9；混合物出口设有对应的温度测点5，在实验过程中，采用PID控制器控制上部燃料喷嘴和下部氧化剂喷嘴的出口混合物的温度。臭氧的浓度通过臭氧发生器前后氧气的浓度进行换算得到，氧气浓度由浓度测点10测得；物质流量通过管路中的阀门进行调节，各物质的管道出口均设有流量测点2；CCD摄像机13显示冷焰的图像，LIF激光束14测量冷焰中心区的温度分布以及O和OH自由基的浓度分布；
根据燃料的种类，不同的分子结构，调节O3和CH3OH的比例控制氧化燃烧过程，得到稳定的冷焰。
2.一种如权利要求1所述的通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法，其特征在于：对于正庚烷或者异辛烷，在不同的火焰拉伸率及不同的燃料百分数条件下有不同的O3和CH3OH的比例，但比例大小在1：25至1：5的范围内变化。
3.一种如权利要求1-2所述的通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法，其特征在于：正庚烷在火焰拉伸率为50，燃料侧组成为7％的正庚烷、0.5％的甲醇和92.5％的氮气,温度为550K；氧化剂一侧为0.02％的臭氧和99.98％的氧气，温度为300K，可得到温度约为720K的冷焰。
4.一种如权利要求1-3所述的通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法，其特征在于：异辛烷在火焰拉伸率为60，燃料侧组成为12％的异辛烷、0.5％的甲醇和87.5％的氮气，温度为650K；氧化剂一侧为2％的臭氧和98％的氧气，温度为300K，可得到温度约为780K的冷焰。
5.一种如权利要求1-4所述的通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法，其特征在于：对于正庚烷或者异辛烷，在不同的火焰拉伸率及不同的燃料百分数条件下有不同的O3和CH3OH的比例，比例大小为1：15。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112664978A (zh) * 2020-12-29 2021-04-16 上海交通大学 对冲式冷火焰燃烧系统
CN112760140A (zh) * 2021-02-22 2021-05-07 重庆大学 一种基于冷焰的燃料低温部分氧化重整系统及其工作方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN85109089A (zh) * 1985-07-15 1987-01-14 美国氧化公司 产生火焰的方法及装置
JPS63143408A (ja) * 1986-12-03 1988-06-15 Babcock Hitachi Kk 高燃料比炭バ−ナ
CN1934345A (zh) * 2004-03-24 2007-03-21 丰田自动车株式会社 用于内燃机的混合气点火时间估计装置和用于内燃机的控制装置
WO2009079420A2 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 Perriquest Defense Research Enterprises Llc Plasma assisted combustion device
CN103502810A (zh) * 2011-03-07 2014-01-08 国立大学法人东北大学 燃料物性决定方法以及燃料物性决定装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN85109089A (zh) * 1985-07-15 1987-01-14 美国氧化公司 产生火焰的方法及装置
JPS63143408A (ja) * 1986-12-03 1988-06-15 Babcock Hitachi Kk 高燃料比炭バ−ナ
CN1934345A (zh) * 2004-03-24 2007-03-21 丰田自动车株式会社 用于内燃机的混合气点火时间估计装置和用于内燃机的控制装置
WO2009079420A2 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 Perriquest Defense Research Enterprises Llc Plasma assisted combustion device
CN103502810A (zh) * 2011-03-07 2014-01-08 国立大学法人东北大学 燃料物性决定方法以及燃料物性决定装置

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOSEPH K,LEFKOWITZ: "Uncertainty assessment of species measurements in acetone counterflow diffusion flames", 《PROCEEDINGS OF COMBUSTION INSTITUTE》 *
JOSEPH K,LEFKOWITZ: "Uncertainty assessment of species measurements in acetone counterflow diffusion flames", 《PROCEEDINGS OF CONBUSTION INSTITUTE》 *
WON S H,JIANG B: "Self-sustaining n-heptane cool diffusion flames activated by ozone", 《PROCEEDINGS OF COMBUSTION INSTITUTE》 *
WON S H,JIANG B: "Self-sustaining n-heptane cool diffusion flames activated by ozone", 《PROCEEDINGS OF CONBUSTION INSTITUTE》 *
YAMADA H, SUZAKI K, TEZAKI A, ET AL.: "Transition from cool flame to thermal flame in compression ignition process", 《COMBUSTION AND FLAME》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112664978A (zh) * 2020-12-29 2021-04-16 上海交通大学 对冲式冷火焰燃烧系统
CN112760140A (zh) * 2021-02-22 2021-05-07 重庆大学 一种基于冷焰的燃料低温部分氧化重整系统及其工作方法
CN112760140B (zh) * 2021-02-22 2022-03-08 重庆大学 一种基于冷焰的燃料低温部分氧化重整系统及其工作方法

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