Oh獲得穩(wěn)定冷焰的方法
【專利說明】-種通過添加〇3和CH30H獲得穩(wěn)定冷焰的方法
[0001] 1.所屬的技術(shù)領(lǐng)域：
[0002] 本發(fā)明設(shè)及一種燃料火焰穩(wěn)定的方法，尤其設(shè)及一種通過添加活性分子和抑制劑 控制燃料低溫氧化過程的方法，屬于燃料火焰穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。 2.
【背景技術(shù)】
[0003] 冷焰是一種出現(xiàn)在碳氨燃料低溫燃燒過程中，持續(xù)W極緩慢的速度放熱的低溫火 焰。作為低溫燃燒區(qū)的重要階段，冷焰對(duì)低溫區(qū)的著火W及最終產(chǎn)物的生成有重要的影響， 因此冷焰的研究對(duì)工業(yè)應(yīng)用及燃燒過程的理解有著重要的作用。冷焰反應(yīng)所設(shè)及的退化支 鏈反應(yīng)加速慢且反應(yīng)速率較小，在運(yùn)種緩慢氧化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系中，某些不穩(wěn)定中間物的 不斷積累，到某一定時(shí)刻迅速分支生成自由基而消耗掉運(yùn)些中間物，反應(yīng)又遲緩下來，運(yùn)樣 就造成了短時(shí)間內(nèi)發(fā)光放熱的冷焰現(xiàn)象。另一方面冷焰區(qū)退化支鏈反應(yīng)進(jìn)行的極為緩慢， 溫度稍有升高就被反應(yīng)速率極大的一般的鏈分支反應(yīng)替代，導(dǎo)致著火，冷焰過程結(jié)束，進(jìn)入 熱焰階段，因此要獲得穩(wěn)定的冷焰有很大的困難。而獲得穩(wěn)定的冷焰是研究及分析冷焰的 自IJ提和關(guān)鍵。
[0004] 目前現(xiàn)有的獲得穩(wěn)定冷焰的方法，主要存在W下幾個(gè)方面不足： 陽〇化](1)通過改變壁面換熱條件和外部加熱的方法獲得穩(wěn)定冷焰，使得冷焰過程受到 系統(tǒng)熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的雙重影響，而運(yùn)兩者緊密相關(guān)導(dǎo)致對(duì)冷焰規(guī)律的分析變得 復(fù)雜，阻礙我們認(rèn)識(shí)冷焰過程。
[0006] (2)通過等離子體產(chǎn)生活躍自由基的方法來穩(wěn)定冷焰，然而等離子體的產(chǎn)生種類 不受控制，在此過程中常常會(huì)產(chǎn)生多種物質(zhì)，在燃燒過程中互相影響，導(dǎo)致冷焰的認(rèn)識(shí)過程 更為困難和復(fù)雜。
[0007] (3)針對(duì)具體燃料設(shè)計(jì)的添加活性物質(zhì)獲得穩(wěn)定冷焰的方法，不同的燃料需要單 獨(dú)考慮，重新設(shè)計(jì)，燃料適用性較差。
[0008] (4)獲得冷焰的燃燒條件都是預(yù)混燃燒的方式，無法清晰的觀察火焰結(jié)構(gòu)，測(cè)量燃 燒過程中的自由基變化，不利于分析冷焰的具體結(jié)構(gòu)、詳細(xì)的產(chǎn)生過程。 3.
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0009] 本發(fā)明的目的在于提出一種具有燃料適用性的冷焰穩(wěn)定方法，為進(jìn)行冷焰結(jié)構(gòu)、 溫度和組分濃度的測(cè)量提供條件，為研究冷焰產(chǎn)生、消亡及波動(dòng)規(guī)律奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，通過 調(diào)整〇3和CH30H的比例來控制燃燒過程。
[0010] 為觀察冷焰結(jié)構(gòu)及測(cè)量燃燒過程中自由基的濃度變化，本發(fā)明采用對(duì)沖擴(kuò)散的燃 燒方式。氧化劑中〇3加入后通過反應(yīng)+(.w) 〇+(A/)向系統(tǒng)提供活躍的0自由基， 加快燃料（RH)的脫氨進(jìn)程，縮短形成燃料的自由基（時(shí)所需的誘導(dǎo)期時(shí)間，隨后燃料自由 基（時(shí)與氧氣的反應(yīng)，更快地進(jìn)入燃料的低溫氧化階段，加速燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程。
[0011] 另一方面，C&OH與碳氨燃料的混合物在燃燒過程中，C&OH的第一步是通過脫氨 反應(yīng)得到邸2〇扎由于該自由基中的亞甲基基團(tuán)存在未成對(duì)的電子，因此CHzOH會(huì)繼續(xù)參與 脫氨反應(yīng)得到邸2〇和自由基冊(cè)2。此時(shí)脫氨反應(yīng)中最活躍的OH的增長(zhǎng)主要通過&〇2分解 得到，而在中低溫條件下&〇2分解反應(yīng)活化能較高，因此0H的增長(zhǎng)受到抑制。隨著冊(cè)2的 積累，0H自由基的減少，冊(cè)2開始參與燃料的脫氨并占據(jù)主要地化而冊(cè)2與甲醇之間的脫 氨反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng)速率較小的慢反應(yīng)，造成活躍自由基的生成速率，反應(yīng)系統(tǒng)的活性降低， 燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程減慢。因此，合適的選用〇3和CH3OH的比例可W控制低溫氧化過程， 穩(wěn)定冷焰，運(yùn)個(gè)比例范圍一般為1:25~1:5。 陽01引實(shí)驗(yàn)中使用激光誘導(dǎo)巧光技術(shù)化I巧測(cè)量火焰溫度分布及0和0H自由基的濃度 分布。測(cè)量自由基濃度的方法為：當(dāng)激光通過燃燒火焰時(shí)，調(diào)整激光的輸出頻率，使之和待 測(cè)原子或分子的某一上下能級(jí)之間的共振躍遷頻率相同，通過共振吸收將待測(cè)分子從某一 電子基態(tài)激勵(lì)到某一激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的粒子向下躍遷，產(chǎn)生巧光信號(hào)，通過對(duì)該巧光成像獲 得燃燒區(qū)域自由基濃度的二維空間分布信息。測(cè)量火焰溫度時(shí)選用0H基作為待測(cè)的分子， 使用雙波長(zhǎng)測(cè)溫法，獲得0H自由基產(chǎn)生的巧光信號(hào)，將所得巧光信號(hào)強(qiáng)度相比約去濃度和 巧光澤滅效應(yīng)的影響，然后根據(jù)不同轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)量子數(shù)分布所滿足的波耳茲曼分布律得到溫 度分布。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的對(duì)沖擴(kuò)散火焰燃燒室由燃料噴嘴6和氧化劑噴嘴9組成，噴嘴 周圍管道中的N2作為燃燒過程的保護(hù)氣。燃料（庚燒、辛燒、二甲酸、葵酸甲醋等）、抑制劑 (甲醇）和預(yù)熱后的氮?dú)夥謩e通過各自進(jìn)口 1、15、14注入恒溫預(yù)熱的汽化室3,汽化之后燃 料/抑制劑/氮?dú)饣旌衔镞M(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)上部的燃料噴嘴6中。實(shí)驗(yàn)中采用高純度的氧氣作為 氧化劑，通過進(jìn)口 13進(jìn)入管道，當(dāng)需要向?qū)嶒?yàn)中添加臭氧時(shí)，關(guān)閉圖中氧氣管路中的旁路 閥12,則氧氣通過臭氧發(fā)生器11產(chǎn)生一定濃度的臭氧，并與剩余氧氣混合進(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)下部 的氧化劑噴嘴9。
[0014] 混合物出口設(shè)有對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)5,在實(shí)驗(yàn)過程中，采用PID控制器控制上部燃料 噴嘴和下部氧化劑噴嘴的出口混合物的溫度。臭氧的濃度通過臭氧發(fā)生器前后氧氣的濃度 進(jìn)行換算得到，氧氣濃度由濃度測(cè)點(diǎn)10測(cè)得。物質(zhì)流量通過管路中的閥口進(jìn)行調(diào)節(jié)，各物 質(zhì)的管道出口均設(shè)有流量測(cè)點(diǎn)2。CCD攝像機(jī)13顯示冷焰的圖像，LIF激光束14測(cè)量冷焰 中屯、區(qū)的溫度分布化及0和0H自由基的濃度分布。
[0015] 實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)燃料的種類，不同的分子結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)〇3和CH3OH的比例控制氧化燃 燒過程，得到穩(wěn)定的冷焰。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比主要的區(qū)別在于現(xiàn)有技術(shù)無法得到持續(xù)穩(wěn)定的冷焰，并且 獲得冷焰的方法對(duì)冷焰生成過程影響復(fù)雜，阻礙對(duì)冷焰規(guī)律的認(rèn)識(shí)；而本發(fā)明從化學(xué)反應(yīng) 動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，考慮〇3的加入加速自由基的形成，加速低溫區(qū)的化學(xué)反應(yīng)，縮短冷焰的 誘導(dǎo)期，增強(qiáng)冷焰的劇烈程度；C&OH作為低溫氧化過程的抑制物，可W改變0H自由基的濃 度，減緩反應(yīng)進(jìn)程，對(duì)冷焰的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
[0017] 綜合考慮兩者對(duì)燃燒過程的影響，改變〇3和CH3OH的比例，可W控制碳氨燃料低 溫燃燒過程，在工業(yè)應(yīng)用中幫助尋找控制HCCI的點(diǎn)火時(shí)間W及避免爆震現(xiàn)象的出現(xiàn)的方 法，避開燃燒過程中有害物質(zhì)的高