DME与丙烷氮气稀释扩散火焰的抬升特性对比 周杰.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：114829 DME与丙烷氮气稀释扩散火焰的 抬升特性对比 周杰1,2，艾育华1，王宝瑞1，孔文俊1，王岳1 （1. 中国科学院轻型动力重点实验室，中国科学院工程热物理研究所，北京，100190； 2. 中国科学院研究生院，北京 100039） （Tel：010Email：wjkong@mail.etp.ac.cn） 摘要：本文实验研究了氮气稀释条件下DME层流扩散火焰的抬升特性，并与丙烷的实验结果进行了对比。实验主要研究了燃料流量、稀释剂流量及混合物组分（Sc数）对火焰抬升特性的影响。结果表明，两种燃料在多数工况下抬升特性一致，主要区别在于DME不能通过直接增大燃料或者稀释剂的流量而获得抬升火焰，丙烷则可以。这是由于DME燃料中含有的氧原子使得化学当量条件下的燃料质量分数增加，火焰的稳定位置向火焰下游移动。 关键词：DME 丙烷 氮气 稀释 抬升火焰 1 引言 近些年，随着燃气轮机及柴油机污染物排放标准的日趋苛刻，各种替代燃料/添加燃料的燃烧特性研究显得尤为重要。其中二甲醚（dimethyl ether，简称DME，分子式CH3OCH3）由于具有如下优点而得到广泛的关注：1）清洁：作为最简单的脂肪烃，DME没有C-C键，形成烟黑先驱产物的几率很低，其燃烧几乎不会形成烟黑，是理想的洁净燃料[1]；2）易制取：二甲醚的生产方法主要有两步法（甲醇脱水成二甲醚）和一步法（合成气直接合成二甲醚）。此外还有从二氧化碳和生物质制备二甲醚的方法；3）沸点低，十六烷值高：DME的沸点很低(-25.1℃)，并且十六烷数很高(55~60)，高于柴油，具有优良的压缩性，非常适合压燃式发动机。许多公司或者科研单位积极地推进DME的生产与研究，例如日本NKK公司的液相一步法新工艺和美国Air products的液相二甲醚(LPDMETM)新工艺。我国自80年代就开始将二甲醚用作燃料的开发研究，90年代前后开始气相甲醇法（两步法）生产二甲醚工艺技术及催化剂的开发，很快建立起了工业生产装置。近年来，随着二甲醚建设热潮的兴起，我国两步法二甲醚工艺技术有了进一步的发展，工艺技术已接近或达到国际先进水平。 DME的燃烧特性包括其机理、热解特性、层流火焰传播速度、制取、以及加入到其它燃料中的应用都得到了广泛的研究。Fischer等[2]和Curran等[3]分别建立了550~850K下DME随压力变化的氧化和热解反应的详细机理，Kaiser等[4]测量了常压下DME-空气火焰的组分浓度场，得到了与Fischer一致的动力学模型。Zheng等[5]研究了氮气稀释下DME的点火温度，并与Fischer的动力学模型进行了对比。此外，Zhao等[6]采用PIV方法测量了DME的层流火焰传播速度。相对于DME的预混燃烧，其扩散燃烧尤其是层流扩散抬升火焰的抬升特性却鲜有研究。火焰抬升是指火焰离开喷嘴等稳焰器，稳定在离开喷嘴一定距离的位置。自1949年Scholefield 和 Garside[7]发现抬升火焰，层流扩散火焰的抬升判据及其稳定机理一直是众多学者研究的热点。该部分文献综述详见文献[8]，不再赘述。周杰等[8]采用实验方法研究了N2稀释的丙烷层流扩散火焰的抬升特性。Ju等[1,9]研究了纯DME火焰的抬升特性，认为燃料中的氧原子显著的影响了化学当量时的燃料分数，因而会改变燃料的抬升特性。总之，DME作为重要的清洁燃料，其扩散火焰尤其是抬升火焰的抬升特性尚不明确。含有稀释剂的DME火焰的抬升特性尚未被研究过。作为LPG的替代燃料，DME与丙烷两者分子量接近，施密特数Sc[1,8,10,11]均大于1（DME为1.147，丙烷为1.403）[1,8]，实验结果表明，两者抬升特性却存在很大的差异。 因此，本文的目的是对N2稀释下DME层流扩散抬升火焰的抬升特性进行实验研究，并与丙烷抬升火焰的实验结果进行对比分析。 2 实验装置 实验系统如图1所示，系统主要由气体质量流量控制系统、气体混合器、 CCD、喷嘴和防扰流罩组成。实验中所用喷嘴由石英玻璃加工而成，其中，丙烷喷嘴出口处内径为0.25± 0.01mm，壁厚1.0mm。DME喷嘴出口处内径为0.43± 0.01mm，壁厚1.0mm。 1. 过滤器 2. 减压阀 3. 止回阀 4. 电磁阀 5. 调节阀 6. 压力表 7. 质量流量控制器 图1 实验装置示意图 3 实验结果及讨论 本文通过实验研究了N2稀释条