曾 文，刘 靖，刘 宇，刘爱虢

（沈阳航空航天大学 航空航天工程学院，沈阳 110136）

0 引 言

随着中国社会经济的发展，城市数量、城市人口的增加以及人民生活水平的提高，城市生活垃圾的产量也迅速地增加。预计在未来的10～15 a内，中国城市生活垃圾将以每年 2.3%～3.3%的速度递增，城市生活垃圾污染问题已成为一个十分严峻的社会及环境问题。如何实现城市生活垃圾的减量化、资源化和无害化，有效控制其对环境的污染，已成为中国城市化进程中迫切需要解决的一个重大课题。垃圾填埋气体是垃圾填埋后在缺氧条件下，垃圾中有机物厌氧降解所产生的混合气体（沼气），其热值约为19 256 kJ/m3，属于低热值气体。随着世界范围日益紧张的能源趋势，且由于其具有可循环性、原料多样性、环保性等优势特点，生物质气的资源化利用已成为能源节约与生态环保的重要研究方向。

沼气中可燃成分主要为CO、H2、CH4等，惰性气体成分主要为N2、CO2等。但是，由于受诸多因素的影响，沼气中各组分比例的含量变化明显。由于各组分比例含量的变化，将对其热值、着火特性与燃烧特性等产生较为显著的影响。目前，燃气轮机的设计燃料基本为天然气或轻柴油。以沼气为燃料的燃气轮机，在将燃料由天然气改为沼气时，燃料成分发生变化，热值降低（甲烷热值为35 916 kJ/m3、柴油热值为46 000 kJ/kg），且需要满足环境保护和燃气轮机可靠性、经济性要求。因此，需在充分了解沼气燃烧特性及沼气组分比例的变化对其燃烧特性的影响规律[1-4]（燃烧稳定性及层流燃烧特性）的基础上对燃气轮机的燃烧室结构和运行参数进行相应调整与改进[5-9]。

Yan等[10]对 4种生物质气在平板火焰燃烧器中的层流燃烧速度进行了试验测试与数值计算，同时分析了当量比与氢气含量对其层流燃烧速度的影响规律。Vu等[11]在定容弹中试验测试了 3种生物质气的火焰发展特性及层流燃烧特性，并对其层流燃烧速度进行了数值计算。Amell等[12]对高海拔下某种生物质气的层流燃烧特性进行了试验测试与数值计算，并分析了初始压力与当量比等对其层流燃烧特性的影响规律。Park等[13]对某种生物质气的对冲非预混燃烧时的燃烧特性进行了试验测试与数值计算，并分析了生物质气的组分比例及氮气稀释等对其火焰结构及 NOx生成的影响规律。但是，到目前为止，还无沼气层流燃烧特性的相关报道。

1 试验装置与原理

在定容燃烧弹中，对 3种不同组分比例比例的沼气的火焰发展特性进行了试验测试，并根据火焰发展特性，获得了 3种不同组成比例沼气的燃烧稳定性与层流燃烧速度。Hu等[14]对本文所采用的定容燃烧弹测试系统及相应的试验原理[15-16]进行了详细阐述，在此不再赘述。

对沼气的主要组分比例进行了分析，并根据组分比例及所占比例范围配置了3种试验配气，如表1所示。从表 1可以看出，在试验配气过程中，主要通过改变沼气中甲烷体积分数（2种极限情况及中间情况）来改变沼气中组分比例的含量，从而分析不同组分比例比例对沼气层流燃烧特性的影响。

表1 沼气的主要组分比例(体积分数)Table 1 Main compositions of biogas(volume fraction) %

2 试验结果与分析

2.1 组分比例对火焰发展特性的影响

图1、图2与图3分别显示了初始温度为320 K，当量比为1.0，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa时，沼气组分比例对火焰形状随时间变化的影响。

碳氢燃料在层流燃烧过程中，会存在优先扩散、流体动力学及浮力不稳定等 3种火焰不稳定性[17-20]。当马克斯坦长度的值较小或为负值、混合气当量比较小时将出现优先扩散不稳定性，火焰前锋面呈现不规则的胞状结构和火焰突起。在火焰半径大于30 mm时能观察到流体动力学不稳定性，火焰前锋面呈现规则的胞状结构。由于本文试验只考虑火焰半径在6～25 mm之间的部分，不会显示该种不稳定性。当层流燃烧速度小于 0.15 m/s时将出现浮力不稳定性，火焰受到浮力的影响从火焰中心向上飘起，随着火焰的进一步发展会出现上半球大下半球小的图像。本文试验中，当初始温度为320 K、初始压力为0.1与0.2 MPa时，绝大部分工况下沼气的层流燃烧速度都大于0.15 m/s；当初始压力为0.3 MPa时，绝大部分工况下沼气的层流燃烧速度都小于0.15 m/s。因此，本文试验中在某些工况下将显现浮力不稳定性现象。

图1 沼气组分比例对火焰形状随时间变化的影响(P=0.1 MPa)Fig.1 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.1 MPa)

图2 沼气组分比例对火焰形状随时间变化的影响(P=0.2 MPa)Fig.2 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.2 MPa)

图3 沼气组分比例对火焰形状随时间变化的影响(P=0.3 MPa)Fig.3 Effects of biogas compositions on variations of flame shapes versus time (P=0.3 MPa)

如图1、图2与图3所示，当初始温度为320 K、当量比为1.0、初始压力为0.1 MPa时，在沼气中不同甲烷体积分数下火焰前锋面均较为光滑，并呈准球形向外发展。在这些工况下，马克斯坦长度值均较大，且沼气的层流燃烧速度均大于0.15 m/s，因此，优先扩散与浮力不稳定性均不会出现。当初始压力升高至0.2 MPa时，大部分工况下马克斯坦长度值低于0.5 mm，火焰前锋面出现了裂纹与火焰突起，优先扩散不稳定性初步显示。当初始压力继续升高至0.3 MPa时，在沼气中不同甲烷体积分数下马克斯坦长度值继续降低，优先扩散不稳定性逐步明显；同时，由于在此工况下，沼气中甲烷体积分数为47%与55.5%时，沼气的层流燃烧速度均小于0.15 m/s，浮力不稳定性将初步显现。

图4显示了初始温度为320 K，当量比为1.0，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa时，沼气组分比例对火焰半径随时间变化趋势的影响规律。

如图 4所示，在不同初始压力与不同甲烷体积分数下火焰半径随时间的延长均呈现线性增长趋势。当初始压力为0.1与0.3 MPa时，随着沼气中甲烷体积分数的增加，火焰发展速度明显加快；但是，当初始压力为0.2 MPa时，沼气中甲烷体积分数由47%升高至55.5%时，火焰发展速度增加明显，但当甲烷体积分数继续升高至59%时，火焰发展速度增加幅度较小。同时，随着初始压力的升高，在沼气中甲烷体积分数相同的工况下，火焰发展速度呈现降低趋势。

图4 组分比例对火焰半径r随时间t变化趋势的影响(320=T K，0.1=φ)Fig.4 Effects of compositions on variations of flame radius r versus time t (320=TK，0.1=φ)

通过计算式 Sn= d rdt可获得拉伸火焰传播速度Sn，其中，r为火焰半径，t为时间。图5显示了初始温度为320 K，当量比为1.0，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa时，沼气组分比例对拉伸火焰传播速度随火焰半径变化趋势的影响规律。从图 5可以看出，在不同初始压力与不同甲烷体积分数下，拉伸火焰传播速度随火焰半径的增加均呈现升高的趋势；同时，随着沼气中甲烷体积分数的降低或初始压力的升高，拉伸火焰传播速度逐渐降低。

根据计算式 Sl- Sn=Lbα，可获得表怔火焰稳定性的马克斯坦长度（ Lb，在图6中为直线斜率的相反值）以及无拉伸火焰传播速度（ Sl，在图6中为直线在y轴上的截距），其中，α为火焰拉伸率。图6显示了初始温度为320 K，当量比为1.0，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa时，沼气组成对拉伸火焰传播速度随拉伸率变化趋势的影响规律。

从图 6可以看出，在不同初始压力与不同甲烷体积分数下，随火焰拉伸率的增加，拉伸火焰传播速度均呈现下降趋势，说明马克斯坦长度均为正值；同时，随着沼气中甲烷体积分数的降低或初始压力的升高，无拉伸火焰传播速度逐渐降低。

图5 沼气组成成分对拉伸火焰传播速度Sn随火焰半径r变化趋势的影响(320=TK,0.1=φ)Fig.5 Effects of biogas compositions on variations of stretched flame speed versus flame radius(320=TK,0.1=φ)

图6 沼气组成成分对拉伸火焰传播速度Sn随拉伸率α变化趋势的影响(320=TK，0.1=φ)Fig.6 Effects of biogas compositions on variations of stretched flame speed Sn versus flame stretch rate α (320=TK，0.1=φ)

2.2 组分比例对火焰稳定性的影响

火焰在向外发展过程中火焰前锋面是否稳定，主要由马克斯坦长度的值来反映。马克斯坦长度为正值时，反映出火焰发展速度随拉伸率的增加而减小，当火焰前锋面出现凸起时（拉伸增加），凸起部分的火焰发展速度将得到抑制，使火焰趋于稳定；反之，马克斯坦长度为负值时，火焰发展速度随拉伸率的增加而增加，当火焰前锋面出现凸起时，凸起部分的火焰发展速度将进一步增加，火焰的不稳定性增加。

图7显示了初始温度为320 K，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa时，沼气组分比例对马克斯坦长度随当量比变化趋势的影响。由图 7可见，随着当量比的增加、初始压力的降低或沼气中甲烷体积分数的增加，马克斯坦长度逐渐增大。

图7 马克斯坦长度Lb随当量比的变化趋势( 320=T K)Fig. 7 Variations of Markstein length Lb with equivalence ratio( 320=T K)

当初始压力分别为0.2 MPa，当量比为0.8，沼气中甲烷体积分数为 47%时，马克斯坦长度为负值（初始压力升高至0.3 MPa时，在相同当量比下，沼气中甲烷体积分数为55.5%时马克斯坦长度也为负值），说明此时火焰处于不稳定状态；其他工况下马克斯坦长度均为正值，说明这些工况下火焰均处于稳定状态。

2.3 组分比例对层流燃烧速度的影响

图8显示了初始温度为320 K，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa时，沼气组分比例对无拉伸火焰传播速度随当量比变化趋势的影响。同时，根据火焰前锋面上的质量守恒，有 A ρuUl= AρbSl，从而可获得各工况下层流燃烧速度Ul。式中A为火焰前锋面面积，ρu、ρb分别为未燃与已燃区混合气的密度。

图9显示了初始温度为320 K，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa时，沼气组分比例对层流燃烧速度随当量比变化趋势的影响。

从图8与图9可以看出，在不同初始压力与沼气中不同甲烷体积分数下，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度随当量比的升高呈现先增加后降低的趋势，在当量比为1.1时达到最大。同时，在沼气不同甲烷体积分数下，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度随初始压力的升高而逐渐降低；在不同初始压力下，随着沼气中甲烷体积分数的增加，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度逐渐升高。

表2显示了初始温度为320 K，初始压力分别为0.1、0.2、0.3 MPa、不同当量比与甲烷体积分数下沼气的层流燃烧速度。从表2可看出，当沼气中甲烷体积分数由47%升高至59%时，沼气层流燃烧速度均增大20%以上，某些工况（初始压力为0.3 MPa、当量比为1.3时）下沼气的层流燃烧速度甚至增大 46%。由此可见，沼气组分及其所占比例对沼气层流燃烧速度的影响甚为显著。因此，在设计以沼气为燃料的燃气轮机时，燃烧室长度的设计需根据具体的沼气成分及其所占比例进行设计，这样才能保证沼气在燃烧室内进行充分燃烧，达到高燃烧效率、低污染物排放的效果。

图8 无拉伸层流火焰传播速度Sl随当量比的变化趋势( 320=T K)Fig.8 Variations of unstretched flame speed Sl with equivalence ratio ( 320=T K)

图9 层流燃烧速度Ul随当量比的变化趋势φ( 320=T K)Fig.9 Variations of laminar burning velocity Ul with equivalence ratio φ ( 320=T K)

表2 不同工况下沼气的层流燃烧速度Table 2 Laminar burning velocity of biogas at different conditions m·s−1

3 结 论

试验测量了当量比范围为 0.8～1.3，初始压力范围为0.1～0.3 MPa，初始温度为320 K，甲烷体积分数分别为47%、55.5%、59%的沼气火焰发展特性，并分析了组分比例比例对其火焰发展特性、火焰稳定性与层流燃烧速度的影响规律。得到以下结论：

1) 当初始温度为320 K，当量比为1.0，初始压力为0.1 MPa时，在沼气中不同甲烷体积分数下火焰前锋面均较为光滑，并呈准球形向外发展。当初始压力升高至0.2 MPa时，在沼气中不同甲烷体积分数下火焰前锋面均出现了裂纹与火焰突起，优先扩散不稳定性初步显示。当初始压力继续升高至0.3 MPa时，优先扩散不稳定性逐步明显；同时浮力不稳定性将初步显现。

2) 随着当量比的增加、初始压力的降低或沼气中甲烷体积分数的增加，马克斯坦长度逐渐增大；当初始压力为0.2 MPa，当量比为0.8，沼气中甲烷体积分数为47%时，马克斯坦长度为负值（初始压力升高至0.3 MPa时，在相同当量比下，沼气中甲烷体积分数为55.5%时马克斯坦长度也为负值），说明此时火焰处于不稳定状态；其他工况下马克斯坦长度均为正值，说明这些工况下火焰均处于稳定状态。

3) 在不同初始压力与沼气中不同甲烷体积分数下，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度随当量比的升高呈现先增加后降低的趋势，在当量比为1.1时达到最大。同时，在不同初始压力下，随着沼气中甲烷体积分数的增加，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度逐渐升高。