航空煤油燃烧碳氢燃料排放范文

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《航空动力学报》2014年第九期

1航空煤油组分分析

航空煤油的成分非常复杂，包括链烷烃、环烷烃以及芳香烃，而不同产地、不同批次的航空煤油在组分上存在差异［20］，差异组分将对其燃烧污染物排放造成影响．因此首先对本次试验所用的航空煤油RP－3进行组分分析，如图1所示为试验用航空煤油的烃类组成，图中所示的百分比为质量分数．其主要成分为链烷烃，占60．85％，其次为环烷烃，占32．35％，芳香烃占4．62％．采用色谱法对航空煤油进行了碳数分布分析，图2所示为航空煤油中烃类的碳数分布．从图中可以看出，航空煤油的质量分布集中在碳数为9～15的烃类中，占总质量的75％以上．其中最多的为C10，占总质量的18．85％；碳数为10～13的烃类超过10％，占总质量的64．54％．碳数为10～13的烃类中，所占比例最大的是多甲基（multi－Bi）异构烃，其次为单甲基（mono－Bi）异构烃，正构烃（normal）最少；碳数为14～15的烃类中，所占比例最大的是单甲基异构烃．在测试中存在一些误差：质量较大的分子被击碎成小分子，导致质量大的分子偏少，而质量小的分子偏多．但是依然认为该图给出了航空煤油各组分的大致分布情况．本文所使用的航空煤油的平均分子量为145．59，平均分子式为C10．35H20．83，碳氢摩尔比约为0．5．

2射流搅拌燃烧反应器试验系统

本研究使用的射流搅拌燃烧反应器结构如图3所示，可实现燃料与空气均匀混合形成预混气，并保证预混气在一定压力、温度、当量比、驻留时间的条件下稳定燃烧．设计方案参考了美国Washington大学团队的设计方案［21］，因为这种射流搅拌燃烧反应器最为接近航空发动机燃烧室主燃区的情况，试验结果有助于对燃烧室污染排放的分析．选用耐高温、绝热的材料氧化铝作为射流搅拌燃烧反应器核心腔体浇注料，最外层采用不锈钢制成壳体固定住氧化铝浇注体，中间空心处即为核心腔体．射流搅拌燃烧反应器核心腔体的工作原理如图4所示，空气和燃料的预混气从射流搅拌燃烧反应器的下部中心以高速射流状态竖直向上进入核内，射流冲击到上部顶端壁后沿径向回卷，在平直段与射流之间形成周向均匀的回流区。核心腔体上部约1／3处周向均布4个孔，用来点火、温度测量及安装高温采样探针．该高度与射流搅拌燃烧反应器内部回流区中心高度一致，燃烧场数值模拟结果表明，在回流区中心位置的燃烧温度基本一致，另外采样探针距离射流搅拌燃烧反应器核心腔体壁面有3mm，从而对燃烧和产物排放造成的影响最小．核心腔体下部约1／3处周向均布4个排气口．表1为射流搅拌燃烧反应器的设计参数，表2为射流搅拌燃烧反应器的结构参数．试验系统如图5所示，试验所需空气通过限流孔控制流量，精度为±3％．在空气路通过加热器对空气加热，使航空煤油蒸发与空气混合．使用双柱塞流量泵平稳连续地向射流搅拌燃烧反应器提供航空煤油，流量测量精度为±1．5％．根据误差传递，进入射流搅拌燃烧反应器的混合气当量比精度为±3．3％．饱和蒸汽压表征了液态燃料在一定温度下的蒸发或者凝结能力，本试验航空煤油当量比最大为1．2，最高压力为3×105Pa，根据其质量分数算得的分压值远小于温度为650K时的航空煤油饱和蒸汽压，说明此时航空煤油完全蒸发是可能的．同时，为使液态航空煤油迅速雾化，并与热空气混合蒸发，设计了主要由毛细管喷嘴构成的煤油蒸发装置．最后通过采样探针将燃气导入燃气分析仪中，采样探针配以冷却水以保证迅速终止反应，并且保温使燃气中主要成分维持气态．

3试验系统验证

为了验证本研究所使用的射流搅拌燃烧反应器的合理性，需要对其进行验证．验证用的燃料选择了甲烷，它是已知的最简单的气体碳氢燃料，国内外对其开展了深入的研究，试验数据比较全面．Washington大学［21］采用射流搅拌燃烧反应器对甲烷的燃烧产物NOx开展了研究，驻留时间为1～4ms，进口温度Tin为300～573K，反应器内压力p为1×105～6．5×105Pa，反应器内燃烧温度为1800～1950K，测量了NOx的变化规律．得出NOx在不同压力下当量比φ为0．68～0．72时随驻留时间的变化规律．如图6所示为本研究建的射流搅拌燃烧反应器试验系统在3×105Pa压力下甲烷燃烧NOx排放结果与Rutar试验结果［21］的对比．可见，随驻留时间的增大，NOx也增多，而文献［21］只给出了驻留时间最大为3．5ms的数据，此时本研究得到的NOx排放数据在该文献的误差范围内．而本研究的射流搅拌燃烧反应器在长驻留时间下的NOx排放也符合其发展趋势．除了进行射流搅拌燃烧反应器燃烧产物的验证外，还进行了碳平衡验证和径向温度分布验证．射流搅拌燃烧反应器碳平衡验证通过比较进口空气、燃料中碳的总量与燃气分析结果中碳的总量进行比较，试验结果与计算结果偏差小于5％，对于射流搅拌燃烧反应器而言，碳平衡偏差小于5％是可以接受的．射流搅拌燃烧反应器内温度沿径向分布比较均匀，如图7所示（τ为驻留时间，ro为外径，r为径向环面距离）．射流搅拌燃烧反应器内温度沿径向分布以无量纲径向环面距离（r2／r2o）作为横坐标．在横坐标小于0．1时，由于射流作用温度稍低；在横坐标大于0．1直至壁面的范围内，温度下降了70K左右，温度沿径向分布较均匀，所以温度不均匀性对燃烧产物的影响较小．而试验测量得到的温度小于绝热火焰温度，主要是由于燃气与壁面的对流和辐射作用，热电偶本身也有辐射热损失．通过以上3个方面的试验测试，验证了整个试验系统，其产物受径向温度分布影响较小．

4航空煤油试验结果及分析

基于射流搅拌燃烧反应器试验系统进行的航空煤油燃烧NOx排放的试验选取状态如下：预混气总流量m•为1．3×10－3kg／s，驻留时间为4．4～12ms，进口温度控制在650K，当量比为0．5～1．2，搅拌器内压力分别为3×105Pa和2×105Pa．如图8所示为煤油燃烧NOx排放的试验结果．在相同进口温度、相同反应器内压力下，NOx排放在当量比为0．95～1．0达到最大；在当量比大于1．0的范围内，NOx排放随着当量比增加而减少，减少幅度相对较小；在当量比小于0．95的范围内，NOx排放随着当量比的减少而减少，减少幅度相对较大．相同进口温度下，比较3×105Pa和2×105Pa两种压力状态下NOx的排放情况．NOx随压力增大而增大，峰值都出现在当量比为0．95～1．0范围内．随着压力从2×105Pa到3×105Pa，当量比在0．5～1．0范围内，NOx排放增加2～3倍；当量比为1．0～1．2时，NOx排放增大较少．目前已知在燃烧中NOx的排放机理主要有热机理、瞬时机理和燃料型机理等［23］．其中热机理指的是空气中的N2在高温下氧化成NOx，这是高温时产生NOx最主要的途径．本试验驻留时间超过4ms，文献［9］指出在2ms以上时NOx的排放主要受热力NOx主导．对于压力的影响，由于压力增高，燃烧效率相应增高，燃烧的温度增高；另一方面压力增大，相同流量下，驻留时间增大，提供燃烧反应的时间增长，所以压力升高NOx排放随之增大．对于当量比的影响，理论上当量比为1．0时，绝热火焰温度最高，无论当量比增加或者减少，都会导致绝热火焰温度降低．

5结论与展望

本研究利用经过验证的射流搅拌燃烧反应器试验系统对航空煤油RP－3燃烧的NOx排放进行试验研究，工况为预混气总流量为1．3×10－3kg／s，进口温度为650K，当量比为0．5～1．2，得出以下主要结论：1）相同驻留时间和进口温度，航空煤油燃烧的NOx排放随着压力的增大而增多．2）相同驻留时间和进口温度，航空煤油燃烧的NOx排放在当量比为0．95～1．0时达到最大值．3）在当量比为0．5～0．95（贫油）的范围内，NOx排放随着当量比的增大而增多；在当量比为1．0～1．2（富油）的范围内，NOx随着当量比的增大而减少．下一步将利用射流搅拌燃烧反应器研究不同压力、不同进口温度和驻留时间情况下的航空煤油燃烧NOx和CO等污染物排放，并对煤基合成和生物燃料等航空替代燃料的污染排放进行研究，构建并验证其反应机理．致谢：感谢天津大学化工学院提供了航空煤油试验用油及其组分分析数据。

作者：张弛田野薛鑫林宇震许全宏单位：北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室