磁场强度对预混火焰的影响范文

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《热能动力工程杂志》2014年第三期

1实验方法

实验工况设置如表1所示。实验中液化气流量分别为2、3和4．5L/h、每种流量均在0、36和110V3种电压下产生的磁场中进行实验，主要研究内容包括火焰形状、温度分布、NOx浓度分布。实验开始前调整预混前空气及液化气流量，达到淡蓝色火焰后用直径5cm的玻璃试管罩住一段时间，若火焰不熄灭则符合实验条件，实验中燃气流量大于4．5L/h后，火焰不能保持稳定，以4．5L/h为上限向下取3个流量进行层流预混燃烧实验。为确保实验的精确度，实验均在黑屋内进行。在实验过程中，燃烧前测量磁场分布，燃烧过程中同时测量火焰特性(温度、外形)及NOx浓度。图2为坐标示意图，实验测试得到磁场强度、火焰温度、NOX浓度均与图中纵坐标相一致。以烧嘴中心为轴向上每隔5mm布置一个磁场测量点;每隔3mm布置一个温度测量点，与此同时用摄像头拍摄下火焰的照片观察火焰结构和形状的变化;每隔3mm布置一个NOx浓度测量点，其中磁场测量点的横坐标为0mm，温度和NOx浓度测量点紧贴火焰面外缘，且在不影响火焰燃烧状态下进行。采集实验数据采用多次测量取其平均值的原则，为减小误差剔除个别与其它数据明显不符的错误数据。为了保证各工况实验条件一致，在进行完一组实验以后，待各实验设备完全降至室温后再开始下一组实验。

2实验结果与分析

2．1磁场分布磁场源由两个电磁线圈构成，铁芯相距40mm，通过改变线圈电压来改变磁场强度，磁场分布如图3所示。从图中可以看出磁场最大值在距离烧嘴16mm处，磁场先增大后减小，由于火焰比较短，所以实验过程一直处于强磁区中，不同电压下的磁场强度相差比较大。

2．2磁场强度对火焰形状的影响图4是在不同液化气流量下，火焰在3种磁场(0V、36V、110V)中的形状对比。跟据火焰软件分析及火焰图片得出如表2中所列结果。总结得到，在3种液化气流量下，随着磁场强度的增加，火焰长度有所下降，火焰最大直径有所增加。出现此现象的原因是气体燃料燃烧反应属连锁反应中的支链反应，由于火焰燃烧的不完全性产生了活化中心，活化中心(各种带电离子或离子团)在火焰传播过程中起到很重要的作用。火焰燃烧在无磁场工况中，活化中心随着气流向上运动;而在有磁场工况中，活化中心受到磁场中洛伦兹力的作用改变了原来的运动轨迹，向两侧运动，降低了向上的运动速度，且加剧了喷嘴出口处火焰的燃烧，所以外加磁场后火焰直径有所增加，火焰的高度略微降低。

2．3磁场强度对火焰温度的影响测温点在火焰面外缘紧贴火焰面，测量数据只反应了火焰温度的相对变化，并不代表火焰温度的绝对值。图5为在不同液化气流量下，火焰在3种磁场(0V、36V和110V)中的温度分布对比。用origin软件分析实验数据得到结论:(1)液化气流量为2L/h时火焰温度分布如图5(a)所示。可以看出在Z=16mm以下范围，火焰面温度呈线性增长均低于680℃，且各监测点的度增长幅度比较明显，在Z=+6mm处火焰面温度差幅达到了峰值，110V工况下的火焰面温度比无磁场工况提高了52℃。说明受磁场强度的影响，火焰面温度有所升高，且随着磁场强度的增大，温度升高的幅度增大，在Z=+18mm以上时磁场对火焰面温度无太大影响。(2)液化气流量为3L/h时火焰面温度分布如图5(b)所示。可以看出在Z=+16mm以下范围，火焰面温度呈线性增长，且各监测点有一定的温度增长幅度。在Z=+6mm处火焰面温度差幅达到了峰值，110V工况下的火焰面温度比无磁场工况提高了47℃。说明受磁场强度影响，火焰面温度有所升高，且随着磁场强度的增大，温度升高的幅度也在增大。在Z=+18mm以上时磁场对火焰面温度无太大影响。(3)液化气流量为4．5L/h时的火焰面温度分布如图5(c)所示。可以看出在Z=+16mm以下范围，火焰面温度呈线性增长，且各监测点有一定的温度增长幅度。在Z=+12mm处火焰面温度差幅达到了峰值，110V工况下的火焰面温度比无磁场工况提高了47℃。说明受磁场强度影响，火焰面温度有所升高，且随着磁场强度的增大，温度升高的幅度增大。在Z=+18mm以上时磁场对火焰面温度无太大影响。综上所述发现，火焰在Z=+18mm以下各监测点温度差幅明显，随着磁场强度的增大，火焰面温度均有所提高。在Z=+18mm以上时，随着磁场的减小，火焰受空气流动影响较大。另外液化气流量为2L/h时，各监测点温度差幅比另外两种条件更加明显。说明随着液化气流量的增大，磁场对温度的影响进一步减小。

2．4磁场强度对NOx生成特性的影响图6为在不同液化气流量下，火焰在3种磁场(分别由0V、36V和110V电压产生)中与火焰温度分布同步进行测量得出的浓度分布对比，由图可以看出:(1)液化气流量为2L/h时NOx浓度分布如图6(a)所示，3种磁场下NOx浓度分布近似。在Z=0mm处最低，NOx浓度仅为7．134mg/m3，且110V工况下与无磁场相比NOx浓度降低了23．5%，NOx浓度先升高后降低，在Z=9mm处时，NOx浓度下降了21．3%，其余差幅在10%－15%之间。110V工况下与36V工况下相比，NOx浓度差幅不大。(2)液化气流量为3L/h时NOx浓度分布如图6(b)所示，3种磁场下NOx浓度分布近似。在Z=0mm处最低，且110V工况下与无磁场时相比NOx浓度降低了15．7%。NOx浓度总体处于持续增大，在Z=+3mm处时，NOx浓度为10．344mg/m3，110V工况和无磁场NOx浓度差幅最大，达到了21．9%。其余部分NOx浓度差幅在10%－15%之间。110V工况下与36V工况下相比，NOx浓度差幅不大。(3)液化气流量为4．5L/h时NOx浓度分布如图6(c)所示。3种磁场下NOx浓度分布近似。在Z=0mm处最低，且110V工况下与无磁场时相比降低了19．6%。NOx浓度先增大后减小，在Z=+15mm处时，NOx浓度仅为9．524mg/m3，110V磁场和无磁场NOx浓度差幅最大，达到了23．9%。随后随着磁场强度的减弱，在Z=+20mm后NOx浓度趋于一致。110V工况下与36V工况下相比，NOx浓度差幅不大。在各液化气流量工况下，当到达某一高度时，就检测不到氮氧化物浓度。资料表明热力型NOx大量生成是在火焰面的下游，特别是火焰面下游局部高温、局部氧浓度大和烟气停留时间长的地方，更容易生成热力型NOx［12］。该说法是否成立将在后续的工作中进行研究。比较各实验工况下NOx浓度变化幅度可以看出，磁场对预混火焰生成的NOx浓度起到了一定的抑制作用，最大降幅达到了23．5%，普遍降幅达到10%－15%。之前探讨的磁场对扩散火焰中NOx的抑制作用，最大降幅达到了78．6%和53．12%。两者相比较可以看出磁场对预混火焰的抑制效果不如扩散火焰明显。在微观领域，层流火焰燃烧过程中，燃料热解产生了较多N、HCN、CN等含N原子的离子或者离子团。正常情况下它们会与空气中的O原子或者O2发生有效碰撞反应生成NOx，随着温度的升高，含N离子、离子团及Ox会变得活跃，发生碰撞的机会增加，生成量应该增大。但在实验结果显示NOx生成量降低。这是因为在层流燃烧过程中，产生的含N离子或离子团都带有电荷，外加磁场后，受到洛伦兹力作用，减缓了离子或者离子团随气流向上的无序运动，而是有规律的顺着洛伦兹力的受力方向运动，大大减少与O原子或O2的碰撞次数，使得NOx生成量减少。

3结论

磁场强度对层流预混火焰及NOx生成特性的影响，可通过将液化气和空气燃烧的层流火焰置于电磁场中实现。实验通过测量不同工况下火焰形状以及、火焰温度分布、NOx浓度分布数据并进行对比分析，得到如下结论:(1)与无磁场相比，层流火焰在电磁场中燃烧更加剧烈，预混火焰长度变短，直径变粗;(2)在一个梯度磁场中，磁场强度大的区间火焰面的温度比较高，且随着磁场强度的增大而升高;(3)在强磁区，含N离子或离子团受到洛伦兹力的作用，使原来无序的随着气流向上的运动变为有规律的向受力的方向运动，减缓了含N离子或离子团与O原子或者O2的碰撞几率，从而降低了反应速度，最终导致NOx浓度降低。在液化气流量为4．5、3和2L/h时，NOx浓度最大降幅分别为23．9%，21．9%和23．5%。

作者：陈伟鹏朱秉森李保卫武文斐单位：内蒙古科技大学能源与环境学院