航空煤油燃燒碳氫燃料排放范文

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《航空動力學報》2014年第九期

1航空煤油組分分析

航空煤油的成分非常復雜，包括鏈烷烴、環(huán)烷烴以及芳香烴，而不同產(chǎn)地、不同批次的航空煤油在組分上存在差異［20］，差異組分將對其燃燒污染物排放造成影響．因此首先對本次試驗所用的航空煤油RP－3進行組分分析，如圖1所示為試驗用航空煤油的烴類組成，圖中所示的百分比為質量分數(shù)．其主要成分為鏈烷烴，占60．85％，其次為環(huán)烷烴，占32．35％，芳香烴占4．62％．采用色譜法對航空煤油進行了碳數(shù)分布分析，圖2所示為航空煤油中烴類的碳數(shù)分布．從圖中可以看出，航空煤油的質量分布集中在碳數(shù)為9～15的烴類中，占總質量的75％以上．其中最多的為C10，占總質量的18．85％；碳數(shù)為10～13的烴類超過10％，占總質量的64．54％．碳數(shù)為10～13的烴類中，所占比例最大的是多甲基（multi－Bi）異構烴，其次為單甲基（mono－Bi）異構烴，正構烴（normal）最少；碳數(shù)為14～15的烴類中，所占比例最大的是單甲基異構烴．在測試中存在一些誤差：質量較大的分子被擊碎成小分子，導致質量大的分子偏少，而質量小的分子偏多．但是依然認為該圖給出了航空煤油各組分的大致分布情況．本文所使用的航空煤油的平均分子量為145．59，平均分子式為C10．35H20．83，碳氫摩爾比約為0．5．

2射流攪拌燃燒反應器試驗系統(tǒng)

本研究使用的射流攪拌燃燒反應器結構如圖3所示，可實現(xiàn)燃料與空氣均勻混合形成預混氣，并保證預混氣在一定壓力、溫度、當量比、駐留時間的條件下穩(wěn)定燃燒．設計方案參考了美國Washington大學團隊的設計方案［21］，因為這種射流攪拌燃燒反應器最為接近航空發(fā)動機燃燒室主燃區(qū)的情況，試驗結果有助于對燃燒室污染排放的分析．選用耐高溫、絕熱的材料氧化鋁作為射流攪拌燃燒反應器核心腔體澆注料，最外層采用不銹鋼制成殼體固定住氧化鋁澆注體，中間空心處即為核心腔體．射流攪拌燃燒反應器核心腔體的工作原理如圖4所示，空氣和燃料的預混氣從射流攪拌燃燒反應器的下部中心以高速射流狀態(tài)豎直向上進入核內，射流沖擊到上部頂端壁后沿徑向回卷，在平直段與射流之間形成周向均勻的回流區(qū)。核心腔體上部約1／3處周向均布4個孔，用來點火、溫度測量及安裝高溫采樣探針．該高度與射流攪拌燃燒反應器內部回流區(qū)中心高度一致，燃燒場數(shù)值模擬結果表明，在回流區(qū)中心位置的燃燒溫度基本一致，另外采樣探針距離射流攪拌燃燒反應器核心腔體壁面有3mm，從而對燃燒和產(chǎn)物排放造成的影響最小．核心腔體下部約1／3處周向均布4個排氣口．表1為射流攪拌燃燒反應器的設計參數(shù)，表2為射流攪拌燃燒反應器的結構參數(shù)．試驗系統(tǒng)如圖5所示，試驗所需空氣通過限流孔控制流量，精度為±3％．在空氣路通過加熱器對空氣加熱，使航空煤油蒸發(fā)與空氣混合．使用雙柱塞流量泵平穩(wěn)連續(xù)地向射流攪拌燃燒反應器提供航空煤油，流量測量精度為±1．5％．根據(jù)誤差傳遞，進入射流攪拌燃燒反應器的混合氣當量比精度為±3．3％．飽和蒸汽壓表征了液態(tài)燃料在一定溫度下的蒸發(fā)或者凝結能力，本試驗航空煤油當量比最大為1．2，最高壓力為3×105Pa，根據(jù)其質量分數(shù)算得的分壓值遠小于溫度為650K時的航空煤油飽和蒸汽壓，說明此時航空煤油完全蒸發(fā)是可能的．同時，為使液態(tài)航空煤油迅速霧化，并與熱空氣混合蒸發(fā)，設計了主要由毛細管噴嘴構成的煤油蒸發(fā)裝置．最后通過采樣探針將燃氣導入燃氣分析儀中，采樣探針配以冷卻水以保證迅速終止反應，并且保溫使燃氣中主要成分維持氣態(tài)．

3試驗系統(tǒng)驗證

為了驗證本研究所使用的射流攪拌燃燒反應器的合理性，需要對其進行驗證．驗證用的燃料選擇了甲烷，它是已知的最簡單的氣體碳氫燃料，國內外對其開展了深入的研究，試驗數(shù)據(jù)比較全面．Washington大學［21］采用射流攪拌燃燒反應器對甲烷的燃燒產(chǎn)物NOx開展了研究，駐留時間為1～4ms，進口溫度Tin為300～573K，反應器內壓力p為1×105～6．5×105Pa，反應器內燃燒溫度為1800～1950K，測量了NOx的變化規(guī)律．得出NOx在不同壓力下當量比φ為0．68～0．72時隨駐留時間的變化規(guī)律．如圖6所示為本研究建的射流攪拌燃燒反應器試驗系統(tǒng)在3×105Pa壓力下甲烷燃燒NOx排放結果與Rutar試驗結果［21］的對比．可見，隨駐留時間的增大，NOx也增多，而文獻［21］只給出了駐留時間最大為3．5ms的數(shù)據(jù)，此時本研究得到的NOx排放數(shù)據(jù)在該文獻的誤差范圍內．而本研究的射流攪拌燃燒反應器在長駐留時間下的NOx排放也符合其發(fā)展趨勢．除了進行射流攪拌燃燒反應器燃燒產(chǎn)物的驗證外，還進行了碳平衡驗證和徑向溫度分布驗證．射流攪拌燃燒反應器碳平衡驗證通過比較進口空氣、燃料中碳的總量與燃氣分析結果中碳的總量進行比較，試驗結果與計算結果偏差小于5％，對于射流攪拌燃燒反應器而言，碳平衡偏差小于5％是可以接受的．射流攪拌燃燒反應器內溫度沿徑向分布比較均勻，如圖7所示（τ為駐留時間，ro為外徑，r為徑向環(huán)面距離）．射流攪拌燃燒反應器內溫度沿徑向分布以無量綱徑向環(huán)面距離（r2／r2o）作為橫坐標．在橫坐標小于0．1時，由于射流作用溫度稍低；在橫坐標大于0．1直至壁面的范圍內，溫度下降了70K左右，溫度沿徑向分布較均勻，所以溫度不均勻性對燃燒產(chǎn)物的影響較小．而試驗測量得到的溫度小于絕熱火焰溫度，主要是由于燃氣與壁面的對流和輻射作用，熱電偶本身也有輻射熱損失．通過以上3個方面的試驗測試，驗證了整個試驗系統(tǒng)，其產(chǎn)物受徑向溫度分布影響較小．

4航空煤油試驗結果及分析

基于射流攪拌燃燒反應器試驗系統(tǒng)進行的航空煤油燃燒NOx排放的試驗選取狀態(tài)如下：預混氣總流量m•為1．3×10－3kg／s，駐留時間為4．4～12ms，進口溫度控制在650K，當量比為0．5～1．2，攪拌器內壓力分別為3×105Pa和2×105Pa．如圖8所示為煤油燃燒NOx排放的試驗結果．在相同進口溫度、相同反應器內壓力下，NOx排放在當量比為0．95～1．0達到最大；在當量比大于1．0的范圍內，NOx排放隨著當量比增加而減少，減少幅度相對較小；在當量比小于0．95的范圍內，NOx排放隨著當量比的減少而減少，減少幅度相對較大．相同進口溫度下，比較3×105Pa和2×105Pa兩種壓力狀態(tài)下NOx的排放情況．NOx隨壓力增大而增大，峰值都出現(xiàn)在當量比為0．95～1．0范圍內．隨著壓力從2×105Pa到3×105Pa，當量比在0．5～1．0范圍內，NOx排放增加2～3倍；當量比為1．0～1．2時，NOx排放增大較少．目前已知在燃燒中NOx的排放機理主要有熱機理、瞬時機理和燃料型機理等［23］．其中熱機理指的是空氣中的N2在高溫下氧化成NOx，這是高溫時產(chǎn)生NOx最主要的途徑．本試驗駐留時間超過4ms，文獻［9］指出在2ms以上時NOx的排放主要受熱力NOx主導．對于壓力的影響，由于壓力增高，燃燒效率相應增高，燃燒的溫度增高；另一方面壓力增大，相同流量下，駐留時間增大，提供燃燒反應的時間增長，所以壓力升高NOx排放隨之增大．對于當量比的影響，理論上當量比為1．0時，絕熱火焰溫度最高，無論當量比增加或者減少，都會導致絕熱火焰溫度降低．

5結論與展望

本研究利用經(jīng)過驗證的射流攪拌燃燒反應器試驗系統(tǒng)對航空煤油RP－3燃燒的NOx排放進行試驗研究，工況為預混氣總流量為1．3×10－3kg／s，進口溫度為650K，當量比為0．5～1．2，得出以下主要結論：1）相同駐留時間和進口溫度，航空煤油燃燒的NOx排放隨著壓力的增大而增多．2）相同駐留時間和進口溫度，航空煤油燃燒的NOx排放在當量比為0．95～1．0時達到最大值．3）在當量比為0．5～0．95（貧油）的范圍內，NOx排放隨著當量比的增大而增多；在當量比為1．0～1．2（富油）的范圍內，NOx隨著當量比的增大而減少．下一步將利用射流攪拌燃燒反應器研究不同壓力、不同進口溫度和駐留時間情況下的航空煤油燃燒NOx和CO等污染物排放，并對煤基合成和生物燃料等航空替代燃料的污染排放進行研究，構建并驗證其反應機理．致謝：感謝天津大學化工學院提供了航空煤油試驗用油及其組分分析數(shù)據(jù)。

作者：張弛田野薛鑫林宇震許全宏單位：北京航空航天大學能源與動力工程學院航空發(fā)動機氣動熱力國家級重點實驗室