[發明專利]一種通過添加O3和CH3OH獲得穩定冷焰的方法

在審

• 申請號: 201510325601.4
• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN105114974A
• 公開（公告）日: 2015-12-02
• 發明（設計）人: 茍小龍;王子君
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: F23L7/00
• 分類號: F23L7/00;F23C1/00
• 代理公司: 重慶強大凱創專利代理事務所(普通合伙) 50217
• 代理人: 黃書凱

1.所屬的技術領域：

本發明涉及一種燃料火焰穩定的方法，尤其涉及一種通過添加活性分子和抑制劑控制燃料低溫氧化過程的方法，屬于燃料火焰穩定技術應用領域。

2.背景技術

冷焰是一種出現在碳氫燃料低溫燃燒過程中，持續以極緩慢的速度放熱的低溫火焰。作為低溫燃燒區的重要階段，冷焰對低溫區的著火以及最終產物的生成有重要的影響，因此冷焰的研究對工業應用及燃燒過程的理解有著重要的作用。冷焰反應所涉及的退化支鏈反應加速慢且反應速率較小，在這種緩慢氧化的鏈式反應體系中，某些不穩定中間物的不斷積累，到某一定時刻迅速分支生成自由基而消耗掉這些中間物，反應又遲緩下來，這樣就造成了短時間內發光放熱的冷焰現象。另一方面冷焰區退化支鏈反應進行的極為緩慢，溫度稍有升高就被反應速率極大的一般的鏈分支反應替代，導致著火，冷焰過程結束，進入熱焰階段，因此要獲得穩定的冷焰有很大的困難。而獲得穩定的冷焰是研究及分析冷焰的前提和關鍵。

目前現有的獲得穩定冷焰的方法，主要存在以下幾個方面不足：

(1)通過改變壁面換熱條件和外部加熱的方法獲得穩定冷焰，使得冷焰過程受到系統熱力學和化學反應動力學的雙重影響，而這兩者緊密相關導致對冷焰規律的分析變得復雜，阻礙我們認識冷焰過程。

(2)通過等離子體產生活躍自由基的方法來穩定冷焰，然而等離子體的產生種類不受控制，在此過程中常常會產生多種物質，在燃燒過程中互相影響，導致冷焰的認識過程更為困難和復雜。

(3)針對具體燃料設計的添加活性物質獲得穩定冷焰的方法，不同的燃料需要單獨考慮，重新設計，燃料適用性較差。

(4)獲得冷焰的燃燒條件都是預混燃燒的方式，無法清晰的觀察火焰結構，測量燃燒過程中的自由基變化，不利于分析冷焰的具體結構、詳細的產生過程。

3.發明內容：

本發明的目的在于提出一種具有燃料適用性的冷焰穩定方法，為進行冷焰結構、溫度和組分濃度的測量提供條件，為研究冷焰產生、消亡及波動規律奠定基礎。同時，通過調整O₃和CH₃OH的比例來控制燃燒過程。

為觀察冷焰結構及測量燃燒過程中自由基的濃度變化，本發明采用對沖擴散的燃燒方式。氧化劑中O₃加入后通過反應向系統提供活躍的O自由基，加快燃料(RH)的脫氫進程，縮短形成燃料的自由基(R)所需的誘導期時間，隨后燃料自由基(R)與氧氣的反應，更快地進入燃料的低溫氧化階段，加速燃燒的化學動力學過程。

另一方面，CH₃OH與碳氫燃料的混合物在燃燒過程中，CH₃OH的第一步是通過脫氫反應得到CH₂OH，由于該自由基中的亞甲基基團存在未成對的電子，因此CH₂OH會繼續參與脫氫反應得到CH₂O和自由基HO₂。此時脫氫反應中最活躍的OH的增長主要通過H₂O₂分解得到，而在中低溫條件下H₂O₂分解反應活化能較高，因此OH的增長受到抑制。隨著HO₂的積累，OH自由基的減少，HO₂開始參與燃料的脫氫并占據主要地位，而HO₂與甲醇之間的脫氫反應是一個反應速率較小的慢反應，造成活躍自由基的生成速率，反應系統的活性降低，燃燒的化學動力學過程減慢。因此，合適的選用O₃和CH₃OH的比例可以控制低溫氧化過程，穩定冷焰，這個比例范圍一般為1:25～1:5。

實驗中使用激光誘導熒光技術(LIF)測量火焰溫度分布及O和OH自由基的濃度分布。測量自由基濃度的方法為：當激光通過燃燒火焰時，調整激光的輸出頻率，使之和待測原子或分子的某一上下能級之間的共振躍遷頻率相同，通過共振吸收將待測分子從某一電子基態激勵到某一激發態，激發態的粒子向下躍遷，產生熒光信號，通過對該熒光成像獲得燃燒區域自由基濃度的二維空間分布信息。測量火焰溫度時選用OH基作為待測的分子，使用雙波長測溫法，獲得OH自由基產生的熒光信號，將所得熒光信號強度相比約去濃度和熒光淬滅效應的影響，然后根據不同轉動能級量子數分布所滿足的波耳茲曼分布律得到溫度分布。