氧富集对低旋流沼气非预混火焰稳定性的实验研究及其燃烧优化意义

本研究针对沼气(CH4/CO2=60/40)因CO2稀释导致的火焰稳定性差问题，通过实验探究氧富集(21%-24%)对低旋流(S=0.39)非预混火焰的影响。采用高速成像和二维粒子图像测速(PIV)技术，发现氧富集可显著拓展火焰下吹熄极限(LBL)，尤其在低燃料流量下提升稳定性，为沼气燃烧器设计提供了关键优化策略。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，沼气作为生物质能源的重要形式，其燃烧特性研究具有显著意义。然而，典型沼气中40%的CO₂稀释严重削弱了火焰稳定性，表现为燃烧速度降低、可燃范围变窄和绝热火焰温度下降。这一特性导致现有燃烧系统难以直接应用沼气替代天然气，成为制约其规模化应用的瓶颈问题。针对这一挑战，国外研究团队在《Fuel》发表论文，通过系统实验揭示了氧富集对低旋流非预混沼气火焰的强化机制。

研究采用模块化燃烧实验台，集成高速摄像与二维粒子图像测速(PIV)系统。合成沼气(CH₄/CO₂=60/40)通过中心喷嘴输送，旋流数为0.39的共轴气流氧浓度调节至24%。通过量化不同工况下的上/下吹熄极限(UBL/LBL)，结合流场涡结构分析，阐明了氧富集的稳定化机理。

火焰稳定性图谱特征
通过建立燃料流量(2.5-22 SLPM)与共流速度(4-13 m/s)的稳定性图谱，发现标准空气(21% O₂)下火焰稳定区较窄。典型演化路径显示：低燃料流量时呈贴附火焰，中等流量形成颈部收缩的分叉火焰，高流量则发展为完全抬举火焰。分叉火焰的颈部区域应变率高达1912 s^-1，成为局部熄火的关键位点。

氧富集对UBL的影响机制
PIV数据显示，24%氧浓度使内回流区(IRZ)尺寸增大且向燃烧器偏移，中心线轴向速度衰减加快。这增强了燃料预混程度，使抬举火焰上游应变率从361 s^-1降至288 s^-1。但燃料流量超过14.5 SLPM时，强射流将IRZ推离喷嘴，导致涡结构拉伸加剧，最终引发吹熄。

氧富集对LBL的强化作用
在10.5 SLPM恒定燃料流量下，氧浓度从21%提升至24%时：

1. 分叉火焰的根部振荡减弱，颈部应变率从400 s^-1降至350 s^-1；
2. 逆向流速从-2.5 m/s增强至-3.25 m/s，强化了热回流效应；
3. 轴向速度脉动增强，促进混合。这使得LBL工况的共流速度耐受上限提升近3倍。

结论与展望
该研究证实氧富集通过三重机制改善沼气火焰稳定性：(1)提升自由基(OH/H/O)生成速率；(2)增强内回流区强度；(3)降低局部应变率。特别在燃料稀薄条件下，24%氧浓度可使稳定操作范围扩大200%。这一发现为开发适应高CO₂稀释燃料的燃烧系统提供了设计依据，同时揭示了旋流强度与氧浓度的协同优化空间。未来研究可结合PLIF(平面激光诱导荧光)技术进一步量化自由基分布，以完善反应动力学解释。