基于层流火焰燃烧速率测量的沼气-氢气扩散火焰稳定性改善机理的基础研究

Development and application of new fuels and renewable energy has become a hot topic around the world. Biogas is one of the most promising renewable resources. Currently, due to its low calorific value and varying composition with origin of the anaerobic digestion process, biogas can not fully meet the goal to replace the traditional fuel, i.e. natural gas, in practical applications. In order to convert low-quality raw biogas into high-quality alternative fuel, our studies [7-9] indicate that blending biogas with certain amount of hydrogen is easier and more economical for use than the process of raw biogas upgrading, thus pointing out that this biogas-hydrogen blend gas has great potential to become an alternative for traditional natural gas fuel. This project is dedicated to answering the key scientific question why flame stability is most significantly enhanced by adding a small trace of hydrogen into raw biogas, by means of experimentally measuring the laminar burning velocities of various biogases of different composition mixed with different fractions of hydrogen. Through this measurement, the reason for nonlinear growth of flame stability with the fraction of hydrogen added into biogas is to be found out, and the thermal and heat release characteristics of such mixed fuels are to be investigated by considering the evolution and influence of the fuel properties. This project proposes the optimal composition of the biogas-hydrogen fuel in terms of flame stability and overall thermal & heat release characteristics, and serves as the first work in the detailed optimization of the biogas-hydrogen composition. This project is expected to provide guidance and a better prospect of the long term utilization of biogas-hydrogen.

研发和应用新型燃料和可再生能源已成为世界各国的热点问题。沼气被认为是比较有前途的可再生能源之一。目前，沼气由于热值低、随产地不同组分各异等缺点，还不能达到完全替代传统燃料天然气之要求。为达到转换低品质沼气为高品质代用燃料的目的，我们的研究[7-9]发现：按照一定比例向沼气中混入氢气较传统沼气提纯的方法更经济﹑更简单易用，并指出沼气-氢气之混合气具有替代传统燃料天然气的潜能。本项目围绕为什么沼气中加入少量氢气后火焰稳定性增强最显著的关键科学问题展开，通过对不同品质沼气加入氢气后的层流火焰燃烧速率进行测量、对扩散火焰稳定机理进行分析，揭示火焰稳定性非线性增长规律。另外，还将分析不同组分沼气混入氢气后燃料特性演变对燃烧特性和热释放特性的影响。本项目探索沼气-氢混合气之火焰稳定机理和燃烧特性的优化，进一步对沼气组分﹑掺氢比例进行燃料设计，为长期有效的综合利用沼气-氢气做出指导。

沼气作为重要的一种可再生能源，一直是世界各国的关注热点。本研究基于向沼气中混入氢气实现沼气品质提升的方法，针对沼气-氢气扩散火焰稳定机理开展研究，利用容弹测量了不同品质沼气加入氢气后层流火焰燃烧速率的变化，利用扩散火焰燃烧器测了火焰吹熄速度的变化，并建立并分析了二者变化的内在联系，揭示了火焰稳定性（由吹熄速度表征）的非线性增长规律。本研究提出：依托喷嘴的扩散火焰稳定性主要依赖于燃料的层流火焰燃烧速率，次要影响因素有火焰向喷嘴的热损失、火焰向周围（气体）环境的热损失、以及喷嘴的材料属性等。本研究发现：沼气添加氢气后吹熄速度增长幅度远高于掺氢引发的燃料层流火焰燃烧速率的增幅，并科学解释了为什么沼气中加入少量氢气后火焰稳定性最显著增强的关键科学问题。添加的氢气对扩散火焰根部的影响作用可以分为物理作用和化学作用。在物理角度，氢气的快速扩散实现了H2分子（以及H原子）向周围空气的快速混合，尤其是向喷嘴方向的逆流扩散，提高了火焰吹熄稳定性；在化学角度，向沼气添加氢气降低了火焰根部形成全预混条件的所需空气量，在当量燃烧时，氢气的燃烧产生大量OH、H、O自由基，这些自由基不仅提高了层流火焰燃烧速率，还通过自由基的快速扩散，再次提高了火焰吹熄速度。.本研究通过分析不同组分沼气混入氢气后燃料特性演变、燃烧特性和热释放特性的变化，评估了沼气-氢气混合气替代天然气的可能性。结果发现，按照小比例（H2%<50%）向沼气中混入氢气的方法完全具有替代传统燃料天然气的潜能，并且该方法技术可行、经济易用。本研究所测得的沼气-掺氢火焰层流燃烧速率数据可为相关研究提供基础数据，本课题所计算的多元物质扩散速率可为相关模拟研究提供参考，本研究所提出的掺氢沼气燃烧技术可在锅炉等热能热备直接应用，本研究所提出的掺氢火焰稳定机理可为学术上探讨一般性扩散火焰的稳定机理提供借鉴思想。