[发明专利]一种通过添加O3和CH3OH获得稳定冷焰的方法

说明书

1.所属的技术领域：

本发明涉及一种燃料火焰稳定的方法，尤其涉及一种通过添加活性分子和抑制剂控制燃料低温氧化过程的方法，属于燃料火焰稳定技术应用领域。

2.背景技术

冷焰是一种出现在碳氢燃料低温燃烧过程中，持续以极缓慢的速度放热的低温火焰。作为低温燃烧区的重要阶段，冷焰对低温区的着火以及最终产物的生成有重要的影响，因此冷焰的研究对工业应用及燃烧过程的理解有着重要的作用。冷焰反应所涉及的退化支链反应加速慢且反应速率较小，在这种缓慢氧化的链式反应体系中，某些不稳定中间物的不断积累，到某一定时刻迅速分支生成自由基而消耗掉这些中间物，反应又迟缓下来，这样就造成了短时间内发光放热的冷焰现象。另一方面冷焰区退化支链反应进行的极为缓慢，温度稍有升高就被反应速率极大的一般的链分支反应替代，导致着火，冷焰过程结束，进入热焰阶段，因此要获得稳定的冷焰有很大的困难。而获得稳定的冷焰是研究及分析冷焰的前提和关键。

目前现有的获得稳定冷焰的方法，主要存在以下几个方面不足：

(1)通过改变壁面换热条件和外部加热的方法获得稳定冷焰，使得冷焰过程受到系统热力学和化学反应动力学的双重影响，而这两者紧密相关导致对冷焰规律的分析变得复杂，阻碍我们认识冷焰过程。

(2)通过等离子体产生活跃自由基的方法来稳定冷焰，然而等离子体的产生种类不受控制，在此过程中常常会产生多种物质，在燃烧过程中互相影响，导致冷焰的认识过程更为困难和复杂。

(3)针对具体燃料设计的添加活性物质获得稳定冷焰的方法，不同的燃料需要单独考虑，重新设计，燃料适用性较差。

(4)获得冷焰的燃烧条件都是预混燃烧的方式，无法清晰的观察火焰结构，测量燃烧过程中的自由基变化，不利于分析冷焰的具体结构、详细的产生过程。

3.发明内容：

本发明的目的在于提出一种具有燃料适用性的冷焰稳定方法，为进行冷焰结构、温度和组分浓度的测量提供条件，为研究冷焰产生、消亡及波动规律奠定基础。同时，通过调整O₃和CH₃OH的比例来控制燃烧过程。

为观察冷焰结构及测量燃烧过程中自由基的浓度变化，本发明采用对冲扩散的燃烧方式。氧化剂中O₃加入后通过反应向系统提供活跃的O自由基，加快燃料(RH)的脱氢进程，缩短形成燃料的自由基(R)所需的诱导期时间，随后燃料自由基(R)与氧气的反应，更快地进入燃料的低温氧化阶段，加速燃烧的化学动力学过程。

另一方面，CH₃OH与碳氢燃料的混合物在燃烧过程中，CH₃OH的第一步是通过脱氢反应得到CH₂OH，由于该自由基中的亚甲基基团存在未成对的电子，因此CH₂OH会继续参与脱氢反应得到CH₂O和自由基HO₂。此时脱氢反应中最活跃的OH的增长主要通过H₂O₂分解得到，而在中低温条件下H₂O₂分解反应活化能较高，因此OH的增长受到抑制。随着HO₂的积累，OH自由基的减少，HO₂开始参与燃料的脱氢并占据主要地位，而HO₂与甲醇之间的脱氢反应是一个反应速率较小的慢反应，造成活跃自由基的生成速率，反应系统的活性降低，燃烧的化学动力学过程减慢。因此，合适的选用O₃和CH₃OH的比例可以控制低温氧化过程，稳定冷焰，这个比例范围一般为1:25～1:5。

实验中使用激光诱导荧光技术(LIF)测量火焰温度分布及O和OH自由基的浓度分布。测量自由基浓度的方法为：当激光通过燃烧火焰时，调整激光的输出频率，使之和待测原子或分子的某一上下能级之间的共振跃迁频率相同，通过共振吸收将待测分子从某一电子基态激励到某一激发态，激发态的粒子向下跃迁，产生荧光信号，通过对该荧光成像获得燃烧区域自由基浓度的二维空间分布信息。测量火焰温度时选用OH基作为待测的分子，使用双波长测温法，获得OH自由基产生的荧光信号，将所得荧光信号强度相比约去浓度和荧光淬灭效应的影响，然后根据不同转动能级量子数分布所满足的波耳兹曼分布律得到温度分布。