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氧浓度对沥青燃烧的影响

2019-08-11 北京卓锐科技 10062

氧浓度对沥青燃烧的影响

    采用极限氧指数法测试沥青的燃烧性能时,发现氧浓度越大,沥青越容易燃烧,燃烧时间也越长。可见,极限氧指数的大小反映了沥青能够持续燃烧的难易程度。本文分别从不同氧浓度下沥青燃烧时的速度场、温度场以及气相组分质量浓度分布分析氧浓度对沥青燃烧的影响。 

1. 速度场结果分析 

    对燃烧结果的模拟分别基于 18.0 %、19.0 %、20.0 %三种氧浓度进行,三种不同氧浓度的流场速度沿高度方向的变化规律基本相同。在混合气体入口处的速度分布基本相同,沿高度增加,流场速度逐渐增大,当到达沥青流入口处时,流场速度的增长速度逐渐加快,增长最大值后,速度又出现减小现象。另外,在三种氧浓度下,整个流场速度的等速度包络线无分叉、光滑闭合,且等速线在高速分布区域的上部、下部出现明显的向外弯曲现象。分析原因,在非预混层流燃烧中,来自不同入口的高温沥青和氧化剂,自相遇混合后发生燃烧,并随着进入氧化环境沥青量的增多,高温沥青和氧化剂混合率逐渐增大,燃烧速率加快,对流场速度的影响加大。在燃烧完成后,由于周围混合气体的稀释作用,流场速度逐渐恢复。

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2.温度场结果分析 

    以 18.0 %、19.0%、20.0 %三种氧浓度为例,对玻璃筒内沥青燃烧时的温度场进行分析。在三种不同氧浓度下,温度场分布基本相似,温度包络线光滑无分叉。在沥青入口处,即火焰底部,入口边缘的冷却效应和周围混合气体的稀释作用,使温度明显降低,形成等温线向上弯曲现象。在燃烧区域,由于周围混合气体的冷却效应和稀释作用,温度包络线出现向外弯曲的现象,也就是热量的扩散现象。 

    可以发现:(1)  温度场的最高温度以及高温分布面积都随氧浓度的增大而增大。当氧浓度为 18.0  %时,温度场最高温度是 1442 K;氧浓度 19.0 %时,最高温度为 1508 K,高温面积是氧浓度 18.0 %的三倍多;当氧浓度 20.0 %时,最高温度提高到 1558 K,高温面积是氧浓度 18.0 %的5 倍多。可见,氧浓度对沥青燃烧温度场的影响很大。(2)  在层流燃烧中,化学反应速率随高温上升的速度而加快,温度随着化学反应的进行而升高,这种自加速作用使得反应在燃烧波层内继续进行直至反应完成,同时将热量供给给下一层。另外,根据相关资料,在非预混层流燃烧中,火焰锋面位于燃料-氧化剂化学恰当附近,也是温度最高的位置。因此可以得出,随着氧浓度的增大,沥青燃烧时化学反应的自加速作用增大,温度升高速度加快,且沥青燃烧火焰高度增大。

3.气相组分质量浓度分布分析 

    沥青燃烧过程中,沥青、O2、CO2和 H2O 的质量浓度分布与温度分布有很大关系。沥青流入口处,沥青浓度最大、O2浓度最低,是由于燃烧区域沥青强烈燃烧而消耗大量的 O2,氧浓度变化剧烈;随着层流流动和各组分扩散作用,参与燃烧的沥青含量逐渐增大,O2的消耗量也逐渐增大;在燃尽区,由于沥青的燃烧基本趋于完成,O2含量逐渐上升,燃烧产物 CO2和 H2O 的含量逐渐上当O2含量值最小,CO2和 H2O 含量值最大时,由于周围混合气体的稀释作用,O2浓度逐渐增大,CO2和 H2O 的浓度逐渐减小。 

    在层流非预混燃烧中,理想的火焰面是将燃料和氧化剂分开的一个薄层,该处是燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比,刚好进行燃烧反应,所以火焰面上燃料和氧化剂浓度都为 0。这也就是为什么 O2质量浓度为 0 的分布呈火焰型的原因。通过对比不同氧浓度下 O2质量浓度图,可以看出,随着氧浓度的增大,沥青燃烧火焰的高度逐渐增大。

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