氧浓度对沥青燃烧的影响

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。

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，--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。