共面梳状电极介质阻挡放电强化低浓瓦斯燃烧研究

低浓瓦斯是一种低热值燃气，燃烧不稳定、燃烧不完全、容易发生稀态熄火是困扰低浓瓦斯利用的难题。介质阻挡放电是一种易于在大气压下产生非热等离子体的放电形式，可以用来强化低浓瓦斯的点火性能和燃烧稳定性。由于放电过程中产生的强氧化性活性自由基生命期短暂，只有将自由基尽快携带出放电区域并直接进入燃烧区，才能最大程度上起到强化燃烧的作用。本项目提出采用共面梳状电极介质阻挡放电来强化低浓瓦斯的燃烧。这种电极布置可以获得大面积的非热等离子体流，克服同轴式放电结构活性成分难以输出，活化效率低的困难，有利于自由基有效利用，并获得更高的活化效率，利于燃烧的稳定和强化。通过对火焰形态、火焰温度、烟气成分浓度、火焰传播速度的对照研究，可以得到共面梳状电极介质阻挡放电强化燃烧的基本影响规律；明确低浓瓦斯非热等离子强化燃烧的途径、效果，深化对非热等离子体强化燃烧机制的理解。

非热等离子体具有高活性、强电场特性和强选择性等特点，在减小点火时间、强化燃烧反应、降低污染物排放以及调控燃烧过程等方面具有独特的研究意义。极端条件（低热值燃烧、稀薄燃烧、微尺度燃烧、超燃等）下点火和稳燃应用的需求进一步推动着非热等离子体强化燃烧的应用与基础研究。本项目开展非热等离子体增强低浓瓦斯的燃烧研究就是一个尝试，具有重要的应用研究价值。本项目采用了同轴管式燃烧和平面火焰燃烧器，针对非热等离子体作用于甲烷燃烧的影响和机制开展了实验研究。首先设计了同轴套管式非热等离子体作用于甲烷非预混火焰的燃烧器，对于同轴非预混抬升火焰，通过空气伴流的方法有效的实现了射流火焰的抬升和稳定，形成了对火焰燃烧速度较为敏感的甲烷层流抬升火焰，为研究非热等离子体对甲烷火焰作用的影响提供了有效方法。实验研究表明，非热等离子体的存在和电场的作用常常叠加在一起，考虑到电场相对于放电的长作用周期，电场的作用需要重点考虑。为了分离电场对喷嘴处流场的作用位置，采用了绝缘陶瓷燃料管和高压电极的燃烧器构型。实验表明脱火临界流速随高频交流电压的增加先增加后减小，最大脱火临界速度的最大值随交流频率的增加而增加，40kHz条件下约为无电场作用时脱火燃料临界速度的6倍。实验观察表明，放电模式与火焰的稳定性有密切关系。低电压条件下的电晕放电和冷等离子体射流放电可以提高火焰稳定性。但是，高电压条件下电晕放电、介质阻挡放电等由于强离子风效应扰乱喷嘴出口附近的流场，可能会导致火焰失稳。最后针对预混甲烷火焰，着重研究了高频高压电场对火焰形态的影响。实验观测发现倒置焰锥火焰的抬升高度受高频高压电场的增强而降低，并且焰锥夹角随电压的增加而减小。由于高频高压电场带来的离子风效应较小，对照实验现象分析，结果表明实验高频高压电场对火焰面中电子相关的化学反应动力学影响可能是燃烧稳定性增强的主要的原因。