等离子体激励下NH₃/CH₄射流火焰特性的实验研究

Experimental Study on the Characteristics of NH₃/CH₄ Jet Flame Excited by Plasma

摘要: 为应对氨燃料燃烧过程中存在的效率低和火焰不稳定等挑战，本文提出了一种耦合等离子体的氨掺混燃烧方案。通过掺混高反应活性燃料甲烷提升氨火焰稳定性，辅助等离子体助燃技术以进一步提高氨掺混燃烧效率。首先，搭建氨/甲烷燃烧实验系统，设计介质阻挡放电(DBD)等离子体发生器。其次，采集火焰动态实验图像及等离子体电参数，并通过图像处理技术定量分析火焰特性，探讨等离子体激励下氨/甲烷共燃的火焰形态及燃烧特性。实验结果表明，DBD等离子体的引入显著降低火焰高度并增加火焰宽度，其热效应与化学活性加速了燃烧反应进程；外加电压的提升增强了等离子体电离强度，促进活性粒子生成，扩大火焰扩散范围；掺氨比的增加使得火焰传播速度降低，火焰锋面缩短，导致火焰高度持续下降，而火焰宽度则呈现整体减少的趋势。

Abstract: To cope with the challenges of low efficiency and flame instability in the combustion process of ammonia fuel, this paper proposes an ammonia blending combustion scheme coupled with plasma. The stability of ammonia flame is improved by mixing high reactivity fuel methane, and the plasma-assisted combustion technology is used to further improve the combustion efficiency of ammonia blending. Firstly, an ammonia/methane combustion experimental system was built, and a dielectric barrier discharge (DBD) plasma generator was designed. Secondly, the flame dynamic experimental images and plasma electrical parameters were collected, and the flame characteristics were quantitatively analyzed by image processing technology. The flame morphology and combustion characteristics of ammonia/methane co-combustion under plasma excitation were discussed. The experimental results show that the introduction of DBD plasma significantly reduces the flame height and increases the flame width, and its thermal effect and chemical activity accelerates the combustion reaction process. The increase of the applied voltage enhances the ionization intensity of the plasma, promotes the generation of active particles, and expands the flame diffusion range. The increase of ammonia ratio reduces the flame propagation speed and shortens the flame front, resulting in a continuous decrease in flame height, while the flame width shows an overall decreasing trend.

1. 引言

随着环境保护和能源需求的日益严峻，寻找清洁、高效的燃烧方式具有重要意义。氨(NH₃)燃料的应用在近年来受到了广泛关注，尤其是在我国双碳目标的背景下。氨作为一种无碳富氢化合物，具有能量密度高、成本低、易于储存和运输等优点[1] [2]，被认为是替代传统化石燃料的理想选择之一。尽管氨燃料具有诸多优势，但其应用也面临一些挑战，如燃烧不稳定、氮氧化物(NO_x)排放高等问题[3] [4]。

考虑到NH₃的低可燃性、燃烧速度较为缓慢，采用氨混合燃料可以实现减少碳排放的同时，保证燃烧效率。目前，氨/碳氢燃料成为一种较为可行的解决方案[5] [6]。其中，采用NH₃与甲烷(CH₄)共燃的方法已经得到了广泛的应用，可以实现减少碳排放的同时保证燃烧效率[7]。Ji等人[8]对非预混的NH₃/CH₄/空气预混火焰进行了研究，发现CH₄的加入可以提升层流火焰速度、最大热释放速率和绝热火焰温度，这有利于克服NH₃燃烧强度差导致火焰不稳定的问题。Nourani Najafi等人[9]通过火焰辐射光谱测量及自发拉曼散射法研究了层流轴对称CH₄/NH₃/空气扩散火焰，结果表明NH₃的加入抑制了碳烟的生成。Xie等人[10]通过共轭传热模型模拟了下行炉内的MILD燃烧与旋流燃烧，结果表明无论是旋流燃烧还是MILD燃烧，CH₄比例的增加会使炉膛内壁热交换利用的热量逐渐增加。Zhang等人[11]研究了旋流燃烧器中混合CH₄/NH₃/空气燃料的燃烧性能和排放特性，研究表明在NH₃和CH₄的摩尔比相等以及在富燃条件下进行燃烧会增加NO_x的排放。综上所述，CH₄的添加可以克服NH₃物理性质导致的燃烧不完全、燃烧强度差的现象。

强化燃烧技术的应用也是增强NH₃优势的一个有效手段。等离子体助燃作为一种新型燃烧强化技术，能够在不改变初始燃料成分的情况下提高燃烧效率[12] [13]，等离子体在燃烧中表现出显著的催化和促进作用，常用于改善燃烧过程。介质阻挡放电(DBD)等离子体是非平衡等离子体的一种，容易产生均匀稳定的放电区，能产生更多长寿命的活性粒子[14]，并且其结构简单，往往用于常温常压下产生等离子体。Zare等人[15]研究了DBD等离子体放电对CH₄/空气非预混火焰的影响，发现放电可以延迟火焰的升离和吹灭，改善气体混合和化学反应，降低火焰高度、增加火焰宽度。李森等人[16]通过一维数值模拟研究了DBD等离子体辅助CH₄的点火过程，结果表明，等离子体放电可以在较低的初始温度下有效促进燃烧反应的发生，并且随着放电电压的增加有效提高了燃烧温度。陈庆亚等人[17]利用DBD对CH₄/空气同轴扩散火焰进行了实验研究，发现贫燃条件下等离子体激励会增强燃烧稳定性并在流量较低时缩短火焰长度，而在富燃火焰下游温度会随着激励强度增大不断升高。Kim等人[18]研究了DBD等离子体和CH₄添加对涡流稳定的NH₃/空气预混火焰的协同效应，发现等离子体和CH₄添加可以有效地稳定NH₃火焰，并同时降低NO_x和CO的排放量。综上所述，DBD等离子体可以显著影响火焰的燃烧特性与形态，促进燃烧的进程。

NH₃和CH₄燃料特性的差异导致混合燃料在湍流扰动下更易发生局部熄火，还需结合强化燃烧技术来实现NH₃燃料的高效应用。因此，本文基于同轴射流燃烧器，设计搭建了DBD等离子体激励的同轴射流燃烧系统，探究DBD等离子体对于NH₃/CH₄火焰的作用机制，对等离子体电学参数和火焰变化展开监测。本研究旨在探讨DBD等离子体对NH₃/CH₄射流火焰形态的科学依据，为设计高效环保的燃烧系统提供理论和技术支持。

2. 实验方法

为实现等离子体的高效发生并有效作用于火焰，搭建了DBD等离子体激励的同轴射流燃烧系统，系统原理图和实物图如图1所示，主要由射流火焰系统和等离子体发生系统组成。射流火焰系统主要由供气系统和燃烧器组成，供气系统包括NH₃、CH₄和空气，分别通过质量流量计(MF)来调节各气体的流量。等离子体发生装置由高压实验电源(CTP-200K，南京苏曼)、自制的DBD反应器和示波器(RIGOL DS1102E，北京普源)组成。高速相机与计算机通过数据连接实现实时同步，实时记录火焰的变化，提供火焰动态过程的详细图像。示波器则用于实时监测等离子体的电学参数，记录电压、电流等信息，以便与火焰形态变化进行综合分析。

Figure 1. Plasma-excited NH₃/CH₄ jet flame experimental platform. (a) Schematic diagram; (b) System physical diagram

图1. 等离子体激励的NH₃/CH₄射流火焰实验平台。(a) 示意图；(b) 系统实物图

等离子体反应器的具体结构如图2所示。反应器的结构是同轴圆柱结构，采用高压电极单边介质方式。选用石英玻璃作为放电介质，石英管外径为26 mm，管长为120 mm，介质层厚度为1 mm；由碳素钢铁丝网作为外电极，长度为60 mm，连接高压线；内电极材料为304不锈钢，直径14 mm，同时作为燃料流道，连接低压线。放电反应发生在氧化剂流道上，电离的气体为空气。等离子体的放电间隙为5 mm，燃料流道的喷口直径为2 mm，燃料在出口处立即和电离的氧化剂发生燃烧反应，观察火焰并用高速相机进行记录。

Figure 2. DBD plasma generator. (a) Physical map; (b) The specific size diagram; (c) Front view; (d) Sectional diagram

图2. DBD等离子体发生器。(a) 实物图；(b) 具体尺寸示意图；(c) 正视图；(d) 剖面图

表1为详细的实验工况，Q为体积流量，下标fuel代表所使用的NH₃和CH₄燃料；co-flow代表通入燃烧器中环流通道中的氧化剂；U表示不同工况下的输入电压，高压电源的放电频率固定为30 kHz，为增强火焰的稳定性，在燃料中掺入一部分氧化剂，流量为300sccm，$X_{{\text{NH}}_3}$ 表示燃料中NH₃占混合燃料的摩尔分数，可通过式(1)计算可得：

$X_{{\text{NH}}_3}=\frac{Q_{{\text{NH}}_3}}{Q_{{\text{CH}}_4}+Q_{{\text{NH}}_4}}\times 100\%$ (1)

Table 1. Experiment conditions

表1. 实验工况

No.	$X_{{\text{NH}}_3}$	Qfuel/(sccm)	Qco-flow/(slm)	U/(kV)
1	0%	400	30/40/50	30/50/80/110
2	5%	400	30/40/50	30/50/80/110
3	10%	400	30/40/50	30/50/80/110
4	15%	400	30/40/50	30/50/80/110
5	20%	400	30/40/50	30/50/80/110
6	25%	400	30/40/50	30/50/80/110
7	30%	400	30/40/50	30/50/80/110
8	35%	400	30/40/50	30/50/80/110
9	40%	400	30/40/50	30/50/80/110
10	45%	400	30/40/50	30/50/80/110
11	50%	400	30/40/50	30/50/80/110

基于搭建的DBD等离子体激励的同轴射流燃烧系统，开展不同电学参数与NH₃/CH₄掺燃比例工况的实验研究，探讨其对NH₃/CH₄射流火焰特性的影响。使用示波器采集相关的电压和电流参数；利用高速相机捕捉等离子体和火焰图像，表征火焰行为特性。采用李萨如图对电学参数进行分析，综合评价等离子体生成的状况，分析工况的变化对于射流火焰的影响，探求最佳燃烧效能。

3. 结果与讨论

3.1. DBD等离子体电学特性

DBD反应器的放电属于丝状放电，在反应器的正负极施加高频交流电压时，丝状放电占据放电空间，为电流脉冲提供了路径。图3展示了不同电压下等离子体随时间变化的图像。可以观察到，不同时刻下等离子体发生器产生丝状放电的位置不同，丝状放电在放电间隙中随机产生而且生成和消失都很迅速。随着电压的增加，等离子体放电的显著性增强。电场强度的提升导致更多气体分子被电离，从而生成更多的丝状放电通道。在30 kV时，等离子体的放电表现出较为分散且不规则的形态，这源于电场分布的不均匀性。在电压为110 kV时，等离子体充满整个间隙，形成一个连续的环形区域。由于发生器的结构是单边介质，电荷在介质侧不会被很快地导出，因此会在介质周围产生累积，存在较长时间。随着电压从30 kV升高到110 kV，放电强度的增强使得等离子体亮度逐渐增加。更高的电压能为气体放电提供更多能量，促使气体分子中的电子发生更高能级的跃迁，产生蓝紫色的光。

Figure 3. Plasma discharge images changing with time under different voltages

图3. 不同电压下随时间变化的等离子体放电图像

图4展示了不同电压下等离子体的U-I波形图，DBD放电过程中呈现出明显的周期性波动特征。在每个周期内，放电电流会在1/2个放电周期处产生尖锐脉冲，这是由于放电过程的丝状放电产生的电流脉冲。当电压为30 kV时，放电波形相对平缓，当电压增至110 kV时，电流脉冲表现最为显著。随着外加电压的增大，电流脉冲也变得更加频繁，同时可发现U_max和U_min随电压的上升呈现增大趋势。这是由于DBD放电过程是非线性的，不同的时间和位置会产生不同程度的电荷耗散和积累，导致同一时间内不同区域电压分布出现差异，从而导致高低不同的峰值和谷值。此外，在高电压条件下，内部介质可能会发生局部击穿现象，激发强烈的放电过程，导致某些区域的电位差迅速增大，整体放电现象也会相应提升至更高的水平。

Figure 4. U-I waveforms of plasma under different voltages

图4. 不同电压下等离子体的U-I波形图

输出功率是放电性能的关键指标之一，体现了反应器的工作性能，是评价等离子体产生效能的关键因素。在实验中常使用李萨如图来计算功率[19]，即通过测量李萨如图的面积，进而根据电路的电容大小进行估算，其公式为

$P=z{k}_x{k}_{y}fC{S}_{liss}$ (2)

其中z是电压取样比，值为1000；k_x和k_y是示波器两个通道信号采集的总衰倍数，都为1，即实验中并无衰减；f是频率，固定为30 kHz；C是电源内部的取样电容，大小是0.47 μF；S_liss是李萨如图的面积。因此，只要测得李萨如图的面积，就可以计算得到输出功率。输出效率定义为输出功率P和电源输入功率P_in之比

$\eta =\frac{P}{P_{in}}\times 100\%$ (3)

图5是实验测得的李萨如图像，电容不断反向充放电导致数据点围成形状基本对称，而游离于边线之外的点是由于微放电电丝的生成消失的不规律导致。图形并非完全对称是由于反应器的结构是单边介质，存在一定的放电不对称性。在图4中上半部分的脉冲多于下半部分，也是由于这个原因。电压的变化对李萨如图像的形状和面积产生了显著影响。随着电压的增高，图像的边界愈发清晰，放电过程趋于均匀，电流积分在电压增加时呈现线性增长的趋势。

Figure 5. Lissajous image under different voltages

图5. 不同电压下的李萨如图像

图6为不同工况下电源输出功率与输出效率的变化，讨论了不同电压下和不同气体流量下电源输出功率P和输出效率𝜂的变化关系。在图中可发现，随着U的升高，P呈现出显著的线性增长趋势，这表明较高的电压有助于产生更大的功率输出。同时，不同气体流量工况下的功率曲线呈现出相似的线性增长模式，而斜率有所不同意味着在相同电压下，气体流量越高则功率输出越高。从输出效率方面来看，其随电压的变化表现出非线性的特点，先增大后减小，存在一个效率峰值，这表明存在一个能使系统能量转换效率达到最高的最优工作电压区间，在80 kV附近。而在不同气体流量工况下的效率曲线形状十分相似，但最大效率点的位置随着气体流量的增加而稍有偏移，并且高流量工况下的最大效率值略低于低流量工况。

Figure 6. The changes of output power and output efficiency of plasma under various working conditions

图6. 各工况下电源输出功率与输出效率的变化

3.2. DBD等离子体作用下的火焰形态表征

3.2.1. 火焰图像表征

通过高速摄影技术捕捉火焰形态的变化，对火焰的动态响应进行了定量和定性分析。火焰的形态不仅受到等离子体电学性能的影响，还与$X_{{\text{NH}}_3}$ 和气体流量等参数密切相关。通过提取高速相机在各工况1 s内拍摄的100张照片，使用MATLAB程序对每个工况下的火焰图片进行时均处理，获取火焰在等离子体作用下的动态响应特性。

图7展示了25% $X_{{\text{NH}}_3}$ 时不同外加电压下，等离子体作用于NH₃/CH₄掺混燃烧的火焰形态。随着等离子体的施加，火焰的颜色变化并不明显，但对于火焰高度有显著影响，主要表现在火焰特征长度的缩短。随着外加电压的增大，等离子体的存在并未使火焰的整体颜色发生显著改变，这意味着等离子体的产生未显著改变火焰的化学组成，在宏观层面火焰的颜色特征维持不变。等离子体的施加促使火焰横向扩散，火焰燃烧加速，进而使火焰高度有所降低。在较高电压时，随着等离子体生成的增强，火焰高度的降低更为显著。

Figure 7. Flame images at 25% $X_{{\text{NH}}_3}$ and flow rate of 40 slm under different voltages

图7. 在25% $X_{{\text{NH}}_3}$ 和伴流流量40 slm时不同电压下的火焰时均图像

图8展示的是在50 kV电压和伴流流量40 slm时，不同$X_{{\text{NH}}_3}$ 对火焰形态影响的图像。在$X_{{\text{NH}}_3}$ 为0%时，燃烧火焰呈现淡蓝色光，这是因为CH₄燃烧时产生的碳原子和氢原子的激发态到基态的跃迁产生的辐射。随着$X_{{\text{NH}}_3}$ 的进一步提高，火焰高度有所下降，火焰颜色呈现橘黄色特征，是由NH₂-α和水蒸气光谱造成的[20]。

Figure 8. Flame images at 80 kV and flow rate of 40 slm under different $X_{{\text{NH}}_3}$

图8. 在50 kV和伴流流量40 slm时不同$X_{{\text{NH}}_3}$ 下的火焰时均图像

图9展示25% $X_{{\text{NH}}_3}$ 时0 kV和50 kV时不同伴流空气流量下的火焰时均图像。在未施加等离子体时，火焰高度较高，颜色均匀。随着伴流空气流量的增加，火焰高度略有降低，因为气流的提升增加了氧化剂的含量，促进了火焰的燃烧进程，这也间接导致了火焰高度的降低。当电压增加到50 kV时，等离子体的引入对火焰形态产生了显著影响。等离子体的热效应和化学活性促进了燃烧反应的进程，从而提高了燃烧效率。而对比伴流量度的增加，等离子体的增加对火焰的影响更为显著。

Figure 9. Flame images at 25% $X_{{\text{NH}}_3}$ under different co-flow air rates

图9. 在25% $X_{{\text{NH}}_3}$ 时不同伴流空气流量和电压下的火焰时均图像

3.2.2. 火焰特征

为了更清晰地对比火焰图像的变化，使用MATLAB程序对火焰图像进行定量处理。图10表现了采用火焰边缘识别算法，通过一系列图像处理技术来增强火焰特征并准确定位其边缘。首先，通过高速相机捕获火焰的原始图像，再将彩色的原始图像转换为灰度图像，减少数据维度的同时保留了火焰的亮度和对比度信息。应用自适应阈值技术，将灰度图像转换为二值图像，使得火焰区域与背景形成鲜明对比，便于边缘检测。在二值化的基础上，采用形态学操作去除图像中由环境光干扰或传感器噪声引起噪声。最后利用边缘检测算法，从处理后的图像中提取火焰的边缘，进而得到火焰面积、宽度和高度的具体数据。最后在每组工况下的图片中取出均值，观察火焰形态。

Figure 10. Flame-specific morphology feature extraction process

图10. 火焰特征提取过程

图11展示了在不同电压和$X_{{\text{NH}}_3}$ 条件下火焰面积的变化趋势。在图11(a)中，随着电压从0 kV增加至110 kV，三种伴流空气流量下的火焰面积均呈现下降趋势，这说明空气等离子体中的物质具有较高的化学活性，加速了火焰燃烧的进程，随着电压的增大现象更明显。而在图11(b)中，$X_{{\text{NH}}_3}$ 从0%增加至50%时，火焰面积值不断降低，并且在施加等离子体之后，火焰面积降低更为明显。

(a) (b)

Figure 11. Flame area under different co-flow air rates. (a) Voltage; (b) $X_{{\text{NH}}_3}$

图11. 在不同伴流空气流量下的火焰面积。(a) 电压；(b) $X_{{\text{NH}}_3}$

图12(a)显示了在不同伴流空气流量下火焰高度随电压变化的情况。结果表明，随着电压的增加，火焰高度整体呈现下降趋势，但在特定情况下会出现不同的变化。在30 slm时，随着电压的升高火焰高度从58 mm降至最低46 mm；在40 slm和50 slm时，火焰高度分别从52 mm 和50 mm下降到44 mm和42 mm。图12(b)显示了在0 kV和50 kV两种电压下火焰高度随$X_{{\text{NH}}_3}$ 变化的情况。随着$X_{{\text{NH}}_3}$ 的增加，火焰高度总体呈下降趋势。在30 slm情况下，0 kV时的火焰高度从65 mm降至50 mm；50 kV的火焰高度从60 mm降至45 mm。同样的趋势也在40 slm和50 slm时得到了验证，且电压和伴流空气流量的增加进一步加剧了火焰高度的下降。这些结果表明电压和$X_{{\text{NH}}_3}$ 的增加都会导致火焰高度的显著下降，而流量的改变也对火焰高度有显著影响。

(a) (b)

Figure 12. Flame height under different co-flow air rates. (a) Voltage; (b) $X_{{\text{NH}}_3}$

图12. 在不同伴流空气流量下的火焰高度。(a) 电压；(b) $X_{{\text{NH}}_3}$

图13(a)显示了火焰宽度随电压变化的情况。在三种流量下，火焰宽度都随着电压的增加而增加。30 slm时，火焰宽度从0 kV的6 mm增加到110 kV的20 mm；40 slm时，火焰宽度从6 mm增加到24 mm；50 slm时，火焰宽度从6 mm增加到22 mm。图13(b)显示了火焰宽度随$X_{{\text{NH}}_3}$ 的变化情况。在0 kV和30 kV和不同流量，火焰宽度均表现出先略微增加后大幅减少的趋势。在0 kV电压下，30 slm时火焰宽度从7.5 mm上升到8.5 mm，然后降至7 mm；40 slm时火焰宽度从8 mm上升到10 mm，然后降至7.5 mm；50 slm时火焰宽度从8 mm上升到9 mm，然后降至7.5 mm。在30 kV电压下，火焰宽度总体比0 kV电压下略大，但变化趋势相似。这些结果表明电压的增加会导致火焰宽度显著增加，而$X_{{\text{NH}}_3}$ 增加火焰宽度的整体趋势减少。这表明电压的增加会导致火焰宽度的显著增加，这是因为高电压下产生的强电场会使等离子体的电离强度增加，导致更多的活性粒子生成，这些活性粒子会促进燃料扩散到火焰的外围，导致火焰宽度的增加。

4. 结论

本文通过实验方法深入探讨了介质阻挡放电等离子体激励下NH₃/CH₄掺混燃烧的火焰特性。基于自行研制的等离子体发生器和NH₃/CH₄掺混燃烧实验系统，开展多工况测量实验，详细分析了等离子体耦合掺混燃烧方案中等离子体电学参数和掺氨比例对NH₃/CH₄火焰的影响。以下是研究的主要结论：

1) DBD等离子体的引入能够显著改善NH₃/CH₄掺混燃烧的火焰形态，主要表现为降低火焰高度和增加火焰宽度。这一现象表明等离子体的热效应和化学活性促进了燃烧反应的进程，从而影响了火焰的形貌特征。

(a) (b)

Figure 13. Flame width under different co-flow air rates. (a) Voltage; (b) $X_{{\text{NH}}_3}$

图13. 在不同伴流空气流量下的火焰宽度。(a) 电压；(b) $X_{{\text{NH}}_3}$

2) 随着外加电压的增加，火焰面积和火焰高度均呈现下降趋势，而火焰宽度则随之增加。这表明高电压下产生的强电场使等离子体的电离强度增加，导致更多的活性粒子生成，这些活性粒子扩散到火焰的外围，增加了火焰的宽度。

3) $X_{{\text{NH}}_3}$ 的增加会导致火焰高度降低，而火焰宽度则呈现整体减少的趋势。NH₃的添加导致火焰的锋面缩短，使火焰高度下降。$X_{{\text{NH}}_3}$ 应控制在25%~35%区间，以平衡火焰稳定性与燃烧效率，避免因NH₃比例过高导致火焰锋面过度缩短。

本研究揭示了等离子体与NH₃/CH₄掺混燃料的协同作用机制，为氨燃料的清洁高效利用提供了实验依据与理论支撑。

致 谢

感谢山东省自然科学基金(编号：ZR2023ME006)的资助。

NOTES

^*通讯作者。