气态烃类包括天然气、焦炉气、页岩气等。当前国内外以气态烃为原料的合成气制备工艺已发展得较为成熟。以合成气为原料制备的下游产品种类众多,且经济效益较高,目前已实现工业化。反扩散推举火焰是一种重要的射流扩散火焰形式,在天然气非催化制合成气等工业领域中应用广泛。火焰光谱诊断可确定火焰的位置、当量比等宏观性质,并反映火焰自身的特征及稳定性等。通过光谱诊断的方法可以更加全面地了解火焰氧化还原反应过程,从而更好地对火焰进行监控,为工业装置稳定运行提供基础。本文以CH4/O2反扩散推举火焰作为研究对象,对反扩散推举火焰的推举特性进行研究,考察不同工况条件对火焰OH*和CH*自由基辐射特性、推举高度以及形态转变(附着、推举、吹熄)的影响。应用ANSYS模拟软件,建立二维模型模拟反扩散推举火焰实验工况,对火焰不同位置的OH*自由基的生成路径和反应机理进行详细分析,为火焰诊断奠定理论基础。结果表明:(1)在甲烷/氧气反扩散推举火焰中,火焰根部位置上方3mm处反应最为强烈。随气速的增大,OH*自由基辐射强度峰值逐渐减小,火焰高度逐渐降低,同时OH*径向尺寸减小,火焰的氧化还原反应区整体向下移动,而主反应区逐渐向中心轴线方向靠拢。CH*径向尺寸与OH*径向尺寸变化趋势十分相似,随气速增加,CH*径向尺寸减小,相较于OH*分布CH*生成区域较小,且径向尺寸整体小于OH*。随着甲烷气速的增加,火焰的推举速度减小,并且火焰吹熄极限相应增大。在甲烷气速达到临界数值之后,增大氧气流速无法形成推举火焰,火焰直接出现吹熄现象。在火焰根部和OH*峰值位置,OH*主要的生成路径是H+O+M=OH*+M和CH+O2=OH*+CO,OH*主要的淬灭路径是OH*=OH+M。这是由于在火焰化学反应发生过程中生成大量中间物质(CO、CH等),OH与中间物质离子碰撞形成OH*。(2)喷嘴不同结构对反扩散火焰稳定性产生影响。当喷嘴端部厚度小于0.5mm时,火焰随着氧气气速的增加呈现附着、推举、吹熄状态转变。当喷嘴端部厚度大于0.5mm时,火焰将从附着状态直接转变为吹熄。喷嘴吹熄极限的数值与火焰的端部厚度成反比。喷嘴端部厚度越大,吹熄极限的气速越小,火焰越容易吹熄。端部厚度影响火焰根部回流区大小,从而影响火焰形状,导致火焰径向尺寸随喷嘴端部增大而减小,端部厚度较小喷嘴的推举高度较高。不同入射角会导致剪切角度不同,进而影响火焰结构,入射角为75°、60°、45°的喷嘴产生推举的气速十分接近,并且整体小于入射角为90°的喷嘴的推举气速。入射角为45°的喷嘴产生的火焰推举高度普遍高于90°、75°和60°的喷嘴,并且OH*径向尺寸普遍大于其他喷嘴。入射角为75°的火焰OH*自由基辐射强度峰值均高于其他入射角,入射角为45°的火焰OH*自由基辐射强度峰值最低。随着入射角减小,火焰径向剪切速度增大,火焰更趋于稳定。