低碳烷烴富氧火焰特性及中高壓氮硫反應(yīng)機(jī)理研究.pdf

1、二氧化碳濃度急劇升高引發(fā)的全球氣候變暖已成為當(dāng)今時(shí)代的最大挑戰(zhàn)，二氧化碳排放主要來(lái)自于人類化石燃料燃燒。捕集化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2，并對(duì)其進(jìn)行隔離和封存是當(dāng)前解決CO2排放的主要技術(shù)手段之一。富氧燃燒技術(shù)作為一項(xiàng)具有前景的碳捕集隔離與封存（CCS）技術(shù)，該技術(shù)采用純氧替代空氣與燃料進(jìn)行燃燒，富集煙氣中的CO2（v％≥90%）利于捕集，其特點(diǎn)是沒(méi)有明顯的技術(shù)障礙，利于工業(yè)化應(yīng)用，同時(shí)也有利于脫硫脫氮的聯(lián)合運(yùn)行。因此，該技術(shù)成為了當(dāng)前煤燃

2、燒領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對(duì)富氧燃燒的基礎(chǔ)問(wèn)題，本文對(duì)低碳烷烴富氧火焰特性以及中高壓氮、硫的化學(xué)機(jī)理作了詳實(shí)的研究與分析。
　　運(yùn)用CHEMKIN-PRO軟件OPPDIF模型并考慮了火焰輻射，研究了oxy-fuel燃燒方式中二氧化碳對(duì)火焰溫度的影響。由于高濃度的CO2存在，且CO2參與的化學(xué)反應(yīng)總體表現(xiàn)為吸熱，因此其化學(xué)性質(zhì)對(duì)于溫度表現(xiàn)為負(fù)影響。當(dāng)O2/CO2=36/64時(shí)，CH4-O2/CO2燃燒方式的溫度場(chǎng)分布同CH4-空氣燃燒方式

3、下的溫度場(chǎng)分布大致相同，分析表明：CO2的化學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度的影響與CO2物理性質(zhì)對(duì)溫度的影響同樣重要。CO2對(duì)溫度的影響隨著氧氣濃度的增加（20%-28%）而增加，在氧氣濃度范圍為28%-32%處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在氧氣濃度范圍為34%-36%呈現(xiàn)出最強(qiáng)狀態(tài)，然后逐漸減弱（36%-50%）。由于富氧燃燒工況高濃度二氧化碳的影響，R99（OH+CO=H+CO2）逆向進(jìn)行表現(xiàn)為吸熱。
　　運(yùn)用CHEMKIN-PRO軟件OPPDIF模型并

4、考慮了火焰輻射，研究了oxy-steam燃燒方式中水蒸氣對(duì)火焰溫度的影響。當(dāng)水蒸氣濃度為72.5%時(shí)，oxy-steam燃燒方式的溫度場(chǎng)分布與傳統(tǒng)燃燒方式的溫度場(chǎng)分布最相似。水蒸氣促進(jìn)三體反應(yīng)R35(H+O2+H2O=HO2+H2O)使其成為對(duì)溫度影響最大的基元反應(yīng)，其產(chǎn)物 HO2促進(jìn)R287(OH+HO2=O2+H2O)使其成為熱釋放率最劇烈的反應(yīng)。水蒸氣的化學(xué)性質(zhì)對(duì)火焰溫度影響顯著，當(dāng)水蒸氣濃度為60%-66%時(shí)，水蒸氣的化學(xué)性質(zhì)對(duì)

5、溫度影響達(dá)到最大值。當(dāng)水蒸氣濃度低于60%，水蒸氣的化學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度影響呈現(xiàn)近線性上升的趨勢(shì)，當(dāng)水蒸氣濃度高于60%，水蒸氣的化學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度影響呈現(xiàn)出近線性下降的趨勢(shì)。
　　利用對(duì)沖實(shí)驗(yàn)臺(tái)架在O2/CO2氣氛下，常壓、溫度為293K(甲烷)285K(乙烷和丙烷)測(cè)試多種烷烴（甲烷，乙烷，丙烷）的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并采用非線性外推法計(jì)算拉伸率為零時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。本章使用了本課題組提出的詳細(xì)化學(xué)機(jī)理進(jìn)行了模擬研究，該機(jī)理包括170個(gè)組

6、分，1208步反應(yīng)。相較于O2/N2氣氛下，烷烴在O2/CO2氣氛下的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停@主要是由于二氧化碳和氮?dú)鉄崛莸牟町悾嵊绊懀┧?，另外，二氧化碳的化學(xué)效應(yīng)對(duì)于火焰?zhèn)鞑ニ俣纫簿哂幸欢ǖ挠绊?，約占熱影響的三分之一，二氧化碳的傳輸效應(yīng)對(duì)于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懽钚　Ｍ闊N在 O2/CO2氣氛下的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档偷闹饕驗(yàn)閮牲c(diǎn)：（1）烷烴在O2/CO2氣氛下基元反應(yīng)CO+OH=CO2+H的反應(yīng)速率急劇下降；（2）火焰?zhèn)鞑ニ俣日绊懙幕?/p>

7、應(yīng)速率的下降程度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣蓉?fù)影響基元反應(yīng)速率的下降程度。
　　氨氣氧化實(shí)驗(yàn)在中高壓（30 bar和100 bar）中低溫（450-900 K），當(dāng)量比及貧燃工況下的柱塞流反應(yīng)器中進(jìn)行，基于為高壓工況而更新的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的模擬結(jié)果能很好的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理中，基元反應(yīng)H2NO+O2的反應(yīng)速率常數(shù)經(jīng)ab initio理論計(jì)算得出。在溫度為450-900 K，當(dāng)量比工況下的氨氣氧化速率十分緩慢。在貧燃工況30 bar下

8、，氨氣氧化的起始溫度為850-875 K，而在100 bar下，氨氣氧化的起始溫度為800 K，氨氣完全氧化的溫度為875 K，氨氣氧化反應(yīng)的產(chǎn)物為N2和N2O。模擬結(jié)果表明：促進(jìn)氨氣氧化的主要基元反應(yīng)是NH2+NO=NNH+OH， NH2+HO2=H2NO+OH，這兩個(gè)反應(yīng)的主要貢獻(xiàn)在于提供 OH基團(tuán)，抑制氨氣氧化的主要基元反應(yīng)是NH2+NO=N2+H2O，NH2+NO2=N2O+H2O，這兩個(gè)反應(yīng)為典型鏈終止反應(yīng)。
　　在中高

9、壓（30bar和100 bar），溫度變化范圍450-925 K，貧燃以及當(dāng)量工況下的柱塞流反應(yīng)器中開(kāi)展了硫化氫的氧化實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明：硫化氫的氧化過(guò)程取決于當(dāng)量比，在當(dāng)量工況下，硫化氫的氧化起始溫度為600 K，隨著溫度的升高，硫化氫的氧化速率十分緩慢。在貧燃工況下，硫化氫的氧化起始溫度為500-550 K，這主要取決于壓力和停留時(shí)間。模擬結(jié)果表明，相對(duì)不太活躍的SH基團(tuán)對(duì)硫化氫的氧化十分敏感。在當(dāng)量工況下，硫化氫的氧化速率主要受基