高濃度CO2氣氛下NO釋放及火焰特性的動力學(xué)研究.pdf

1、近年來，溫室氣體CO2排放所造成的全球性氣候變化已經(jīng)成為國際社會關(guān)注的熱點之一。作為實現(xiàn)CO2控制的三大技術(shù)方向之一，氧基燃燒方式在本世紀(jì)得到了迅速的發(fā)展，顯示出了良好的應(yīng)用前景。氧燃燒方式下的物理化學(xué)過程都有著完全不同于常規(guī)燃燒方式的現(xiàn)象和機理，蘊含著極其豐富的基礎(chǔ)研究內(nèi)容，許多相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題有待解決。
　　 O2/CO2循環(huán)燃燒方式與傳統(tǒng)的空氣燃燒方式最根本的不同點在于燃燒氣氛發(fā)生了顯著變化，在此燃燒方式下，原本來自空氣中

2、的N2被CO2取代，因此爐膛中富含高濃度的CO2和CO氣體。由于CO2輻射性能和熱容量等物理化學(xué)特性都與N2不同，CO更是直接能夠參與到影響反應(yīng)進程的某些重要反應(yīng)過程中去，這種氣氛的不同使得燃料的燃燒特性以及污染物生成機理都發(fā)生了很大變化。氧燃料新型燃燒技術(shù)下低Nox排放其內(nèi)在機理，以及該燃燒技術(shù)下火焰特性的改變規(guī)律需要系統(tǒng)而深入的研究。
　　 本文首先對高濃度CO2氣氛下甲烷燃燒均相反應(yīng)體系中NO還原及轉(zhuǎn)化行為進行模擬計算，探

3、討了溫度、壓力、過氧系數(shù)、CO2濃度、O2濃度、初始含N污染物組分等因素對NO形成及其還原的影響規(guī)律，采用生成率分析和敏感性分析方法考察了重要基元反應(yīng)在兩種氣氛下生成率區(qū)別以及高濃度CO2氣氛對主要基元反應(yīng)的影響，并得到了不同氣氛下NO的反應(yīng)歷程。計算結(jié)果表明：與空氣氣氛相比，富燃條件下O2/CO2氣氛不利于NO的還原，而貧燃條件下O2/CO2氣氛有利于NO還原。生成率分析表明高濃度CO2氣氛能夠促進NO還原并對NO的生成具有一定的抑制

4、作用。
　　 進一步的，本文研究了高濃度CO2氣氛下甲烷火焰NO前驅(qū)物的轉(zhuǎn)化機理，探討了多種影響因素對NO前驅(qū)物轉(zhuǎn)化過程的影響規(guī)律，不僅給出了不同氣氛下燃燒系統(tǒng)中重要的中間產(chǎn)物，重要的基元反應(yīng)，而且得到了不同氣氛下NO前驅(qū)物的轉(zhuǎn)化歷程。計算結(jié)果表明NO前驅(qū)物HCN和NH3在兩種氣氛下的反應(yīng)歷程是不相同的，O2/CO2氣氛富燃條件下NO前驅(qū)物的主要轉(zhuǎn)化歷程為：HCN→NCO→N2O→N2，NH3→NH2→N2，O2/CO2氣氛貧燃

5、條件下NO前驅(qū)物的主要反應(yīng)歷程為：HCN→NCO→N2O→N2，NH3→NH2→NNH→N2。與上一部分甲烷火焰NO還原部分的內(nèi)容結(jié)合在一起，這就從微觀反應(yīng)動力學(xué)的角度解釋了兩種氣氛下NO生成和轉(zhuǎn)化行為的差異和氧燃燒技術(shù)低NO生成特性的內(nèi)在機理。
　　 為了采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法定量、精確地分析燃煤NO在氧基燃燒技術(shù)下的釋放規(guī)律和內(nèi)在機理，本文進一步采用了沉降爐實驗與模擬相結(jié)合的方法研究了氧燃燒方式下煤粉燃燒氮氧化物生成及釋

6、放規(guī)律，提出了計算流體力學(xué)與詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)相結(jié)合的煤粉異相燃燒過程“分區(qū)”模擬方法。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，證明了模擬分析方法的正確性。數(shù)值模擬過程再現(xiàn)了爐內(nèi)煤粉顆粒燃燒過程，不僅驗證了O2/CO2氣氛下爐內(nèi)溫度偏低且煤粉揮發(fā)分析出及燃盡推遲等現(xiàn)象，而且更進一步分析了爐內(nèi)高濃度CO2氣氛對煤粉燃燒氮氧化物生成及排放燃燒化學(xué)基元反應(yīng)的影響過程。采用詳細(xì)機理分析方法，本文給出了高濃度CO2氣氛下起主要作用的基元反應(yīng)，并比較研究了兩種

7、氣氛下不同的NO生成轉(zhuǎn)化反應(yīng)歷程差異：O2/CO2氣氛下NO的主要反應(yīng)歷程為NO→N→N2，而對比空氣氣氛下，NO的主要反應(yīng)歷程為N2→N→NO。本文通過從甲烷到煤粉的一系列NO及其前驅(qū)物的生成及轉(zhuǎn)化機理分析，發(fā)現(xiàn)高濃度CO2氣氛一定程度上改變了氮氧化物生成轉(zhuǎn)化過程的內(nèi)在反應(yīng)機理和反應(yīng)路徑，本文研究表明高濃度CO2氣氛本身的物理及化學(xué)作用對氧燃燒技術(shù)低Nox排放做出了不可忽略的重要貢獻。
　　 O2/CO2氣氛下高濃度CO2的存

8、在對碳?xì)浠衔锏幕鹧嫣匦杂兄匾绊憽１疚膹幕瘜W(xué)動力學(xué)角度，對C5~C7三種代表性液態(tài)烷烴燃料（正戊烷、正己烷、正庚烷）在O2/CO2、O2/N2、O2/CO2/Ar等不同氣氛下的火焰特性（包括著火延遲，火焰?zhèn)鞑ニ俣?，絕熱火焰溫度等）進行了模擬計算，探討了不同氣氛、過氧系數(shù)、O2濃度、CO2濃度、不同烷烴燃料等對三種火焰特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在相同O2濃度下，O2/CO2氣氛下著火延遲比O2/N2氣氛延長，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫萇2/N2氣

9、氛下明顯減小，絕熱火焰溫度比O2/N2氣氛降低，表明CO2的存在對火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性有阻礙作用。著火延遲隨過氧系數(shù)的增大而減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S過氧系數(shù)的增大而先增大后減小，絕熱火焰溫度隨過氧系數(shù)的增大而增大。在O2/CO2/Ar氣氛下，保持O2濃度不變，著火延遲隨CO2濃度的增大而增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣入SCO2濃度的增大而減小，絕熱火焰溫度隨CO2濃度的增大而降低。在O2/CO2氣氛下，隨著O2濃度的提高，著火延遲逐漸降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?/p>

10、漸增大，絕熱火焰溫度逐漸增加，說明提高O2濃度可改善O2/CO2氣氛下烷烴的燃燒特性。通過比較三種不同烷烴燃料不同火焰特性（包括著火延遲、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、絕熱火焰溫度等）受高濃度CO2氣氛的影響因素分析，發(fā)現(xiàn)不同烷烴燃料火焰特性變差，不僅與CO2的熱物性和低擴散率等物理因素有關(guān)，也與高濃度CO2氣氛下燃燒系統(tǒng)內(nèi)CO2的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)作用有關(guān)。
　　 最后，本文系統(tǒng)介紹了詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理模型的不確定性分析方法，提出了一種簡單的