低碳烷烴富氧火焰特性及中高壓氮硫反應機理研究.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今時代的最大挑戰(zhàn)，二氧化碳排放主要來自于人類化石燃料燃燒。捕集化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2，并對其進行隔離和封存是當前解決CO2排放的主要技術手段之一。富氧燃燒技術作為一項具有前景的碳捕集隔離與封存（CCS）技術，該技術采用純氧替代空氣與燃料進行燃燒，富集煙氣中的CO2（v％≥90%）利于捕集，其特點是沒有明顯的技術障礙，利于工業(yè)化應用，同時也有利于脫硫脫氮的聯(lián)合運行。因此，該技術成為了當前煤燃

2、燒領域的研究熱點。針對富氧燃燒的基礎問題，本文對低碳烷烴富氧火焰特性以及中高壓氮、硫的化學機理作了詳實的研究與分析。
　　運用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火焰溫度的影響。由于高濃度的CO2存在，且CO2參與的化學反應總體表現(xiàn)為吸熱，因此其化學性質對于溫度表現(xiàn)為負影響。當O2/CO2=36/64時，CH4-O2/CO2燃燒方式的溫度場分布同CH4-空氣燃燒方式

3、下的溫度場分布大致相同，分析表明：CO2的化學性質對溫度的影響與CO2物理性質對溫度的影響同樣重要。CO2對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%處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在氧氣濃度范圍為34%-36%呈現(xiàn)出最強狀態(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）逆向進行表現(xiàn)為吸熱。
　　運用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火焰溫度的影響。當水蒸氣濃度為72.5%時，oxy-steam燃燒方式的溫度場分布與傳統(tǒng)燃燒方式的溫度場分布最相似。水蒸氣促進三體反應R35(H+O2+H2O=HO2+H2O)使其成為對溫度影響最大的基元反應，其產(chǎn)物 HO2促進R287(OH+HO2=O2+H2O)使其成為熱釋放率最劇烈的反應。水蒸氣的化學性質對火焰溫度影響顯著，當水蒸氣濃度為60%-66%時，水蒸氣的化學性質對

5、溫度影響達到最大值。當水蒸氣濃度低于60%，水蒸氣的化學性質對溫度影響呈現(xiàn)近線性上升的趨勢，當水蒸氣濃度高于60%，水蒸氣的化學性質對溫度影響呈現(xiàn)出近線性下降的趨勢。
　　利用對沖實驗臺架在O2/CO2氣氛下，常壓、溫度為293K(甲烷)285K(乙烷和丙烷)測試多種烷烴（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算拉伸率為零時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。本章使用了本課題組提出的詳細化學機理進行了模擬研究，該機理包括170個組

6、分，1208步反應。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?，這主要是由于二氧化碳和氮氣熱容的差異（熱影響）所致，另外，二氧化碳的化學效應對于火焰?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對于火焰?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驗閮牲c：（1）烷烴在O2/CO2氣氛下基元反應CO+OH=CO2+H的反應速率急劇下降；（2）火焰?zhèn)鞑ニ俣日绊懙幕?/p>

7、應速率的下降程度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣蓉撚绊懟磻俾实南陆党潭取?br>　　氨氣氧化實驗在中高壓（30 bar和100 bar）中低溫（450-900 K），當量比及貧燃工況下的柱塞流反應器中進行，基于為高壓工況而更新的詳細反應機理的模擬結果能很好的預測實驗數(shù)據(jù)，在此詳細反應機理中，基元反應H2NO+O2的反應速率常數(shù)經(jīng)ab initio理論計算得出。在溫度為450-900 K，當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，氨氣氧化反應的產(chǎn)物為N2和N2O。模擬結果表明：促進氨氣氧化的主要基元反應是NH2+NO=NNH+OH， NH2+HO2=H2NO+OH，這兩個反應的主要貢獻在于提供 OH基團，抑制氨氣氧化的主要基元反應是NH2+NO=N2+H2O，NH2+NO2=N2O+H2O，這兩個反應為典型鏈終止反應。
　　在中高

9、壓（30bar和100 bar），溫度變化范圍450-925 K，貧燃以及當量工況下的柱塞流反應器中開展了硫化氫的氧化實驗，研究結果表明：硫化氫的氧化過程取決于當量比，在當量工況下，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間。模擬結果表明，相對不太活躍的SH基團對硫化氫的氧化十分敏感。在當量工況下，硫化氫的氧化速率主要受基