关键词:
氨气
硫化氢
碳烟排放
层流扩散火焰
化学动力学分析
摘要:
碳烟作为碳氢化合物燃料在不完全燃烧过程中产生的细小碳质颗粒,对人类健康和环境构成了严重威胁。为了应对日益严重的碳烟排放问题,在碳氢燃料中加入添加剂来降低燃烧过程中的碳烟排放成为当前的研究热点。氨作为一种无碳燃料,具备储存和运输方便、零碳排放以及高热效率等优势,在碳中和背景下显示出较强的竞争力。硫化氢因其在燃烧过程中不生成二氧化碳,并且在天然气储层中广泛存在,也成为一种备受关注的添加剂。因此,本文通过实验研究了氨气和硫化氢掺混对乙炔扩散火焰的结构、温度、碳烟排放量、碳烟颗粒形貌和纳观结构的影响,又进一步对燃烧过程进行了化学动力学分析。主要得到以下结论:
(1)分析了氨气掺混对乙炔扩散火焰碳烟形成和排放的影响,结果表明,随着氨气浓度的增加,火焰尾部的碳烟“翼”逐渐收缩,排放的碳烟质量逐渐减少,当氨气掺混比例达26.67%时,排放的碳烟质量为0 mg。同时碳烟在火焰中的成核反应速率也有所降低。随着氨气的持续加入,混合燃料气中的燃料比重逐渐增加,导致火焰温度随着氨气浓度的增加而显著升高。化学动力学分析表明,火焰中C3H3和H自由基浓度的降低,抑制了多环芳烃(PAHs)的形成和生长,这会降低碳烟的形成。另一方面,CN、HCN、HNCO和NCO浓度的增加,意味着氨气的加入显著消耗了形成碳烟所需的碳原子,从而最终抑制了火焰中碳烟的形成和排放。
(2)分析了硫化氢掺混对乙炔扩散火焰碳烟形成和排放的影响,结果表明,硫化氢掺混能显著减少碳烟的排放。当硫化氢掺混比例达5%时,排放的碳烟质量为0 mg。同时,硫化氢的加入增加了火焰的温度,降低了碳烟成核反应速率。化学动力学分析表明,硫化氢的添加明显降低了PAHs的形成,且对高环数的PAHs表现出更强的抑制效果。同时还略微降低了C3H3自由基的浓度,增加了CS2和COS的浓度。这表明硫化氢通过消耗多环芳烃生长所需的碳原子来抑制多环芳烃的生长,进而抑制了碳烟颗粒的成核和表面生长,从而最终抑制了PAHs的生长和碳烟的形成。