氢气对甲烷/空气一维层流预混火焰燃烧特性的影响及火焰动力学机理研究

摘要

美国埃克森美孚公司提供数据表明,在2025年之前,天然气可望成为仅次于石油的全球第二大能源资源。天然气的主要成分是甲烷。
　　本文立足于解决能源危机和环境污染重大战略问题,基于详细的动力学反应机理 GRI-Mech3.0,借助CHEMKIN大型气相化学反应动力学软件包中的PREMIX应用程序,系统模拟计算了不同掺氢比条件下,甲烷/空气一维层流预混火焰的燃烧特性,全面分析讨论了氢气对甲烷/空气一维层流预混火焰输运特性及其火焰动力学机理的影响,拟精确获取甲烷/氢气/空气预混气燃烧控制反应,为天然气的开发与利用提供了有利的参考依据。
　　本文采用PREMIX应用程序中的预混自由传播火焰和预混层流燃烧器稳定火焰两种火焰模型作对比,分别数值模拟了常温常压下,甲烷/氢气/空气一维层流预混火焰的火焰温度、放热率、火焰前期、火焰厚度、反应区厚度、重要物质浓度曲线及其反应速率,燃烧体系最大热贡献反应、重要活性自由基最大生成贡献反应以及重要反应的净反应速率。
　　研究结果表明,氢气使得甲烷/空气一维层流预混火焰燃烧反应在更低温区便开始进行,而且随着掺氢比的增加,火焰温度与火焰放热率均逐渐递增,火焰厚度与反应区厚度则呈递减趋势,氢气能显著提高甲烷/空气预混气的燃烧效率。但是,当向甲烷/空气一维层流预混气中,添加过量的氢气时,部分氢气反应物属性增强。
　　燃烧体系最大热贡献反应为R10(O+CH3<=>H+CH2O),R84(OH+H2<=>H+H2O)和 R284(O+CH3=>H+H2+CO)。重要物质浓度曲线及其反应速率曲线表明,H与OH是甲烷/氢气/空气预混气燃烧反应的最关键活性自由基。氢气使得H与OH产率大为增加的同时,OH的消耗速率也随之徒增。主要反应净反应速率分析表明,随着掺氢比的增加,活性自由基OH的消耗反应R84(OH+H2<=>H+H2O)逐渐成为了甲烷/氢气/空气一维层流预混火焰的燃烧控制反应,在燃烧过程中起着主导作用。