基于激波管研究NO2对甲烷、乙烷和天然气点火特性的影响

摘要

燃料在燃烧过程中释放的氮氧化物对环境安全和人类健康造成很大影响。因此，发展清洁能源和高效的燃烧方法尤为重要。天然气（CH4/C2H6）大量存在于煤层中，是主要的化石燃料，甲烷和乙烷是天然气最主要的组成成分。近十年，天然气作为一种可替代石油的清洁燃料在一些有丰富煤炭资源的国家（美国、俄罗斯、加拿大和中国）得到了广泛的应用。但是天然气在燃烧过程中会产生一些副产物，如氮氧化物（NOx)、硫氧化物（SOx）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2)等，这些副产物的存在对内燃机和燃气轮机具有很大的影响。研究表明，即使极低的NOx浓度对天然气的点火也有很大的促进作用。因此，研究 NOx对天然气点火的影响，对如何实现 NOx的循环利用以及提高内燃机和燃气轮机的燃烧效率提供了理论基础。 本研究内容主要分为以下四个部分： 1）基于激波管实验平台，研究NO2对CH4点火特性的影响，测量了当量比为1以及和不同的NO2浓度条件下（分别为燃料浓度的0%，25%，50%和75%）的点火延迟时间。实验条件为温度1016~1984 K和压力5~16 atm。实验结果表明：添加NO2可显著减少CH4的点火延迟时间，并且随着NO2含量的增加，CH4的点火延迟时间的减少更为显著。同时也得出 NO2对 CH4的促进作用在低温部分高于高温部分。用得到的点火延迟数据与目前应用最广泛的几种化学反应模型进行对比分析，在各种条件下将符合最好的模型作为本次实验的基础模型，并对该模型做进一步修正以得到更好的预测点火延迟数据。基于该模型进行敏感性分析和路径分析得出 NO2对 CH4促进作用的本质原因。 2）在激波管中研究了不同NO2浓度（分别为C2H6混合物浓度的0%，25%，50%和75%）对当量比为1的C2H6的点火延迟时间的影响。实验条件为温度1021~1454 K和压力5~16 atm。实验结果表明：与CH4相比，NO2对C2H6只有轻微的促进作用，且低温条件下的促进作用明显高于高温条件下的促进作用。通过敏感性分析和路径分析，得出了NO2对C2H6促进作用的本质原因。 3）基于激波管实验平台，研究了不同NO2浓度（分别为CH4/C2H6混合物浓度的0%，25%，50%和 75%）对天然气（CH4/C2H6）点火特性的影响。实验条件为温度1054~1734 K和压力5~16 atm。实验结果表明：添加NO2对CH4/C2H6的点火延迟时间有很强的促进作用，并且随着NO2浓度的增加而增加，该促进作用在低温部分高于高温部分。通过敏感性分析和路径分析，给出了NO2促进CH4/C2H6点火的化学动力学原因。 4）比较分析了NO2对甲烷、乙烷和天然气点火延迟的影响，并通过敏感性分析和路径分析，从本质上给出了NO2对甲烷和乙烷点火特性的具有不同影响的原因。

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