氢气对甲烷/空气对冲扩散火焰燃烧特性的影响研究

摘要

天然气是一种天然存在的由碳氢化合物组成的气体混合物，其体积含量的96.16%为甲烷。甲烷掺混氢气燃料被认为是改善甲烷燃烧效率的最有效途径之一。本文基于成熟详细的化学动力学燃烧机理GRI-MECH3.0，借助CHEMKIN软件的OPPDIF 的模块，系统的模拟研究了在氢气掺入的条件下，甲烷/空气一维层流扩散稀释火焰输运特性及其火焰动力学机理；关注添加氢气的化学性质和扩散性质对甲烷/空气对冲扩散火焰产生的影响，主要目的在于提供一种全新的方法来理解含有氢气的混合物燃烧的化学动力学机理。　　本文研究内容和主要结果如下：　　①文章研究了掺入不同比例的氢气的甲烷/空气对冲扩散火焰中对火焰特性的影响，氢气的加入会使得火焰的反应发生在更低温区域，提高甲烷/空气火焰的燃烧效率。同时通过对火焰过程中的反应步骤进行具体分析发现，基元反应R38(H+O2＜=＞O+OH)和R86(OH+H2＜=＞H+H2O)为生成活性自由基的主要反应之一， H与OH是燃烧反应的最关键的活性自由基。氢气的加入促使自由基H和OH产率大为增加时，自由基 OH 的消耗速率也随之增加，氢气本身所带有的化学性质会促进火焰中活性自由基 H、O 和 OH 的大量生成，且活性自由基的浓度决定了CH4的反应速率。　　②研究了不同氢气掺入比例对甲烷对冲扩散火焰的影响，通过构想虚拟低扩散性能的氢气，使虚构的氢气与正常的氢气拥有相同的热力学特征和化学特征，这种虚拟氢气具有低扩散传递能力，将这种虚拟氢气添加到甲烷/空气对冲扩散火焰中去，观察其变量的变化对火焰中的结构和主要产物的影响。通过这种低扩散性质的虚拟氢气可以帮助发现氢气的扩散特性在氢气掺入甲烷/空气火焰中所发挥的作用效果，并且在仅考虑氢气本身含有的热力学特征和化学性质的情况下对掺入火焰所产生的一系列影响。经过数据分析发现，虚拟氢气本身的化学性质可以使 CH4继续进行火焰中的基本氧化燃烧反应，但与真实氢气相比，其低扩散性会降低 CH4的生产速率和充分燃烧率；低扩散性的虚拟氢气其最高火焰温度低于原始火焰，且其火焰厚度也相应减小，这是由于氢气本身燃烧所产生的热量低于甲烷燃烧产生的热量，而氢气的高效扩散性可以促进火焰的高效进行，增加火焰的传递距离和传递速度，提高火焰的燃烧效率。并且氢气的化学性质对于CH3、C2H2和C3H8的生成作用明显，其扩散性对于CH3OH和CH2O的生成起到主要的促进作用。氢气的加入会降低 NO 的产生效率，这主要是由于氢气的高效扩散性所导致的，缺乏扩散性的虚拟氢气的掺入会降低 NO 的生成量，同时掺混任何一种类型的氢气对甲烷燃烧反应过程中NO生成化学反应途径影响不大。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 甲烷和氢气概述

1.3 NOx的生成及危害

1.4 本文的研究意义及主要内容

2 火焰模型与数值研究方法

2.1.1 数值计算模型

2.1.2 基本假设和控制方程

2.2 反应动力学模型及参数选择

2.3.1 NOx的数值模拟方法

2.3.2 NO评价指标

3 氢气的含量对甲烷/空气对冲扩散火焰特性的影响

3.1 引言

3.2.1 掺氢量对甲烷/空气对冲扩散火焰温度的影响

3.2.2 掺氢量对甲烷/空气对冲扩散火焰结构的研究

3.2.3 掺氢量对甲烷/空气对冲扩散火焰敏感性研究

3.2.4 掺氢量对甲烷/空气对冲扩散火焰反应速率分析

3.2.5 掺氢量对甲烷/空气对冲扩散火焰NOx形成的影响

3.3 小结

4 氢气对甲烷/空气对冲扩散火焰特性的影响

4.1 引言

4.2 虚拟氢气的火焰计算条件

4.3.1 氢气对甲烷/空气对冲扩散火焰温度的影响

4.3.2 氢气对甲烷/空气对冲扩散火焰主要产物的影响

4.3.3 氢气对甲烷/空气对冲扩散火焰中间产物的影响

4.3.4 氢气对甲烷/空气对冲扩散火焰氮氧化物形成的影响

4.4 小结

5 氢气的扩散性对甲烷/空气对冲扩散火焰的影响

5.1 引言

5.2.1 虚拟氢气含量对甲烷/空气对冲扩散火焰温度的影响

5.2.2 虚拟氢气含量对甲烷/空气对冲扩散火焰结构的研究

5.2.3 虚拟氢气含量对甲烷/空气对冲扩散火焰主要产物的研究

5.3 小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 氢气掺入的甲烷/空气对冲扩散火焰

B. 氢气和虚拟氢气掺入的甲烷/空气对冲扩散火焰

C. 虚拟氢气掺入的甲烷/空气对冲扩散火焰

D. 学位论文数据集

致谢

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