[分享]低温燃烧碳氢化合物火焰中一氧化氮的形成趋势

zsx · 发表于 2006-11-4 04:50

本文是去年本人写的一篇文章，请大家批评指正。前言为了减少由大气污染带来的环境问题，人们正努力降低燃烧装备中一氧化氮（NO）的排放量。当通过实验对燃烧室性能得到改善时，运用计算机模拟来发展新的燃烧方法常常成本低而有效。在模拟复杂燃烧环境时，模拟者常常要么假设过程可以忽略，要么用一个简单的方程来替代用来描述燃烧过程的一系列复杂方程。一氧化氮的形成主要通过三种反应途径[1]：（1）热力-NO途径，（2）N2O-媒介途径，（3）快速-NO途径。燃烧过程中对热力-NO形成量的预测已经有推荐方程[2，3]，这也许是由于热力-NO的化学运动特性比较容易理解和相对简单的缘故。这些方程在燃烧室模拟实验中，对主要通过热力-NO途径形成的一氧化氮提供了很好的预测。然而，在低温燃烧情况下，上述方程对一氧化氮的总体预测是很差的, 特别是对快速-NO途径产生一氧化氮的预测，    所以低温燃烧时一氧化氮的其它预测机理显得尤为重要。不幸的是，由于通过快速-NO和N2O-媒介途径形成NO的复杂性，用单一的方程难以对它进行预测。能够精确预测这两种途径形成的一氧化氮且又简便的方程一旦得到，它将对人们致力于降低实际应用中燃烧器一氧化氮的排放量有很大帮助。这样的方程可能取决于反映一氧化氮形成的整体趋势的实验数据。本论文对燃烧碳氢化合物中一氧化氮浓度变化的整体趋势进行了分析。类似地，这些数据显示：在一氧化氮的相对形成量与平衡率之间可能存在一定的相互发展关系。这些数据是在燃烧C2H6/O2/N2、 C2H4/ O2 N2和C H4/O2/ N2中，前两种燃烧压力为1~15atm，后者为大气压力下，贫氧和富燃料燃烧、层燃、予混、低温（1600~1850K）的燃烧状态下测得的。

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zsx · 发表于 2006-11-4 04:51

数据说明本论文采用激光感应荧光法（LIF）对火焰后部NO的浓度数据进行了分析。这些数据是在扁平、层燃、高压（

<15atm）、予混燃烧C2H6/O2/N2[4，5]和C2H4/O2/N2[6]火焰条件下，对平衡率与NO浓度数量函数关系的测量。其火焰温度在1600~1850K之间，在给定压力下，所有火焰的流动速度一样，而且冲淡率（VN2/VO2）都是3.5。同时对Klassen et al.[7]中，在高温（1650~1950K）燃烧CH4/O2/N2火焰下的数据也进行了考虑，其余条件与上述一样。甲烷火焰的流动情形在给定压力下与其它火焰完全一样，然而，许多甲烷火焰中[7]，特别在高压下，热力-NO的量明显增加。由于本文主要针对除热力-NO途径外的其它NO形成机理的比较火焰，所以本文并未对甲烷火焰中高压条件下的数据予以考虑。目前的数据分析显示，NO的浓度值在贫氧和富燃料火焰中随着平衡率的增加而增加，在燃料比达到合适值时NO的浓度值达极值，然后迅速下降[4-6]。在给定压力下，与NO浓度极值相应的平衡率也随着压力的增加转向贫氧情形，渐渐在高压下达到极限值ф=1。本文仅对贫氧火焰下的数据予以了分析，而并未对给定燃料和压力下出现NO浓度峰值的火焰情形予以分析。由于富燃料火焰中NO的浓度迅速的下降足以说明它们之间的相互关系，所以并未对此情形予以讨论。<span style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: "Times New Roman"; mso-hansi-font-family: "Times New Roman"; mso-bidi-font-family: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">在半对数坐标系下，几种燃料所对应的<span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-fareast-font-family: 宋体; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">NO<span style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: "Times New Roman"; mso-hansi-font-family: "Times New Roman"; mso-bidi-font-family: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">浓度值与平衡率之间的关系曲线具有一定的相似性，对于每一种燃料，<span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-fareast-font-family: 宋体; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">NO<span style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: "Times New Roman"; mso-hansi-font-family: "Times New Roman"; mso-bidi-font-family: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">浓度的对数值与平衡率的线性关系总在<span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-fareast-font-family: 宋体; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">NO<span style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: "Times New Roman"; mso-hansi-font-family: "Times New Roman"; mso-bidi-font-family: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">浓度峰值的偏向出现。在一定燃料和压力下，其线性关系在<span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: "Times New Roman"; mso-fareast-font-family: 宋体; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">NO<span style="FONT-SIZE: 14pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: "Times New Roman"; mso-hansi-font-family: "Times New Roman"; mso-bidi-font-family: "Times New Roman"; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA;">浓度值低于浓度极值的百分之八十二范围内存在。另外，每一种燃料所对应的线性斜率都基本一致。这一相似性表明：在适当的校正后，这些数据之间相互关系的测定有可能实现

zsx · 发表于 2006-11-4 04:51

结论与讨论图.1绘出了矫正后的数据曲线，其校正后的NO浓度用NO浓度值与对应燃料和压力下NO最大浓度值的比值表示，为了建立其相互关系的方便，对上述比值取以十为底的对数。平衡率的校正用一定燃料化合物和压力下，NO浓度极值的百分之八十二所对应的平衡率与实际平衡率的差表示，校正后的值与NO的对数校正值正好符合其线性关系目标，每组数据的校正因式在图.1的例图中已经标出。图.1中的实线表示两变量之间的相互关系，从中我们可以注意到：大气压下与高压下的数据曲线相互分离，这一现象对上述关系的精确性有一定影响。这种分离现象可能受实验本身的影响[在1atm下，激光感应荧光法（LIF）中半饱和度的存在]，并不体现化学反应的本质不同。描述两变量相互关系的是一个简单的三次方程：<span style="

OSITION: relative; TOP: 16pt; mso-text-raise: -16.0pt;"><shapetype id="_x0000_t75" stroked="f" filled="f" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" opreferrelative="t" ospt="75" coordsize="21600,21600"><stroke joinstyle="miter"></stroke><formulas><f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></f><f eqn="sum @0 1 0"></f><f eqn="sum 0 0 @1"></f><f eqn="prod @2 1 2"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @0 0 1"></f><f eqn="prod @6 1 2"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></f><f eqn="sum @8 21600 0"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @10 21600 0"></f></formulas><path oconnecttype="rect" gradientshapeok="t" oextrusionok="f"></path><lock aspectratio="t" vext="edit"></lock></shapetype><shape id="_x0000_i1025" oole="" type="#_x0000_t75" style="WIDTH: 233.25pt; HEIGHT: 38.25pt;"><imagedata otitle="" src="file:///C:\DOCUME~1\new\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image001.wmz"></imagedata></shape>其中x=ф82%max-ф，“ф82%max”表示在相应燃料和压力下NO浓度极值的百分之八十二所对应的平衡率。为了对上述关系进行量化，我们将对每一组关系式中的计算数值与曲线数值偏差的平均绝对值进行测定。分析结果表明：推荐关系式为测量值提供了很好的精确预测（一般在15%范围内），同时，也可能对高压和大气压下数据偏离的现象得出更精确的关系式。另外，对数据线性区精确的线性关系式的导出也提供可能。从这项实验中可知，上述关系式是否适合于别的碳氢化合物燃烧火焰仍然不清楚，另一方面，也没有迹象表明并不适合于其它燃料。然而，由于快速-NO的形成很大程度上依赖于燃料的化学性质，所以，对于比较复杂的碳氢化合物燃料有可能出现偏离上述曲线趋向的情况。结论本文对低温碳氢化合物火焰中NO的总体趋势予以证实。把数据适当校正后，在压力范围为1-15atm内，燃烧C2H6/O2/N2和C2H4/O2/N2火焰中NO的浓度值趋向非常相似，大气压条件下燃烧CH4/O2/N2火焰中NO的浓度值趋向也有相似性质。需要强调的是：导出的关系式仅适用于低温NO的形成趋势，热力-NO的模式须在高温燃烧模型下建立。