典型燃料燃烧复杂机理构筑及特征毒物排放控制数值模拟

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：094036典型燃料燃烧复杂机理构筑及特征毒物排放控制数值模拟王彬彬蒋勇邱榕安江涛(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥230026)（0551-3606154,13083087579,yjjiang@ustc.edu.cn,rqh@ustc.edu.cn.）摘要：对碳氢典型燃料燃烧详细机理进行分析或简化，耦合特征燃烧毒物生成亚机理构筑准确可靠的燃烧详细机理，并针对典型燃料的燃烧进行计算，验证机理地正确性。利用构筑的机理对典型燃料燃烧进行分析，计算了火焰结构；得出了各组

2、分浓度分布；重点计算了特征燃烧毒物的空间分布，研究了一些抑制毒物生成的方法。关键词：典型燃料；特征毒物；化学反应机理；数值模拟0引言天然气，液化石油气，柴油等作为常见的燃料是主要能源提供的载体。这些燃料在燃烧时生成的大量的有害物质是环境污染的一个重要方面。各种燃料燃烧产生的CO，CO2，HC，NOx，PAHs，PM以及醛类物质是最常见的燃烧毒物和污染物。针对它们的研究也是国内外学者十分关注的课题。目前，国内外的学者的研究主要集中在针对单一燃料（如甲烷，乙烷等）的某一特定有害物质（如NOx）进行研究，而针对多种燃料的不同有害

3、物质的研究并不常见。此外，对这些典型燃料燃烧和特征燃烧毒物生成详细机理的研究还不是很活跃。本文选取天然气等多种常见燃料进行研究，利用当今国际上先进的CHEMKIN软件包[1]，耦合目前详细、半详细化学机理文件和可靠的简化机理文件，分析不同燃烧条件下的各种燃烧毒物和污染物的排放特点和控制方法。1典型燃料复杂化学机理分析与典型毒物形成亚机理构筑1.1天然气复杂化学机理分析本次研究计算了天然气的氧化燃烧，包括预混火焰结构和扩散对撞火焰结构的模拟。采用了国际上比较成熟的计算低炭碳氢燃料燃烧的详细化学反应机理文件Gri-mech3.

4、0反应机理[2]。Gri-mech3.0反应机理系列模型经过三代改进修正，目前已经能够很好的模拟包括NOx生成和在燃烧化学机理在内的甲烷等碳氢燃料燃烧反应，而且与实验等结果吻合的很好，取得了很广泛的应用。在Gri-mech3.0机理中，CH动力学对promptNO生成机理通过新的计算方法得到。新的方法中仍然包括H+O2反应，CH3+O2，CH2O+H和CH2O分解反应。另外，氧化反应CH3+O和CH2+O2构建了新的支链反应。在动力学机理文件中，增加了两种新的动力学机理，包括了4中组分，乙醛和CH2CHO自由基的引入增进乙

5、烯氧化化学反应，包括Ox+C2Hy反应生成物。由于天然气中含有乙烷成分，因此，该机理还增进了乙烷机理：基金项目：国家自然科学基金(50676091,50876097)、教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET-06-0546）（1）修正计算点火延迟和天然气的火焰特征，包括压力和组分的影响。（2）根据近似的当量比关系，将乙烷完全转化为燃烧产物。（3）最小化乙烷化学机理的范围。Gri-mech3.0模型机理包括详细的热力、快速和燃料NO生成反应，共有325个基元反应方程式，53种反应组分。1.2液化石油气复杂化学机理构筑

6、与验证20世纪初，沃尔特斯林（Dr.WalterSnelling）博士对汽油进行稳定性试验,发现汽油挥发出的气体在一定温度和压力条件下为液体,并成功地从天然气中提取了丙烷和丁烷。随后,德国、美国、日本、法国、意大利和东欧一些国家也相继生产和使用了液化石油气。在本次研究中分析以丙烷、丁烷为主要成分，摩尔浓度比采用1：1。采用针对C3,C4等高碳物质的燃烧化学反应机理，该机理由Sung[3]等开发，针对层流正丁烷预混燃烧火焰结构和火焰绝热燃烧速度进行分析，取得了较好的结果。Sung利用该机理进行数值模拟计算并比对实验结果，验证

7、了该机理的可靠性。本次研究中在该反应机理的基础上，利用GRI机理增强NOx生成机理，并与Sung机理进行对接，得到最终的反应机理文件。该反应机理包含129个反应组分，共876个基元反应。图1给出了对比增强机理、Sung机理和实验数据的结果，从图中可以看出，本文使用的机理可以很好的吻合于Sung的数值模拟数据，可靠性可以验证，关于该机理的应用，可以参考作者之前的工作[4]。图1.对比增强机理、Sung机理和实验数据Fig1ComparisonofexperimentaldataandcomputeddatabySungeta

8、l[3]andpresentwork1.3柴油复杂化学机理构筑与验证柴油属于轻质石油产品，复杂烃类(碳原子数约10～22)混合物。为柴油机燃料。主要由原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等过程生产的柴油馏分调配而成；也可由页岩油加工和煤液化制取。目前国内国际上对柴油机理的研究都是建立在正庚烷燃