甲烷火焰中氢气对着火与燃尽的影响

第7卷(2001)第2期

燃　烧　科　学　与　技　术

JOURNALOFCOMBUSTIONSCIENCEANDTECHNOLOGY

.7(2001)No.2Vol

甲烷火焰中氢气对着火与燃尽的影响

钟北京,傅维标

(清华大学工程力学系,北京100084)

Ξ

摘　要:利用化学反应动力学机理研究了甲烷2空气预混火焰添加H2的着火和燃尽特性。通过分析计算,讨论了氢气对甲烷燃烧过程及着火温度、燃烧速率、燃尽时间的影响。结果表明,甲烷火焰中少量氢气的存在不仅可以降低甲烷的着火温度,而且可以显著增大燃烧速率,缩短燃尽时间。这些结果与已有的实验结果吻合。关键词:甲烷火焰;着火温度;燃烧速率

中图分类号:TK22411+1　　　文献标识码:A　　　文章编号:100628740(2001)0220194205

EffectofH2onIgnitionandinMe

ZHONG2(Mniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Thisonandburnoutcharacteristicsofmethane2airpremixedflamewithH2added,us2ingchemicalmechanism.Theeffectofhydrogenonmethanecombustionandignitiontemperature,burningrateandburnouttimearediscussedthroughanalyzingthecalculatedresults.Resultsshowthatthehydrogeninmethane airmixturenotonlydecreasestheignitiontemperaturegreatly,butincreasestheburningrateandshort2enstheburnouttimenotably.Thesecalculatedresultsareidenticalwiththeexperimentalresults.Keywords:methaneflame;ignitiontemperature;burningrate

　　天然气是最主要的气体燃料资源,随着我国对环

境污染治理力度的加大,天然气在燃料中的比例将不断增大。因此,对天然气燃烧特性及污染物生成特性的研究受到越来越广泛的关注。

　　天然气主要成分是甲烷。甲烷与其它烃类燃料相比有不同的氧化特性。甲烷是最稳定的饱和烃。由键能表可知,破坏甲烷第一个C2H键所需的能量大于其它烷的键能,毫无疑问也大于较长链烃中第二位碳的

[1]

空气混合物要比点C2H键的键能。因此,点燃甲烷

燃其它烃类燃料更加困难。

　　在所有的气体燃料中,氢是分子量最小,单位质量发热值最高,火焰传播速度最快,点火能量最小,燃烧无污染最理想的燃料。然而,天然氢气资源非常有限,

不可能把宝贵的氢气资源作为燃料烧掉。

　　由于氢气的优异性能,人们正在积极探索利用微量氢气来改善其它燃料的燃烧特性。大量的研究结果表明,掺加少量的氢气到气体或液体燃料中可以大大改善燃料的着火、燃尽特性,提高燃烧效率,节约能源,并显著降低污染物的排放量[2,3]。

　　本文的目的是通过反应动力学计算对在甲烷 空气混合物火焰中添加氢气后的燃料着火、燃尽等特性进行研究,并对计算结果进行分析和讨论。

1　计算模型

[4]

　　本文使用CHEMKI空气和(CH4N程序对CH4

Ξ收稿日期:1999210218;修回日期:2000201210。

　　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(59776027)。　　　作者简介:钟北京(1963-),男,博士,副教授。

2001年5月　　　　　　　　　　　　　钟北京等:甲烷火焰中氢气对着火与燃尽的影响・195・

+H2) 空气预混火焰计算。分析了H2对着火温度、燃

尽时间、燃烧速率等的影响。计算使用的反应动力学机理和Arrhenius公式中的各项参数如表1所示。有关

的动力学参数选自文献[5]。

　　本文的计算方法参见文献[6],此处不再重复。

表1　反应动力学机理和速度常数

速度常数kj=ATBexp(-E RT),量纲分别为mol、cm3、s、K和J mol

序号

[***********][***********][***********][***********][1**********]47

　　　　　反　　　　应

CH3+H+M=CH4+M

2.0 2.0 3.0 5.0 H2 CO CO2 H2O CH4+O2=CH3+HO2CH4+H=CH3+H2CH4+OH=CH3+H2OCH4+O=CH3+OHCH4+HO2=CH3+H2O2CH3+HO2=CH3O+OHCH3+O2=CH3O+OCH3+O=CH2O+HCH2OH+H=CH3+OHCH3O+H=CH3+OHCH3+OH=CH2+H2OCH3+H=CH2+H2

CH3O+M=CH2O++CH2OH+2OCH3O+H=H2CH2OH+H=2O+H2CH3O+OH=CH2O+H2OCH2OH+OH=CH2O+H2OCH3O+O=CH2O+OHCH2OH+O=CH2O+OHCH3O+O2=CH2O+HO2CH2OH+O2=CH2O+HO2CH2+H=CH+H2CH2+OH=CH+H2OCH2+OH=CH2O+HCH+O2=HCO+OCH+O=CO+HCH+OH=HCO+HCH+CO2=HCO+COCH+H=C+H2CH+H2O=CH2O+HC+O2=CO+OC+OH=CO+HCH2+CO2=CH2O+COCH2+O=CO+2HCH2+O=CO+H2CH2+O2=CO2+2HCH2+O2=CH2O+OCH2+O2=CO2+H2CH2+O2=CO+H2OCH2+O2=CO+OH+HCH2+O2=HCO+OHCH2O+OH=HCO+H2OCH2O+H=HCO+H2CH2O+M=HCO+H+MCH2O+O=HCO+OH

ABE

0.8000×10270.7900×10140.2200×1050.1600×1070.1020×10100.1800×10120.2000×10140.2050×10200.8000×10140.1000×15

-3.0000

03.00002.10001.500000-1.5700

002.[**************]-1.56002.0000000000-0.7500

[1**********]1.18001.770000

00.5600×1050.8750×1040.2460×1040.8604×1040.1870×105

00.2923×105

0000.5000×1040.1510×1050.2500×1050.2500×105

0000000.2600×1040.1500×104

00.3000×104

00000.6900×103

00000.1000×104

000.1000×1040.9000×1040.5000×103-0.1000×104-0.5000×103-0.5000×103-0.4470×1030.3000×1040.8100×1050.3080104

0.1000×10150.10

7

0.0×10×10150.1000×10150.2000×10140.2000×10140.1000×100.1000×100.6300×10

14

0.1000×1014

14

0.1000×1014

11

0.1480×10140.1000×10190.1130×10140.2500×10140.3300×10140.5700×10

14

0.3000×10140.3400×10130.1500×10150.1170×10160.2000×100.1100×100.3000×10

14

0.5000×1014

12

0.5000×1014

14

0.1600×10130.5000×10140.6900×10120.1900×10110.8600×10110.4300×10110.3430×10100.2190×1090.3310×10170.18001014

・196・燃　　烧　　科　　学　　与　　技　　术　　　　　　　　　　　　第7卷第2期

续表1

序号

[***********][***********][***********]75767778

　　　　　　　反　　　　应

HCO+OH=H2O+COHCO+M=H+CO+M

1.9 1.9 2.8 3.0 5.0 CO H2 CH4 CO2 H2O HCO+H=CO+H2HCO+O=CO+OHHCO+O=CO2+HHCO+O2=HO2+COCO+O+M=CO2+MCO+OH=CO2+HCO+O2=CO2+OHO2+CO=CO2+OHH2+O2=OH+OHOH+H2=H2O+HO+OH=O2+HO+H2=OH+HH+O2+M=HO2+M

18.6 4.2 2.9 2.1 1.3 H2O CO2 H2 CO N2 OH+HO2=H2O+O2H+HO2=OH+OHO+HO2=O2+OHOH+OH=O+H2OH+H+M=0.0 .0 H2 H2O2H+H+H2=2+H2H+H+H2O=H2+H2OH+H+CO2=H2+CO2H+OH+M=H2O+M5.01H2O

H+O+M=OH+M5.01H2O

O+O+M=O2+MH+HO2=H2+O2HO2+HO2=H2O2+O2H2O2+M=OH+OH+MH2O2+H=HO2+H2H2O2+OH=H2O+HO2

ABE

0.1000×10150.2500×10

15

0　　0　　0.25000　　0　　-4.0000

0　　1.30000　　0　　0　　1.3000-0.50002.6700-0.7200　　0　　1.3000-1.0000-0.6000-1.2500-2.0000-2.0000-0.6000

0　　0　　0　　0　　0　　0　　

00.1680×105

00000.3000×104-0.7580×1030.4100×1050.2293×1050.4778×1050.3626×104

00.6290×104

000.1073×1040.1073×104

0000000

-0.1788×104

000.4550×1050.3800×1040.1800104

0.1190×10140.3000×10140.3000×100.6170×10

14

0.3300×1014

15

0.1510×1080.1600×10140.5800×10140.1700×10140.1170×10100.4000×10150.5060×1050.3611×10180.0.15

..6000×1090.1000×10190.9200×10170.6000×100.1600×10

20

0.5490×1021

23

0.6200×10170.1890×10140.1250×10140.2000×10

13

0.1300×10180.1600×10130.10001014

2　结果分析与讨论

　　本文通过对不同燃烧工况的计算,研究了(CH4+

空气混合物火焰着火、燃尽及燃烧速度的规律,H2)

并比较了H2对甲烷火焰燃烧特性的影响。2.1　着火温度

　　研究着火温度时,使用了变温工况,燃烧在理论空气量下进行。采用反应动力学模型,计算的结果是反应组分随时间的变化。因此,着火温度可以定义为燃料 空气混合物中燃料摩尔分数开始显著降低的点所对应的温度。为了便于比较甲烷加氢前后着火温度的变化,定义燃料摩尔分数减少到初始值的5%时所对应的温度为着火温度。由图1可见,在着火点甲烷的摩尔分数确实开始显著地降低。

　　图1给出了不同加热速率下甲烷(图1a)及甲烷+氢气(图1b)火焰中甲烷的摩尔分数随时间的变化。由图中可见,随着气流速度的加快(即升温速率增大),无论是甲烷火焰,还是甲烷+氢气火焰,其着火温度都升高。这是因为在计算中假设燃烧室的壁温保持一定的温度分布,当甲烷(或甲烷+氢气) 空气混合物喷进燃烧室后被加热到着火。当燃料气流速度加快后,着火点要移向高温点。

　　比较图1a和图1b可以发现,加入氢气到甲烷火焰中,在气流速度和其它条件相同时,火焰着火温度降低,在高速气流下着火温度降低约50℃,而在低速气流下降低约40℃。这说明加H2后,着火能量降低,加热时间缩短。实验室进行的催化制氢着火实验的结果

2001年5月　　　　　　　　　　　　　钟北京等:甲烷火焰中氢气对着火与燃尽的影响・197・

类似[3]。结果表明,甲烷2空气流量比在01042～01158范围内,经催化重整后的预混气点火温度(约为1240～1210℃)比纯甲烷2空气预混气的点火温度(约为1290～1260℃)低约50℃。计算结果恰与实验结果吻合。

2.2　燃烧速率

　　图2为添加不同含量的H2对甲烷火焰燃烧速率的影响。图2a给出了CH4摩尔分数随时间的变化。

燃

(a)H2为

0(b)10%H2

图1　H2对甲烷

空气混合物燃烧过程和着火温度的影响

(a)CH4

摩尔分数(b)平均燃烧速率

图2　添加不同含量的H2对CH4燃烧过程的影响

・198・燃　　烧　　科　　学　　与　　技　　术　　　　　　　　　　　　第7卷第2期

烧速率可以定义为v=

,其中f为CH4的摩尔分dt

数。

　　由图2可见,随着H2含量的增大,f2t曲线越来越陡,即甲烷的燃烧速率越来越大,燃尽时间也越来越短。图2b比较了在不同火焰温度下纯甲烷火焰和添加10%H2的甲烷火焰的平均燃烧速率。可见,添加H2可以显著提高火焰的燃烧速率,大大缩短燃尽时间。2.3　燃尽时间

　　图3示出火焰温度、H2含量和过量空气系数对燃尽时间的影响。可见,火焰温度、H2含量对甲烷的燃尽时间影响很大,而过量空气系数的影响相对小一些。

　　温度对燃烧速率和燃尽时间的显著影响是显而易见的,根据Arrhenius定律k=ATBexp(-E RT),随着温度的升高,燃烧反应速度常数呈指数增长,因而燃烧速率增长很快。

　　氢气的影响主要有:由于H2点火能量小,火焰的能量传播速度快,所以易于着火,并提供能量引燃甲烷气体;氢气点燃后,容易形成大量燃料链式反应所必需的自由基(如H,OH,O等),从而启动甲烷气体的链式反应,使其燃烧速率大大加快。

　　与前两者比,氧气浓度影响小得多,据质量作用定律,燃烧速率与氧气浓度的关系不超过一次方关系

。

(a)

火焰温度(b)H2含量

图3　火焰温度和H2含量对甲烷 空气混合的燃尽时间的影响

ToxicEmissioninHydrogen2GasolineMixtureFueledEngines

3　结　论

　　(1)　加少量H2到甲烷 空气混合物火焰中,可降低火焰温度,提高燃料的燃烧速率,缩短燃尽时间。

　　(2)　火焰温度升高可以显著增大甲烷火焰或甲烷+氢气火焰的燃烧速率,缩短燃尽时间。

　　(3)　火焰中氧气浓度增大也有利于燃料的燃尽。参考文献:

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