关于碳氢燃料燃烧过程中的烟炱生成

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1、中国L程热物理学会燃烧学第十届年会编号：014093关于碳氢燃料燃烧过程中的烟炱生成王皆腾，祁海鹰‘，李宇红，由长福，徐旭常(清华大学热能工程研究所，北京100084)摘要：碳氢燃料在空气中燃烧时会生成烟炱，井影响火焰的结构，燃烧稳定性、燃烧效率和火焰的辐射特性，过量的烟炱排放到大气中还会对环境造成不良的影响。研究表明，燃烧过程是空气中可吸入悬浮颗粒物的主要来源之～，悬浮颗粒物的存在与肺癌等疾病有密切的关系，特别是直径在2．5um以下的粒子对人体的危害性更大。本文总结了关于烟炱研究的最新进展，论述了碳氢燃料在空气中燃烧时烟炱生成的化学机理和生成模型，烟炱对燃烧的辐射特性的影响，总结了实验和计

2、算结果，井介绍了燃料在燃烧过程中裂解中间成分的测定。通过对烟炱生成机理的研究为高温空气燃烧技术中燃料在高温下的裂解和烟炱的生成与排放以及它的辐射特性提供研究的基础。美键词：碳氢燃料，燃烧，烟炱，好辫飘1一、概述碳氢燃料在空气中燃烧时，常常伴随有烟炱(soot)的生成。它的生成与空气温度、空气中氧浓度、燃料的种类及其在燃烧过程中与空气的配比情况有关。一般而言，当空气的预热温度越高，空气中的氧含量越低，燃料和氧化剂混合越不均匀，燃料就越容易发生裂解，生成的烟炱就越多，如果它们不能及时燃烧就会排放到大气中。为更好地利用能源，减少环境污染和提供燃烧效率，更深入了解燃烧的机理，有必要对烟炱的生成进行研

3、究。二十世纪九十年代发展起来的高温空气燃烧技术控制NOx的关键就是采用了高温低氧燃烧的原理。因此，在发展这项先进的燃烧技术的同时，对其燃料在高温下的裂解和通过烟炱生成而引起的超细可吸入悬浮颗粒物排放必须给予必要的重视。烟炱的物质结构以石墨化碳黑为主，但仍有多种不同的存在形式。对于不同的燃料它们的生成趋势也不同．文献【1]给出它的详细结果，从小到大依次为：石蜡、单稀烃，二烯、苯、萘。烟炱的生成不仅降低了燃料的利用效率，而且还影响烟气的黑度和炉膛的辐射传热。过量的烟炱如不能在炉膛内燃烧而排放到大气中还会引发环境的粉尘污染。随着实验条件的改善和高性能计算机的应用．使对烟炱生成的实验研究和反应动力学

4、的模型研究得到更深入的发展。+基金项目：清华大学机械学院基金“高温空气燃烧技术的基础研究”联系人：010-62781740，qihy@te．tsinghua．edu．cn二、烟炱生成的化学机理文献[2]认为，烟炱的生成大致可以分为两个阶段。第一阶段：从低分子量的不饱和烃中产生烟炱核心，通过化学反应实现高分子化。第二阶段：所生成的烟炱核心经过液化聚合和团聚等过程成氏为烟炱微粒。而第二阶段的机理已经较为清楚，现在研究的关键是要弄清第一阶段中从燃料高温裂解生成不饱和烃到产生烟炱核心的过程中起主要作用的中间物质。关于中间物质的成因主要有多环芳香烃中间体说(polycyclicaromatichydr

5、ocarbons·PAHs)、乙炔中间体说(polyynes--PYs)和烃离子说：,ionicspecies)等等。烟炱粒子一般具有和石墨相类似的构造，因此芳香烃中间体说占据着主导地位，它认为大的多环芳香烃聚台而形成原始的烟炱粒子。该机理认为烟炱的形成主要有以下几个过程：分子态的烟炱前身的形成、PAH分子形成烟炱的核心粒子、核心粒子与气态的分子聚台而尺寸变大、粒子相互碰撞而团聚、粒子的炭化和部分氧化等。(1)分子态的烟炱前身的形成。烟炱的形成首先是苯环的形成，分子态的烟炱前身是一些较重的PAH分子，约为500—1000amu(atomicmassuMt)。它的形成有两类过程．一是芳香烃分子

6、和C2，C3或其它的小分子特别是乙炔反应使得分子长大：另一是PAHs之间发生聚台反应而生成较大的PAHs分子，具体哪一类反应的强弱和所使用的燃料有关。在芳香类燃料中，苯、乙炔和其它参与芳香烃组成反应的活性反应物占有很大的浓度，后一种作用占优；而在链烃燃料中．例如：乙炔、乙烯和甲烷等，芳香环的形成要经历一系列的反应。因此，参与反应的再成分浓度相对较低，前一种作用占优。高温空气燃烧技术所使用的碳氢化合物燃料一般为烷烃燃料，燃烧时形成的炭粒子并是不一个睦链型的结构．例如：当C2H和聚炔烃反应时，髓着后者长度的增加，反应在聚炔烃两端进行的可能性也随之降低，如其和除两端之外的其它任何炭原子反应就会产生

7、带有支链的基团，最后当这些支链闭合时就产生了苯环基团，由于所产生的基团的活性，它还可以和其它的烃类反应，形成带支链的芳香烃化合物．最后支链闭合形成微小的活性低的多环芳香烃，也就生成了所谓的原始烟炱粒子核心。关于苯环的形成有几种动力学模型，文献[3]中给出的模型以甲烷为例认为燃料裂解并化合后产生的乙炔和n．C4H3、n．C4H5相加并环化而形成苯环，反应的方程式如下：n．C4H3+C2H2÷÷C6H6(1)C2