O2/CO2、O2/CO2/H2O和O2/H2O气氛中HCN转化生成NO的特性与机理研究

摘要

CCS技术被认为是最有前途的CO2减排技术。研究表明：CCS技术是我国实现2030年 CO2排放量出现拐点的必要条件。富氧燃烧技术被认为是最易工业化的CCS技术，包括oxy-fuel燃烧（O2/CO2循环燃烧）和oxy-steam燃烧（O2/H2O循环燃烧）。HC N是煤粉燃烧过程中N Ox生成的重要前驱物，因此研究HC N在富氧燃烧中转化为NO的特性与机理具有十分重要的科学意义和现实价值。
　　本文在Gr i-mec h3.0机理及MU机理的基础上，构建了新的反应机理。采用已经发表的相关实验结果对机理进行了验证。验证的结果表明：模拟结果与实验结果具有很好的符合性，这表明新机理适用甲烷在O2/CO2、O2/C O2/H2 O和O2/H2 O气氛中HC N转化生成N O的研究。本文采用新机理，在对冲扩散火焰结构中研究了C H4/HC N混合燃料在以上三种气氛中NO的生成特性和机理。
　　通过对O2/CO2、O2/H2O和O2/CO2/H2O气氛下HCN转化为NO的模拟研究发现：在O2/C O2气氛和O2/H2O气氛中，CO2及H2 O均对NO的生成起促进作用。在O2/C O2气氛中，CO2对 NO生成的主要影响机理是高浓度的CO2通过加强 R462（NH+CO2<=>HNO+CO），并且通过对三体反应的促进作用，最终导致R401，R403，R414被加强，使这三个反应成为对生成NO贡献最大的3个基元反应。O2/H2O气氛中，水蒸汽的高浓度对NO的生成主要影响机理为：高浓度H2O一方面提升R376(N+OH<=>NO+H)的反应速率，使得R401成为NO生成的最大反应，另一方面也促进了R403的提升，使其成为了对NO生成贡献第3的反应，同时，H2O对三体反应的高促进作用使得-R414成为对生成NO贡献第2的基元反应。
　　在O2/CO2气氛中，随着CO2的体积分数增加，HCN向NO的转化率也增大。当CO2的体积分数上升时，O基团，HNO基团及 NO2基团的比例随之显著增强，这大大促进了反应R312，R403及R424，是HCN转化为NO的转化率急剧上升的主要原因。在O2/H2O气氛下，随着H2O体积分数增加，HCN转化生成NO的转化率也逐渐增加。其原因是OH基团比例随着H2O浓度增加而上升，从而导致了反应R403在70％处其贡献率上升至第2位。另一方面，N基团比例的下降减弱了反应R378对NO的消耗作用。在 O2/C O2/H2 O气氛中，对于一定浓度的O2工况，随着 H2O体积分数的升高，HCN转化为NO的转化率呈线性下降的趋势。这是因为随着H2O的浓度增加，（1）极大地抑制了反应 R424（NO2+H=NO+OH）对 NO的生成。（2）反应 R312（NCO+O=NO+CO）对NO生成的贡献也逐渐减小。（3）反应R364（NH+O=NO+H）对NO的生成对NO的影响降低。

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1 绪论

1. 1 研究背景

1.2 Oxy-fuel燃烧中氮氧化物的排放特性

1.3 Oxy-steam燃烧中氮氧化物的排放特性

1. 4 本文的主要研究内容

2 化学反应机理及模型验证

2.1甲烷Oxy-steam燃烧的化学反应机理

2.2 O2/CO2气氛下HCN转化生成NO的数值模拟

2. 3甲烷燃烧新机理的验证

3 HC N在O2/C O2、O2/CO2/H2 O和O2/H2 O气氛下NO的生成机理与特性

3.1 HCN在空气气氛，O2/CO2气氛和O2/H2O气氛氧化特性对比分析

3.2 O2/CO2气氛中，CO2的体积分数对HCN氧化的影响特性与机理

3.3 O2/H2O气氛中，H2O的体积分数对HCN氧化的影响特性与机理

3.4 O2/CO2/H2O气氛中，HCN转化为NO的特性及机理分析

4 研究总结及展望

4. 1研究总结

4. 2 未来研究展望

致谢

参考文献