O2/N2和O2/CO2气氛下乙烯火焰燃烧特性研究(3)
Fengshan Liu 等[5]
在研究层流乙烯空气扩散火焰中发现，添加 CO2有效抑制 NOx的排
放。
用 CO2代替 N2作为稀释气，预计新燃料混合物的燃烧速度可以通过以下三种机
制的影响： （1）混合物的运输和热性能的变化； （2）可能直接二氧化碳的化学效应；
（3）由于二氧化碳增强的辐射能量传输。实验测量 CH4 / O2 / CO2混合物在不同
的当量比和压力的燃烧速度。在几项研究指出,二氧化碳不是惰性,而是主要通过 CO
+OH↔CO2+H 直接参与化学反应[6]
，掺杂 CO2对火焰中多环芳烃(PAH)的减少起着决
定性的作用[7]
。根据钟孝蛟，刘豪等人[8]
的研究，在 O2/ CO2气氛下，高浓度的二氧
化碳对碳氢化合物的火焰有很大的影响。 运用化学动力学分析软件CHEMKIN 对多种
情况下的火焰进行模拟计算，研究火焰传播规律。得到的结论是：火焰传播速度与当
量比的关系类似于二元函数的关系，当量比 1.0 或 1.1 时，此时曲线存在拐点，火
焰传播速度达到最大值；在 O2的浓度相等的情况下下，使用 CO2作为稀释气时火焰
的传播速度比 N2作为稀释气时更小，由此可知 CO2 阻碍火焰的传播；CO2作为稀释
气时，火焰的传播速度随着 O2的浓度增大而增大，由此可知增大 O2的浓度利于烷烃
的燃烧。
基于Appel, Wang 和 Frenklach 开发的化学反应机理， 在不同气氛以及反应物浓度
下研究富氧扩散火焰中燃烧特性及火焰结构影响碳黑生成原理。得到以下几点结果：
1、 不论是 CO2还是 N2作为稀释气， 火焰的结构都会随着反应物量的增加而发生改变。2、CO2可抑制碳黑的形成，而 N2却无明显效果。原因是 CO2在燃烧过程中并非惰性
气体， CO2不但有热效应，还直接参加燃烧过程中的化学反应。由于 CO2 的比热容
比 N2 大，CO2吸收火焰温度使火焰温度下降，主要 PAHs 和 C2H2等碳黑前驱体的摩
尔分数下降，并且有大量碳黑被氧化，从而减少碳黑的生成。同时，反应 CO +OH=
CO2+H 是可逆反应，CO2浓度较大时，反应逆向进行，OH 的浓度增大，大量氧化碳
黑前驱物和初生碳黑。此外，从实验结果的最大颗粒密度看来，碳黑生成的影响主要
来源于CO2 的热效应[9]
。
根据安江涛等[10]
对 CO2稀释及合成气构成对预混燃烧特性的影响的研究， 计算不
同浓度的CO2作为氧化剂与合成气的预混合燃烧，得到结果：CO2的浓度增加会造成
火焰温度降低， 使火焰厚度增加， 导致燃烧速度减少， 化学反应滞留时间延长。 O2- CO2
作为氧化剂与燃料混合燃烧可以减少可以增加燃烧速度的自由基的生成。
在 1～40 atm 范围内对三种不同混合气的火焰进行研究：Flame 1 为 CH4与空气
的预混合燃烧火焰，Flame 2 为 CH4与 70% N2和 30% O2组成的层流预混燃烧火焰，
Flame 3 为 CH4与 70% CO2和 30% O2组成的层流预混燃烧火焰。基于 GRI 3.0 的骨干
反应机理下进行计算，得到的结果是：富氧燃烧（即 Flame 1、Flame 2）的火焰温度
更高、长度更短。与 Flame 1 相比，Flame 2 中加入 70% N2使火焰燃烧尾气中 NO排
放指数增加了70%，而且压力增大 NO浓度随之增大，富氧燃烧条件下热力型 NO生
成量占主要部分。Flame 3 中，在近燃烧器喷口处存在反应 H+ CO2 <=> OH+CO，生
成大量的 CO。火焰的温度随着压力的增大先升高后降低，火焰半径慢慢缩小，长度
基本没有变化[11]
。CO2稀释燃料甲烷以及增加速度梯度,热力型 NO 质量生成速率以
及 EINO快速下降[12]
，而且提高氧浓度产生高温（或氧化剂流量不变增加流速[13]）同