O2/CO2气氛下层流碳氢扩散火焰中碳黑生成研究

碳氢燃料富氧燃烧与空气燃烧相比，在火焰温度分布、火焰结构上有较大区别，特别是在CO2参与燃烧后，对于火焰的热辐射和化学反应也有着较大影响，从而影响碳黑生成。本项目用O2/CO2代替O2/N2作为层流碳氢扩散火焰的氧化剂，燃料为乙烯并用CO2稀释，针对不同化学计量混合分数下的火焰对象，采用实验手段检测火焰中温度和辐射热流分布、碳黑浓度分布和微观结构、碳黑驻留时间等关键参数，并基于详细化学反应机理与非灰光谱辐射传热模型开展碳黑生成的数值模拟研究；通过实验检测和数值模拟揭示O2/CO2气氛下探寻碳黑生成规律，阐明火焰结构、温度分布以及热辐射对碳黑生成产生影响的根本原因；进一步，对详细化学反应机理进行简化，发展O2/CO2气氛下的碳黑生成的半经验模型，为富氧燃烧装置中碳黑生成的预报以及碳黑排放的降低提供理论指导。本项目对火焰中碳黑生成机理的研究和降低燃烧污染物排放都具有重要的科学意义和应用价值。

碳氢燃料在O2/CO2气氛下燃烧与空气中燃烧相比，在火焰温度分布和火焰结构上有较大区别，从而影响碳黑生成。本项目以层流扩散火焰为研究对象，通过实验检测和数值模拟，诠释了O2/CO2气氛下碳黑生成的影响因素，探索了扩散火焰中碳黑生成的控制方法。首先，在实验检测方面，提出了结合正则化和奇异值分解的热辐射反演方法，提高了温度分布重建的精确性；进一步提出了考虑图像探测器光谱响应的火焰温度和碳黑浓度分布同时重建方法，将其用于伴流乙烯火焰的检测中，该方法与其它光学方法相比，差别很小；此外，基于热泳原理，设计制作了一套热泳探针取样系统，用于对火焰中碳黑颗粒及其团聚体进行取样。其次，数值模拟方面，基于详细化学反应机理对对冲和伴流两种扩散火焰开展了燃烧数值模拟，得到了火焰温度、碳黑浓度及中间产物浓度的分布。综合实验和模拟的结果，表明：随着氧化剂中氧浓度增加，两种气氛下的火焰温度也在增加，而碳黑浓度随氧浓度的增加则是先升高再降低；CO2参与燃烧所带来的热效应、化学反应效应以及碳黑在火焰中驻留时间的改变，导致在O2/CO2气氛下碳黑生成受到抑制；同时计算了伴流扩散火焰中碳黑生成极限时的局部C/O比和温度；进一步建立了简化的碳黑生成模型。最后，开展了扩散火焰中碳黑生成的抑制实验，在三种氧浓度下，改变化学计量混合分数可以改变碳黑生成，从而影响火焰辐射换热，这种方法有可能用于富氧燃烧发电装置中，提高氧浓度，减少CO2循环量，最终提高装置的效率。