摘 要

合成气是以一氧化碳和氢气为主要组分的可再生气体能源，近年来，合成气作为内燃机的替代燃料也得到了广泛的关注。其中，控制和减小合成气燃烧污染产物如氮氧化物的生成是重要的研究方向之一。合成气来源广泛，制备方法不同也会使得合成气组分发生变化。不同组分及不同火焰条件都会对NO_X生成产生影响。

本文主要研究合成气预混火焰NO_X生成的规律。基于Chemkin和GRI3.0详细化学反应机理，讨论合成气在不同气体组分、不同进气温度及不同混合气当量比等条件下NO_X的生成的规律和机制，结果表明：

1）在进气温度、混合气当量比及进气速度条件不变的情况下，合成气组分中CO所占的比例越大，导致燃烧温度升高，燃烧所产生的NO_X越多。

2）在合成气组分、混合气当量比及进气速度条件不变的情况下，进气温度越低，导致的燃烧温度变大，燃烧所产生的NO_X越多。

3）在合成气组分、进气温度及进气速度条件不变的情况下，合成气在计算所选当量比为1.0时，燃烧温度最高，NO_X的生成量最多；当量比过浓或过稀时，其生成量均减少。

4）在合成气组分、进气温度及混合气当量比条件不变的情况下，进气速度越大，燃烧温度越大，燃烧产生的NO_X越多。

本文的研究促进了对NO_X生成的认识，对于减小NO_X污染物排放具有一定的积极意义，为人类环保做出贡献。

关键词：合成气；预混火焰；Chemkin；氮氧化物；

Abstract

Syngas mainly consist of carbon monoxide and hydrogen. As a renewable and clean fuel, syngas has been investigated as an alternative fuel of internal combustion engines in recent years. Among them, it is one of the important research directions of the command and reduction of syngas combustion pollution products such as nitrogen oxides. Synthetic gas sources are extensive, different preparation methods will make the syngas component changed. Different components and different flame conditions will have an impact on NO_X generation.

This paper mainly studies the regularity of the formation of NO_X in syngas premixed flame. Based on Chemkin and the detailed chemical reaction mechanism of GRI3.0, the effects of synthesis gas on the composition of different synthesis gas, different intake temperature and different mixed gas equivalence ratio were studied. NO_X formation rules and mechanisms, the results show that:

1) In the case of constant intake temperature, mixed gas equivalence ratio and inlet speed conditions, the greater the proportion of CO in the syngas component, the higher the combustion temperature and the more NO_X produced by the combustion.

2) In the case of syngas composition, mixed gas equivalence ratio and inlet speed conditions, the lower the intake air temperature, the greater the combustion temperature is, and the more NO_X is produced by combustion.

3) In the case of syngas composition, intake temperature and inlet velocities, When the calculated equivalent gas ratio is 1.0, the combustion temperature is the highest and the amount of NO_X is the most; when it is too thick or too thin, its production is reduced.

4) In the case of syngas composition, intake temperature and mixed gas equivalence ratio conditions, the greater the air intake rate, the greater the combustion temperature, the more NO_X generated by combustion.

The research of this paper has promoted the understanding of NO_X production, which has certain positive significance for reducing the emission of NO_X pollutants and contributing to human environmental protection.

Key words: Syngas; Premixed flame; Chemkin; Nitrogen oxides;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 合成气的应用 1

1.1.2 NO_X的危害及处理方法 1

1.2 国内外的研究现状 3

1.3 本文研究内容 7

第2章 计算方法 8

2.1 预混火焰物理模型 8

2.2 Chemkin的使用 8

2.3 计算的反应机理 9

2.3 本章小结 9

第3章 结果与分析 11

3.1 火焰结构的分析 11

3.2 合成气组分的影响 12

3.3 合成气进气温度的影响 14

3.4 混合气当量比的影响 17

3.5 进气速度的影响 20

3.6 本章小结 23

第4章 计算结果分析 24

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 研究展望 27

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 合成气的应用

当今世界中，能源问题是各个国家都要面临的严峻问题，石油等化石燃料是古代生物遗体在特定的地质条件下形成的，它们是不可再生能源，也就是说用一点少一点。化石燃料通常以固态、液态或气态存在，而且可以通过物理或化学反应产生大量的能量，所以得到人们的广泛应用。但随着人们科学技术的发展，地球上可供我们使用的石油资源越来越少。同时，在我们科学技术发展的同时，人类为了发展付出了太大的代价。化石燃料燃烧所产生的NO_X、SO₂、CO₂等污染物让人们值得警惕。寻求可再生清洁能源已成为发展的必然趋势，因此合成气就进入了人们的研究视线。

合成气以一氧化碳和氢气为主要成分，它主要是从含碳化石燃料如煤炭、石油、焦炉煤气等转化得到，还可以通过生物质在气化或热解的条件下获取。合成气得到广泛应用的一个很重要原因就是其获取的便利性以及其价格相比于其他燃料的低廉。与此同时，不同的含碳化石燃料中H/C摩尔比不同，由其所制成的合成气中成分比例也不同，而且通常不能直接满足工业需要，所以通常利用水煤气反应来降低CO的比例，提高H₂的比例，如生产甲醇合成气的要求是CO/H₂≈0.5或(H₂－CO₂)/(CO CO₂)≈2，用羰基合成法生产醇类时，CO/H₂≈1，生产草酸、甲酸、醋酸时则只要CO。