摘 要

合成气作为一种气体燃料，不仅可以由煤气化得到，也可以通过生物质气化形成，来源广泛，具有广阔的应用前景。由于合成气成分复杂，其基础燃烧特性随气体组成比例的不同会有较大变动。然而，由于氢气火焰的热值低以及CO火焰的稳定性问题，直接将合成气燃料用于工业燃烧室可能需要进一步的研究。天然气由于其储量大、有害排放低、燃料辛烷值高、价格便宜等优点，使之获得广泛的应用。然而，天然气燃烧速度较慢，当其应用于发动机上时，可采用掺入合成气的方式来改善其燃烧。为了给天然气-合成气在发动机内的燃烧模拟和性能优化提供数据基础，本文以甲烷来代替天然气，基于Chemkin软件对甲烷–合成气混合物的一维稳态平面火焰进行数值模拟，分析初始条件（当量比、压力、温度、合成气掺混比）对甲烷–合成气预混层流燃烧特性的影响规律。并在模拟数据的基础上对甲烷–合成气的预混层流燃烧特性做了化学反应动力学分析。

关键词：甲烷-合成气混合物；预混层流燃烧；一维平面火焰；化学动力学

Abstract

As a kind of gas fuel, syngas can not only be obtained by coal gasification, but also be formed by biomass gasification. The basic combustion characteristics of syngas vary greatly with the composition of gas because of the complex composition of syngas. However, due to the low calorific value of hydrogen flame and the stability of CO flame, the direct application of syngas fuel to industrial combustion chambers may requires further research. Natural gas is widely used due to its advantages such as large reserves, low harmful emissions, high octane value and low price. However, the burning velocity of natural gas is slow and can be improved by blending it with syngas when it is used in engines. In order to provide data basis for the combustion simulation and performance optimization of natural gas-syngas in the engine, methane has been substituted for natural gas in this paper, and the one-dimensional freely propagating planar flame of methane-synthetic gas mixture has been numerically simulated based on Chemkin software. The influence of initial conditions (equivalence ratio, pressure, temperature, syngas mixing ratio) on the combustion characteristics of methane-syngas premixed laminar flames have been analyzed. The chemical kinetics of methane—syngas premixed laminar flame has been analyzed based on the simulated data.

Key Words：methane-syngas；premixed flame combustion；one-dimensional plane flames；chemical kinetics

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状分析 2

1.2.1 甲烷的预混层流燃烧特性研究现状 2

1.2.2 合成气的预混层流燃烧特性研究现状 2

1.2.3 甲烷-合成气化学动力学机理研究现状 3

1.3 本文的研究对象、内容和技术路线 4

1.3.1 研究对象 4

1.3.2 研究内容和技术路线 4

第2章 一维层流预混平面火焰模型的建立和数值模拟方法 6

2.1 物理模型 6

2.2 基本控制方程 7

2.3 一维稳态平面火焰数值模拟软件 8

2.4 模拟精度及化学动力学机理验证 9

2.5 本章小结 10

第3章 基于一维平面火焰的甲烷-合成气层流燃烧特性分析 11

3.1 初始条件对层流燃烧特性的影响 11

3.1.1 初始压力的影响 11

3.1.2 初始温度的影响 12

3.1.3 当量比的影响 13

3.2 甲烷-合成气掺混比对层流燃烧特性的影响 14

3.3 本章小结 15

第4章 甲烷-合成气预混层流燃烧的化学动力学特性分析 16

4.1 火焰结构分析 16

4.1.1 热膨胀比和火焰厚度分析 17

4.1.2 火焰稳定组分浓度分析 19

4.1.3 放热率分析 21

4.2 层流燃烧速度对基元反应的敏感性分析 22

4.3 自由基的浓度分析 24

4.4 基元反应的反应速率分析 25

4.5 本章小结 27

第5章 结论与展望 29

5.1 全文总结 29

5.2 展望发展 30

参考文献 31

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

目前，世界上依然以化石燃料作为主要能源，例如石油、天然气、煤等。而根据2018年的最新数据统计^[1]，就我国目前每日石油消耗498万桶的速度计算，我国石油储量大约还可以使用56年。为了应对资源短缺的问题，对我国的能源结构进行调整，国家发展改革委国家能源局于2016年发布了《能源发展“十三五”规划》^[2]，《规划》指出到2020年，我国非化石能源消费比重要提高到15%以上，天然气消费比重力争达到10%，煤炭消费比重降低到58%以下。

生态环境问题作为我国目前的主要发展问题之一，从方方面面无时无刻不影响着人民的生活水平和生活需要，构建安全高效，清洁低碳的能源体系早已迫在眉睫，努力发展非化石能源，减少对环境的严重破坏，如何高效的利用可再生能源（太阳能，风能，生物质能等）成了当今时代的主要课题。

合成气作为一种气体燃料，主要组分有H₂、CO、CH₄、N₂、CO₂。其生产方法众多，不仅可以由煤气化得到，也可以通过生物质气化形成，来源广泛，具有广阔的应用前景。煤气化制备合成气，是利用反应器（如汽化炉）使经过适当处理的煤在一定的高温和压力下，通过氧化剂以一定的流动方式转化成气体，得到粗制水煤气，然后再经过脱硫脱碳等工艺精制成可燃性气体。这样做不仅降低了污染物的排放，而且提高了煤的利用效率。生物质是来源于动植物的碳氢化合物，属于可再生能源，利用生物质制备合成气是指在一定热力学条件下的汽化炉内，利用少量空气或者氧气、水蒸气，使生物质中的高聚物发生热解、氧化、还原、重整等一系列物理化学反应，最终形成小分子碳氢化合物，获得含有CO、H₂和CH₄的气体，由于其灰分少，相比起煤气化制备合成气这种工艺更加清洁。多种多样的制备工艺导致了合成气成分十分复杂，且其基础燃烧特性随气体组成比例的不同会有较大变动。然而，由于氢气火焰的热值低以及CO火焰的稳定性问题，直接将合成气燃料用于工业燃烧室可能需要进一步的研究。

天然气的储存量丰富，价格比汽油低很多，常温常压下为气态，在发动机上应用时不用考虑传统燃料的蒸发不完全，混合不均匀等问题；其主要成分甲烷占总组分的85%-99%,由于甲烷的结构简单，其CO、CO₂、HC的排放量相比汽油、柴油也比较低。从安全性的角度来看，由于其密度比空气小，泄漏后易扩散，很快会消失，比起汽油遇火星后着火来说天然气的安全性好。天然气在发动机上的应用早已有众多学者展开研究，当其在发动机上应用时，也存在一些问题，例如天然气燃烧速度较慢，在化学当量比下的热值比汽油低等，为了改善其在发动机内的燃烧状况，可以掺入合成气，克服单一燃料的缺点。

预混层流燃烧特性是燃烧学研究的基础，对其进行研究是深入理解湍流，建立预混湍流模型的基础，且预混层流燃烧特性包括了燃烧过程所发生基元反应动力学的可能，有助于探索燃料的化学动力学机理，能够帮助我们对发动机的设计进行优化。为了为天然气-合成气在发动机内的燃烧模拟和性能优化提供数据基础，有必要开展天然气—合成气的预混层流燃烧特性研究。

综上所诉，本文选取甲烷作为天然气的替代物，开展甲烷–合成气的预混层流燃烧特性研究，希望通过本研究可以为其在发动机缸内的湍流燃烧提供一定的数据基础，为燃料的化学动力学机理的完善提供支持。

1.2 研究现状分析

1.2.1 甲烷的预混层流燃烧特性研究现状

对甲烷的预混层流燃烧特性在国内外早已有学者进行过详细研究，主要使用的实验方法包括本生灯火焰，对冲火焰，球形传播火焰等，而由于本生灯火焰会受到壁面影响，且火焰拉伸率对火焰尖端影响大；对冲火焰需要有示踪粒子，对实验要求太高；球形传播火焰虽然受点火能量和壁面影响，只有部分数据有用，但其实验装置较为简单，能够连续记录火焰传播过程，保证火焰拉伸率和火焰速度从同一实验得到，因此而广泛应用于层流燃烧速度的测量中。早在20世纪80年代D. L. ZHU等人对甲烷的层流燃烧特性进行了研究^[3]，后来在2000年X. J. Gu等人利用定容燃烧弹在当量比0.8，1.0和1.2下研究初始温度为300-400 K，压力为0.1-1.0 MPa的甲烷-空气混合物，推导出Zeldovich数来表示温度对质量燃烧速率的影响，由此基于理论论证，给出了甲烷 - 空气混合物的燃烧速度更一般的相关性^[4]。2005年F. Halter等人在0.1-0.5 MPa，298 K，当量比0.7-1.2的条件下研究了甲烷掺氢的层流燃烧特性，甲烷-氢气混合物中氢的摩尔分数在 0至0.2之间变化，发现层流燃烧速度随着氢气摩尔分数的增加而增加^[5]。以上文献中表明，甲烷的燃烧速度较慢，随着当量比增加，甲烷火焰趋于稳定。

1.2.2 合成气的预混层流燃烧特性研究现状

对合成气的研究集中在不同的组分变化和各种参数（压力、温度、当量比）变化对层流燃烧特性的影响上，2007年，Sun等利用定容燃烧弹测量了298 K，加压条件下（1-40 atm）H₂/CO/空气混合物的层流燃烧速度^[6]，证明 H₂对CO火焰具有显著的增强作用。2008年，Ouimetee等利用本生灯测量了0.1 MPa，300 K，当量比（0.5-1.2）条件下合成气的层流火焰速度在当量比及初始温度还有压力下的变化^[7]。2016年，李洪萌利用定容燃烧实验台研究了0.1 MPa，298 K,当量比为1的条件下氢气、一氧化碳及甲烷三组分混合气体的预混火焰燃烧特性，发现甲烷组分增加会降低层流燃烧度而氢气组分增加会促进层流燃烧速度^[8]。2019年，Quan Zhou等人利用定容燃烧弹研究了303 K，当量比0.6-1.5，0.1-0.5 MPa下燃料组分和初始压力对H₂/CO/CH₄生物合成气层流燃烧特性的影响，发现氢气和甲烷在层流燃烧度方面影响较大，而一氧化碳在绝热火焰温度方面影响较大，且压力的增加会减小层流燃烧速度^[9]。

目前对甲烷掺混合成气的研究相对较少，2008年Tanh Le Cong等利用JSR（射流搅拌反应器）研究了在1-10atm、900-1400K、从稀燃到富燃条件下添加二氧化碳对甲烷/合成气混合物的影响^[10]，得到的动力学模型表明，添加二氧化碳的抑制作用主要来自于CO OH=CO₂ H反应平衡的扰动，而甲烷基燃料中CO的存在则通过增加OH的产量来增加甲烷的消耗速率。2009年Jeong Soo Kim利用对冲火焰法进行了甲烷-空气预混火焰与合成气-空气预混火焰相互作用的研究^[11]，研究发现，甲烷-空气预混火焰对合成气-空气预混火焰的燃烧速度影响不大。同时，通过与合成气预混火焰的相互作用，大大提高了甲烷-空气预混火焰的燃烧速度。2010年刘昌业等人利用热通量法^[12]，在初始压力1 atm，未燃混合气初始温度298K，当量比为0.7-1.6范围的条件下研究了LCV1（含体积比为60%的甲烷和40%的GG-V生物质气（CO19%，CO₂13.2%，H₂12%，CH₄5.8%，N₂50%）和空气混合物燃烧的层流燃烧速度，发现掺混了一定量的甲烷后，GG-V生物质气的燃烧速度有了显著提高。

1.2.3 甲烷-合成气化学动力学机理研究现状

由于本文拟用Chemkin进行数值模拟，因此对甲烷-合成气的化学动力学机理文件也进行了调研，Smith等人在2000年发布了GRI-Mech^[13]，最新的GRI-Mesh 3.0包括53种组分，325个基元反应，可用于天然气着火过程和火焰的数值模拟；J. C. Prince，F. A. Williams在2001年发布了San Diego Mech^[14]，于2016年12月24日更新的San Diego Mech包含58种组分，270个基元反应，用于H₂/CO/C1-C4碳氢化合物燃烧过程数值模拟；JUAN LI等人在2004年发布了Li机理^[18]、[19]，其中关于CO/H₂O/H₂/O₂，CH₂O，CH₃OH反应机理，包含18种组分，84个基元反应；Wang等人在2007年发布了USC Mech II^[20]，涉及111种组分、784个基元反应，可用于氢气、一氧化碳、C1–C4碳氢化合物燃烧过程的数值模拟；Konnov等在2009年发布了Konnov机理^[21]，Konnov_0.6中包括129 种组分、1231个基元反应，可用于小分子碳氢化合物及其含氧衍生物燃烧过程的数值模拟；Yiguang Ju等人在2017年发布了HP‑Mech^[22–23]，包括92种组分，615个基元反应，用于高压下C0-C2碳氢化合物及其含氧衍生物燃烧过程的数值模拟。

1.3 本文的研究对象、内容和技术路线

1.3.1 研究对象

不同的制备方式得到的合成气成分差异很大，本文选取的合成气成分由天津正兴合新能源技术有限公司提供^[24]，他们利用“智能型植物裂解气化再生高纯度可燃气体制气系统”将秸秆和外壳、木屑、树皮、树枝、树叶等转化为一种合成气，其组分主要包括CH₄、CO、CO₂、H₂、N₂，具体组分占比如表1.1所示。由于本文对甲烷–合成气进行研究，该合成气中甲烷成分较少，因此选用75%CO、25%H₂作为该合成气的替代物。

表1.1 天津正兴合新能源技术有限公司提供的合成气成分

1.3.2 研究内容和技术路线

目前对高压下甲烷-合成气的层流燃烧特性还不够充分，为了改善其在发动机内的燃烧情况，本毕业设计拟使用Chemkin软件，在温度为298 K，318 K和338 K，压力为2 atm，5 atm，10 atm，15 atm，20atm，当量比为0.7-1.5，甲烷掺混比0.25，0.5，0.75条件下进行甲烷–合成气层流燃烧特性的模拟研究，包括层流燃烧速度的测量，敏感性分析，自由基的浓度分析，基元反应的反应速率分析。主要研究内容有：

（1）通过建立物理模型、数学模型，选择适合的边界条件及化学反应机理、热力动力学参数，建立一维稳态平面火焰数值模型。

（2）通过 Chemkin 数值模拟软件，建立一维稳态平面火焰数值模型对甲烷-合成气进行数值模拟：研究当量比、初始温度、初始压力、对层流燃烧速度、自由基的浓度分布，基元反应的反应速率的影响。

（3）通过 Chemkin 数值模拟软件，建立一维预混自由传播火焰对合成气进行数值模拟：将合成气与甲烷进行不同比例的掺混，探究掺混比例对于层流燃烧速度、自由基的浓度分布，基元反应的反应速率的影响。

（4）对数值模拟得到的数据进行敏感性分析，总结出各因素对于层流预混火焰层流燃烧速度、自由基的浓度分布，基元反应的反应速率的规律及影响。具体实施方案与技术路线如图 1.1所示：

图 1.1 本文的实施方案与技术路线

第2章 一维层流预混平面火焰模型的建立和数值模拟方法

燃烧是一个伴随着光和热快速释放的化学反应流，其中包含了热力学、流体力学、化学反应动力学和传输现象等。按照根据氧化剂与燃料是否预先混合可以分为预混燃烧和非预混燃烧（扩散燃烧）；根据流动状态可以分为层流燃烧和湍流燃烧。本章基于ANSYS Chemkin-Pro 15.0平台，对甲烷–合成气的层流预混火焰进行一维稳态数值模拟，以众多的基元反应为基础，分析反应过程中各个时刻的中间产物浓度与基元反应速率，通过测量各个条件下的层流燃烧速度，综合反映影响甲烷–合成气的放热能力、扩散性和化学反应速率的影响因素。

2.1 物理模型

图2.1为一维预混层流燃烧的物理模型^[25]，预混气体从未燃区向产物区移动，依次经过未燃区、预热区、反应区、产物区，最终变成燃烧产物。关于此模型下的层流燃烧速度，在一维平面火焰中，没有火焰的拉伸，层流燃烧速度可以清晰地定义为反应区相对于未燃区的移动速度。

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