天然气扩散火焰中H2O与CO2稀释协同抑制碳烟形成的机理研究

为应对天然气燃烧产生的碳烟污染问题，长江大学团队通过数值模拟研究了实际组分天然气在H2O、CO2及其混合稀释条件下的燃烧特性。研究发现稀释效应>化学效应>热效应>输运效应的抑制层级，其中CO2通过R64和R92反应显著降低C2H2和H浓度，而混合稀释产生协同作用，为清洁燃烧技术提供了新思路。

　　

随着全球能源结构向清洁化转型，天然气在能源消费中的占比持续攀升，但其燃烧过程产生的碳烟颗粒物和碳排放问题日益凸显。这些污染物不仅加剧雾霾形成，更直接威胁人类呼吸系统健康。稀释燃烧技术通过向燃料流中添加废气组分（如N₂、H₂O、CO₂），能有效降低火焰温度并抑制污染物生成，其中CO₂和H₂O因兼具化学活性而备受关注。然而，现有研究多聚焦单一稀释剂对甲烷燃烧的影响，缺乏对实际多组分天然气及混合稀释协同机制的深入探索。

长江大学石油工程学院的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表论文，首次系统研究了实际组分天然气在H₂O、CO₂及其混合稀释条件下的碳烟生成规律。研究采用Gülder型燃烧器实验与数值模拟相结合的方法，通过两色法获取火焰温度场和碳烟体积分数分布，验证了模型的可靠性。重点分析了不同稀释剂对碳烟成核、表面生长等关键阶段的影响机制。

主要技术方法
研究采用实际天然气组分（含CH₄、C₂H₆、C₃H₈）构建模型，通过CHEMKIN软件模拟不同稀释比条件下的燃烧过程。实验部分使用配备直径7 mm/80 mm同心圆管的燃烧器，采用乙烯点火预混火焰，通过激光散射和消光法测量碳烟浓度。

研究结果

1. 稀释剂对碳烟生成的影响：体积分数云图显示，CO₂纯稀释和H₂O+CO₂混合稀释的抑制效果最显著，碳烟分布面积缩减50%以上。
2. 作用机制层级：量化分析揭示稀释效应占主导（贡献率52%），其次是化学效应（28%）、热效应（15%）和输运效应（5%）。
3. 分子机制：H₂O通过R77反应（OH + H₂ ? H + H₂O）适度提升OH自由基；CO₂则通过R64（H + C₂H₂ + M ? C₂H₃ + M）和R92（OH + CO ? H + CO₂）双重作用，使C₂H₂浓度降低37%。
4. 协同效应：混合稀释时，H₂O促进R77逆反应，CO₂抑制R64正向反应，共同将H原子浓度控制在1.2×10^-4 mol/L以下。

结论与意义
该研究首次阐明实际天然气组分在混合稀释条件下的碳烟抑制机制，发现CO₂通过调控C₂H₂和H等前驱体发挥核心作用，而混合稀释产生的"1+1>2"效应为开发新型低污染燃烧器提供了理论依据。研究成果对实现"双碳"目标下的清洁能源利用具有重要指导价值，相关机制可拓展应用于燃气轮机、工业锅炉等设备的减排改造。