甲烷再燃脫硝反應(yīng)動(dòng)力學(xué)課件

1、甲烷再燃脫硝反應(yīng)動(dòng)力學(xué)肖海平計(jì)算模型 GRIMESH模型。該模型考慮了C、H、O、N四種元素，涉及到53種燃燒過程中常見反應(yīng)物或中間產(chǎn)物。模塊中的325個(gè)基元反應(yīng)詳盡的描述了小分子碳?xì)浠衔锏娜紵?，NOx的生成與分解等方面，該模型是目前模擬天然氣還原NOx最為成熟的模型。基元化學(xué)反應(yīng)方程中反應(yīng)速率常數(shù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)來自Leeds模型和NSAS數(shù)據(jù)庫。 （1）AURORA模塊采用AURORA模塊中的PSR模型來模擬絕熱封閉系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)，假設(shè)氣相反應(yīng)物均勻混合，忽略氣體的加熱升溫過程，不涉及動(dòng)量方程的求解。 （2）ROP分析方法ROP分析，即生成速率分析，該分析方法闡述了單個(gè)基元反應(yīng)對(duì)物種的生成或

2、分解速率的貢獻(xiàn)程度，可以直觀的提供物種的生成速率曲線，以及不同基元反應(yīng)對(duì)之的貢獻(xiàn)。 對(duì)于瞬間反應(yīng)，ROP分析能夠在每一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)上進(jìn)行ROP計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果1.溫度和過量空氣系數(shù)的影響計(jì)算過程設(shè)定主燃區(qū)的過量空氣系數(shù)為1.1，主燃區(qū)的煙氣各成分的體積濃度如下：CO2的體積濃度為18，H2O體積濃度為1，O2的體積濃度為2，NO體積濃度為1.0E-3，NO2體積濃度為1.0E-4，氮?dú)庾鰹槠胶鈿怏w。再燃區(qū)的過量空氣系數(shù)分別取0.6、0.7、0.8、0.9，反應(yīng)區(qū)溫度分別取1000、1050、1100、1150、1200、1250和1300，煙氣在再燃區(qū)的停留時(shí)間設(shè)為0.4s， 圖1 CH4還原N

3、O效率曲線圖2 C2H2還原NO效率曲線圖4-6 C2H4還原NO效率曲線圖4-7 C2H6還原NO效率曲線CH4還原NO的ROP分析 表 4-5 CH4還原NO過程的主要反應(yīng)總體ROP 系數(shù) ； -3.13E-010還原NO反應(yīng) 生成NO反應(yīng) 反應(yīng)式序號(hào) 基元反應(yīng) ROP系數(shù)反應(yīng)式序號(hào) 基元反應(yīng) ROP系數(shù)186. HO2+NONO2+OH -2.9E-09212. H+NO+MHNO+M -2.5E-09274.HCCO+NOHCNO+CO -3.3E-10187. NO+O+MNO2+M -3.1E-10199. NH+NON2O+H -2.6E-10178. N+NON2+O -2.7

4、E-10189. NO2+HNO+OH 3.35E-09214. HNO+HH2+NO 2.64E-09283. N+CO2NO+CO 1.63E-10180. N+OHNO+H 1.34E-10圖4-8 HO2的摩爾濃度圖4-9 HO2的反應(yīng)速率曲線圖4-10 H的摩爾濃度分布圖4-11 自由基H總反應(yīng)速率自由基還原NO而HO2在0.15s前大量生成，隨后又快速消耗，說明自由基HO2在CH4還原NO的第一個(gè)階段起著決定性的作用。自由基H主要在0.15s左右大量出現(xiàn)，而此時(shí)CH4已經(jīng)基本反應(yīng)完畢，這意味CH4還原NO的第二階段實(shí)際上是自由基H起著決定性的作用。生成HO2的基元反應(yīng)如下：168.

5、 HCO+O2HO2+CO 1.13E-0736. H+O2+N2HO2+N2 3.72E-0833. H+O2+MHO2+M 2.25E-08175. C2H5+O2HO2+C2H4 1.95E-0835. H+O2+H2OHO2+H2O 1.82E-08促進(jìn)HO2分解的基元反應(yīng)如下：186. HO2+NONO2+OH -8.1E-08119. HO2+CH3OH+CH3O -7.7E-0846. H+HO22OH -3.8E-0845. H+HO2O2+H2 -1.7E-0887. OH+HO2O2+H2O -3.5E-09生成H的主要基元反應(yīng)如下：84. OH+H2H+H2O 5.65E

6、-07167. HCO+MH+CO+M 1.69E-073. O+H2H+OH 1.24E-0774. H+C2H4(+M)C2H5(+M) 1.1E-0799. OH+COH+CO2 1.83E-08%。 消耗H的主要基元反應(yīng)：38. H+O2O+OH -4.6E-0753. H+CH4CH3+H2 -1.8E-0758. H+CH2OHCO+H2 -1.3E-0775. H+C2H4C2H3+H2 -7E-0852. H+CH3(+M)CH4(+M) -9.5E-082.CH4的轉(zhuǎn)化途徑 為了研究CH4轉(zhuǎn)化途徑，以1100、 過量空氣系數(shù)為0.7的工況為例，進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算。 圖4- 1

7、2 NO濃度分布曲線圖4-13 NO2濃度分布曲線圖4-14 O2分布曲線圖4-15 CH4濃度分布曲線圖4-16 CO分布曲線圖4-17 CH3濃度分布曲線圖4-18 CH2濃度分布曲線圖4-19 C2H4濃度分布曲線圖4-21 CH2CO度分布曲線圖4-21 CH2O濃度分布曲線圖4-22 HCCO濃度分布曲線CH4的初始摩爾濃度為0.0141，經(jīng)過充分反應(yīng)后其摩爾濃度變?yōu)?，在CH4反應(yīng)的0.15s時(shí)間內(nèi)，煙氣中出現(xiàn)了CH3、CH2、C2H4、CH2O、C2H6、CH2CO等中間產(chǎn)物，同時(shí)也產(chǎn)生了HCN、HCNO、HNCO等中間產(chǎn)物，這些物質(zhì)的生成與轉(zhuǎn)化一定程度上體現(xiàn)了CH4的分解途徑，

8、而且其濃度隨時(shí)間增加而增大，而且HCN、HCNO、HNCO等物質(zhì)又與NO的生成或還原具有密切的關(guān)系。圖4-23 HCNO濃度分布曲線圖4-24 HNCO濃度分布曲線圖4-24 HNCO濃度分布曲線以CH3、CH2 為例，采用ROP的分解方法對(duì)CH3、CH2 等進(jìn)行分析，研究對(duì)其生成以及還原影響最大的10個(gè)基元反應(yīng)，分析工況選擇反應(yīng)溫度為1100，過量空氣系數(shù)為0.7的工況，考慮到CH4在0.15s反應(yīng)殆盡，所以計(jì)算時(shí)間選取為0.15s。反應(yīng)式前面的序號(hào)為該基元反應(yīng)在基元反應(yīng)模型中的序號(hào)， ROP分析顯示，生成CH3的主要基元反應(yīng)為：98. OH+CH4CH3+H2O 5.83E-0753. H

9、+CH4CH3+H2 3.1E-0711. O+CH4OH+CH3 1.53E-0725. O+C2H4CH3+HCO 6.21E-08顯然CH4在OH、H、O等自由基的作用下生成了大量CH3。CH3分解的主要基元反應(yīng)為：158. 2CH3(+M)C2H6(+M) -5.4E-07 52. H+CH3(+M)CH4(+M) -1.1E-07119. HO2+CH3OH+CH3O -7.7E-0897. OH+CH3CH2(S)+H2O -7.1E-0810. O+CH3H+CH2O -6.3E-08284. O+CH3=H+H2+CO -4.2E-08顯然，CH3在O、H、OH、M等自由基的作

10、用下，生成了C2H6、CH3O、CH2、CH2O、CO等物質(zhì)。而CH3的分解過程同樣生成了大量的OH、H等自由基。ROP分析顯示，生成CH2的主要基元反應(yīng)為： 23. O+C2H2CO+CH2 3.16E-08142. CH2(S)+N2CH2+N2 2.7E-08126. CH+H2H+CH2 8.4E-09152. CH2(S)+CO2CH2+CO2 3.55E-09148. CH2(S)+H2OCH2+H2O 2.17E-09而CH2分解的主要基元反應(yīng)為：135. CH2+O2=OH+H+CO -2.1E-08290. CH2+O2=2H+CO2 -2.4E-08291. CH2+O2O+CH2O -1E-08249. CH2+NOH+HNCO -5.7E-09138. CH2+CH3H+C2H4 -2.4E-09顯然，CH2主要由CH2（S）、C2H2反應(yīng)生成，而CH2又與O2等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成CO、CO2、CH2O等含碳物質(zhì)，同時(shí)生成大量的OH、H、O等自由基，而這些自由基可以直接還原NO，在CH4還原NO過程的0.120.15s間，CH2被瞬間還原，其間生成的自由基有利于NO的還原。 綜上所述，CH4在反應(yīng)過程中生成的中間產(chǎn)物CH3、CH2、C