水蒸汽对液体燃料高温分解碳黑形成影响的研究.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 2002年学术会议 编号：024066 水蒸汽对液体燃料高温分解 碳黑形成影响的研究 胡升腾傅维镳·邢桂菊·· (清华大学工程力学系，100084，#鞍山钢铁学院，114002) (+联系电话：010-Email：fuwb@mail．tsinghua．edu．cn) 摘 要 碳黑是大气污染的主要来源之一，在抑制碳黑排放方面科学界正在进 行不懈的努力．本文主要考察了水蒸汽的加入对液体燃料高温分解时碳黑 形成的影响．采用直接测量碳黑沉积质量的方法，得出结论：水蒸汽能够 抑制液体燃料中碳黑颗粒的形成．这一点为乳化油的应用开阔了另一个前 景．同时，文章还总结出碳黑在固壁表面沉积的一些规律特征．在进行实 验的同时．采用Fluent软件，模拟了两种实验工况下炉内的碳黑颗粒浓度 场，证实了实验结论．最后，给出了计算公式，选取合适的待定参数，则 计算结果与实验结果符合很好． 关键字：碳黑、高温分解 1 引言 碳黑是大气污染的主要来源之一，是燃烧领域长期关注的热点问题之一。碳黑通常 是在缺氧条件下由碳氢燃料的高温分解产生，其主要成分是碳，其他元素例如氢和氧只 有很小量。碳黑通常伴有多环芳香烃。它的_甲均聚合尺寸很小，通常只有10一50nm 。 这么小的颗粒很容易被吸入呼吸道，由于某些多环芳香烃有致癌性，所以吸入碳黑颗粒 是十分危险的。当然，碳黑的形成也有其有用的一面：它能够提高辐射换热量．同时碳 黑还是许多化学工业应用的产品，例如轮胎中的填充剂、复写纸或打印颜料中的上色剂 等等。 研究表明燃烧过程中碳黑的形成与空间的燃料浓度、气流速度、气流温度、当量比、 压力、几何形状等因素都有关系。烃类燃料燃烧时碳黑的形成已经有了许多实验研究， 但其机理尚未有完全的认识。 目前比较认同的解释是把碳黑的形成描述成这样一个过程：成核、表面生长和聚结， 然后聚合。通常的假设认为碳黑的形成需要一个核，就像水蒸汽从微小的液滴状态凝结 一样。碳氢燃料的分解主要产生小的碳氢化含物，特别是乙炔．碳黑形成最开始的步骤 是从这些脂肪族的碳氢化合物中生成初始的芳香族化合物，这些化合物通过其他芳香族 和小的烃基化合物的不断加入而形成大的多环芳香烃(PAH)。队H的继续增长最终形 成了最微小的碳黑颗粒，其直径约Inm，质量约1000原子质量单位【2】。碳黑形成化学 是一个非常复杂的现象，因为它包含了多个同相和异相的反应，而且在实际过程中，碳  黑的产生伴随着不断的生成和被氧化的过程． 近几十年来的成果主要集中在对碳黑形成的物理测量和化学机理的探索上。测量碳 黑分布的实验方法可以分为采样探针法【3】和光学分析法[4】。碳黑的形成在很大程度上 是由化学反应决定的，因此，碳氢原子团和芳香族碳氢化合物反应的详细机理对于理解 与碳黑形成相关的现象是很必要的。 碳黑排放的模拟必须综合考虑碳黑形成的过程和同时发生的碳黑氧化的过程。对碳 黑形成和氧化的模型主要分为三类[2】：(1)纯实验模型；(2)半实验模型，根据实验数 据求解碳黑形成的速率方程；(3)详细模型，通过分析基本的化学反应求解速率方程。 三个模型之间有一定的重复． 在新近发展的蓄热式高温低氧燃烧炉中，液体燃料在缺氧燃烧的过程中容易形成碳 黑颗粒，它在蓄热体上的沉积，造成蓄热室烟道堵塞，影响燃烧炉的正常运作。由于燃 烧烟气温度很高，因此不可能使用像在柴油机上应用的尾气颗粒过滤装置。在实际应用 中需要经常清洗蓄热体，操作复杂，而且影响正常生产。随着蓄热式燃烧技术的蓬勃发 展，如何抑制燃烧过程中碳黑的形成已日益重要。 一些研究中常使用催化剂来加速碳黑的氧化，从而使排放减小【5】，催化剂通常使用 sic物质，大多数的研究都是在干空气条件下进行。本文的工作主要研究水蒸汽对液体 燃料高温分解时碳黑形成的影响，从而为乳化油的高温低氧燃烧应用开辟新的前景。 2实验研究 2．1实验方法 实验装置由流体控制部分、加热部分和结果记录部分组成(图1)。液体燃料经由液 体流量计进入加热炉，预热到200℃，呈气态，与惰性气体氮气(N2)混合后进入高温 加热炉，氮气的作用是保持加热炉内的惰性环境，保证炉内发生的是分解反应。炉温控 制在1400℃，保证液体燃料能够在高温条件下发生分解反应。经过一系列化学反应最终 产物中必然有碳黑生成．在炉膛内悬挂一固体小球，则碳黑黏附在固体小球表面，引起 小球质量变化．实验中使用热天平与计算机连接，来测量小球质量变化。在同样的环境 温度、压力等条件下，小球质量变化的速度与气流中的碳黑颗粒浓度直接相关。尽管这 种测量碳黑质量的方法可能是定性的。但重要的是我们力图观察在什么条件下碳黑的生 成速率加快，在什么条件下碳黑的生成速率减小，甚至消失。从而找到消除碳黑形成的 有效途径． 为比较有