甲烷再燃脱硝反应动力学课件

1、甲烷再燃脱硝反应动力学肖海平计算模型 GRIMESH模型。该模型考虑了C、H、O、N四种元素，涉及到53种燃烧过程中常见反应物或中间产物。模块中的325个基元反应详尽的描述了小分子碳氢化合物的燃烧，NOx的生成与分解等方面，该模型是目前模拟天然气还原NOx最为成熟的模型。基元化学反应方程中反应速率常数和热力学数据来自Leeds模型和NSAS数据库。 （1）AURORA模块采用AURORA模块中的PSR模型来模拟绝热封闭系统的化学反应，假设气相反应物均匀混合，忽略气体的加热升温过程，不涉及动量方程的求解。 （2）ROP分析方法ROP分析，即生成速率分析，该分析方法阐述了单个基元反应对物种的生成或

2、分解速率的贡献程度，可以直观的提供物种的生成速率曲线，以及不同基元反应对之的贡献。 对于瞬间反应，ROP分析能够在每一个计算步长上进行ROP计算。 计算结果1.温度和过量空气系数的影响计算过程设定主燃区的过量空气系数为1.1，主燃区的烟气各成分的体积浓度如下：CO2的体积浓度为18，H2O体积浓度为1，O2的体积浓度为2，NO体积浓度为1.0E-3，NO2体积浓度为1.0E-4，氮气做为平衡气体。再燃区的过量空气系数分别取0.6、0.7、0.8、0.9，反应区温度分别取1000、1050、1100、1150、1200、1250和1300，烟气在再燃区的停留时间设为0.4s， 图1 CH4还原N

3、O效率曲线图2 C2H2还原NO效率曲线图4-6 C2H4还原NO效率曲线图4-7 C2H6还原NO效率曲线CH4还原NO的ROP分析 表 4-5 CH4还原NO过程的主要反应总体ROP 系数 ； -3.13E-010还原NO反应 生成NO反应 反应式序号 基元反应 ROP系数反应式序号 基元反应 ROP系数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图4-8 HO2的摩尔浓度图4-9 HO2的反应速率曲线图4-10 H的摩尔浓度分布图4-11 自由基H总反应速率自由基还原NO而HO2在0.15s前大量生成，随后又快速消耗，说明自由基HO2在CH4还原NO的第一个阶段起着决定性的作用。自由基H主要在0.15s左右大量出现，而此时CH4已经基本反应完毕，这意味CH4还原NO的第二阶段实际上是自由基H起着决定性的作用。生成HO2的基元反应如下：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促进HO2分解的基元反应如下：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的主要基元反应如下：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的主要基元反应：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的转化途径 为了研究CH4转化途径，以1100、 过量空气系数为0.7的工况为例，进行相应的模拟计算。 图4- 1

7、2 NO浓度分布曲线图4-13 NO2浓度分布曲线图4-14 O2分布曲线图4-15 CH4浓度分布曲线图4-16 CO分布曲线图4-17 CH3浓度分布曲线图4-18 CH2浓度分布曲线图4-19 C2H4浓度分布曲线图4-21 CH2CO度分布曲线图4-21 CH2O浓度分布曲线图4-22 HCCO浓度分布曲线CH4的初始摩尔浓度为0.0141，经过充分反应后其摩尔浓度变为0，在CH4反应的0.15s时间内，烟气中出现了CH3、CH2、C2H4、CH2O、C2H6、CH2CO等中间产物，同时也产生了HCN、HCNO、HNCO等中间产物，这些物质的生成与转化一定程度上体现了CH4的分解途径，

8、而且其浓度随时间增加而增大，而且HCN、HCNO、HNCO等物质又与NO的生成或还原具有密切的关系。图4-23 HCNO浓度分布曲线图4-24 HNCO浓度分布曲线图4-24 HNCO浓度分布曲线以CH3、CH2 为例，采用ROP的分解方法对CH3、CH2 等进行分析，研究对其生成以及还原影响最大的10个基元反应，分析工况选择反应温度为1100，过量空气系数为0.7的工况，考虑到CH4在0.15s反应殆尽，所以计算时间选取为0.15s。反应式前面的序号为该基元反应在基元反应模型中的序号， ROP分析显示，生成CH3的主要基元反应为：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显然CH4在OH、H、O等自由基的作用下生成了大量CH3。CH3分解的主要基元反应为：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显然，CH3在O、H、OH、M等自由基的作

10、用下，生成了C2H6、CH3O、CH2、CH2O、CO等物质。而CH3的分解过程同样生成了大量的OH、H等自由基。ROP分析显示，生成CH2的主要基元反应为： 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分解的主要基元反应为：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显然，CH2主要由CH2（S）、C2H2反应生成，而CH2又与O2等物质发生反应生成CO、CO2、CH2O等含碳物质，同时生成大量的OH、H、O等自由基，而这些自由基可以直接还原NO，在CH4还原NO过程的0.120.15s间，CH2被瞬间还原，其间生成的自由基有利于NO的还原。 综上所述，CH4在反应过程中生成的中间产物CH3、CH2、C