探究利用控制變量法在甲烷燃燒時減少一氧化碳的排放

劉璐杰 吳衛珍

摘要：隨著經濟的快速發展，人們對能源的需求越來越多，進而導致各個國家都開始了尋求新型能源的漫漫長路。文中論述利用控制變量法，通過軟件對不同條件下甲烷燃燒過程的仿真，進而探宄在不同條件下燃燒過程中一氧化碳的排放情況，便可得到甲烷在空氣中燃燒過程中一氧化碳排放量較少的情況。

關鍵詞：控制變量法；燃燒；甲烷；一氧化碳

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6487 （2018） 01-0022-03

O 引言

能源危機和環境污染一直是困擾著世界上各個國家的兩大問題，加之全球經濟的快速發展和人口的快速增加，人們對能源的需求越來越多，進而促使國家都開始尋求新型能源。所謂的新型能源，就是指可再生且污染較小的能源，例如太陽能、潮汐能、地熱能、甲烷、氫氣、風能等，而作為主要燃料的新型能源是甲烷。

1 甲烷

甲烷燃燒后的產物以二氧化碳和水為主，還可能產生部分污染氣體如一氧化碳和氮氧化物，因此需要尋求一個比較合理的燃燒環境，使其減少污染氣體的排放。

1.1燃燒反應

甲烷在空氣中可以受熱燃燒，此時自由基反應劇烈，反應溫度急劇上升。甲烷解離吸附為甲基或非甲基，它們與吸附氧作用或直接生成二氧化碳和水，或者生成化學吸附的甲醛，甲醛或者與吸附氧進一步反應生成二氧化碳和水。一般認為甲醛作為中間物種，一旦產生就快速分解為一氧化碳和氫氣，而不可能以甲醛分子形式脫附到氣相中。

1.2影響因素

在燃燒過程中，存在眾多因素影Ⅱ向著燃燒的結果。例如：容器的壓強，通入氣體的速度，容器的溫度等。本文主要探究通入氣體的速度和容器溫度對該燃燒反應的影響。

1.2.1流速（V）

在燃燒過程中，甲烷和空氣的通入速度便影響著甲烷與空氣在反應器中的濃度，進而會影響著各個反應產物的質量分數，其中甲烷的通入速度用V1表示，空氣的通入速度用V2表示。因此，不同的通入速度將影響著各個反應的量，在本文中將設定五組不同比例的流速分別是：V1=lm/s、V2=5m/s； Vl=lm/s、V2=10m/s； V1=lm/s、V2=20m/s； Vl=lm/s、V2=30m/s； Vl=lm/s、V2=40m/s；來觀察各個反應產物的量[1]。

1.2.2溫度（T）

甲烷燃燒是一個放熱反應且熵變為負值，根據焓值和熵值的關系可知，甲烷燃燒是一個低溫自發反應，因此不同的溫度也會影響著各個反應產物的質量分數。為此，本文中將設定二組不同的溫度分別是：300K （27℃）、313K （40℃），并觀察各個反應產物的量。

2 仿真

2.1模型的建立

本文所需探究的問題是在一個圓筒形燃燒器中甲烷燃燒一氧化碳的排放。其中圓筒形燃燒器的截面為長9m、寬10m的長方形，在燃燒器的左方有一個噴嘴用于注入甲烷，在燃燒器的上方有一個噴嘴用于注入空氣，燃燒器的下方有一個混合氣體出口。其中甲烷注入口的截面為長寬都為1m的正方形?？諝庾⑷肟诘慕孛鏋殚L寬都為0.5m的正方形?；旌蠚怏w出口的截面為長3m、寬1m的長方形。

在燃燒器中的燃燒反應會存在湍流的現象，而湍流模型根據不同的假設，湍流模型可以分為紊流粘性模型、雷諾應力模型、代數應力模型[2]。其中最為符合的模型應該是紊流粘性模型，紊流粘性模型是引入了BOUSSINESQ渦粘性假設，認為雷諾應力與平均速度梯度成正比，即將Reynolds應力項表示為

其中μ1為湍流的粘性系數，根據紊流粘性系數確定的微分方程數目又可分為零方程模型、一方程模型、二方程模型。其中零方程模型和一方程模型僅適用于簡單的流動，而本文所討論為較復雜流動，因此將采用二方程模型，即K-ε模型。二方程模型通過求解湍流特征參數的微分方程來確定湍流粘性。

湍流動能K療程：

因此利用GAMBIT對燃燒器的界面進行前處理后，在FLUENT中選擇求解模型時應該選擇k-epsilon模型，在化學反應模型中應選擇Eddy-Dissipation。

2.2模型結果

模型的求解過程是由軟件加以完成，通過FLUENT的2D求解器對模型進行求解。

通過改變溫度、流通速度來探究甲烷在空氣中燃燒生成一氧化碳的量。主要是通過控制變量法，改變其中某個量而固定其他量來探究甲烷在空氣中燃燒時一氧化碳的排放。

本文所設置的變量有兩個，一個是溫度，一個是通入氣體的速度。溫度的可變量為300K （27℃）、313K （40℃）2種情況，通入氣體的速度共有5組，分別是：Vi=lm/s、V2=5m/s； Vl=lm/s、V2=10m/S；Vi=lm/s、V2=20m/s； Vl=lm/s、V2=30m/s；V1=1m/s、V2=40m/s。因此將有10組結果，結果所包括的數據主要有：一氧化碳的加權質量分數的總量、總體積整體的一氧化碳的加權質量分數、平均快重量的一氧化碳的加權質量分數。具體結果如下所示。

（1）溫度T=300，空氣的流入速度Vi=lm/s，甲烷的流入速度V2=5m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為38.771151?？傮w積整體的一氧化碳的加權質量分數為2.1441097×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.0017406995。

（2）溫度T=300，空氣的流入速度Vi=1m/s，甲烷的流入速度V2=10m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為29.09749。

總體積整體的一氧化碳的加權質量分數為1.4946488×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.0012049875。

（3）溫度T=300，空氣的流入速度V1=lm/s，甲烷的流入速度V2=20m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為27.99389。總體積整體的一氧化碳的加權質量分數為1.04107×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.0009461541。

（4）溫度T=300，空氣的流入速度Vi=l m/s，甲烷的流入速度V2=30m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為23.76415?？傮w積整體的一氧化碳的加權質量分數為9.184042×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.0008922861。

（5）溫度T=300，空氣的流入速度Vi=lm/s，甲烷的流入速度V2=40m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為21.0744?？傮w積整體的一氧化碳的加權質量分數為8.100529×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.0008106335。

（6）溫度T=313，空氣的流入速度V1=lm/s，甲烷的流入速度V2=5m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為35.19691?？傮w積整體的一氧化碳的加權質量分數為1.944469×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.001581565。

（7）溫度T=313，空氣的流入速度V1-lm/s，甲烷的流入速度V2=10mS。一氧化碳的加權質量分數的總量為29. 08851。總體積整體的一氧化碳的加權質量分數為1. 47121×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.001200971。

（8）溫度T= 313，空氣的流入速度Vi=l m/s，甲烷的流入速度V2=20m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為28.33771。總體積整體的一氧化碳的加權質量分數為1.078724×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0. 0009836077

（9）溫度T=313，空氣的流入速度V1-lm/s，甲烷的流入速度V2=30m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為23. 830153?？傮w積整體的一氧化碳的加權質量分數為9.3755822×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.00091565167。

（10）溫度T=313，空氣的流入速度V1=lm/s，甲烷的流入速度V2=40m/s。一氧化碳的加權質量分數的總量為21.75688。總體積整體的一氧化碳的加權質量分數為8.5686592×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權質量分數為0.00086156744。

2.3模型結果分析

模型結果所包含的數據有3個，取其中總體積整體的一氧化碳的加權質量分數為具體的分析數據，見圖1。

根據控制變量法的原則，可以分別將圖1中的同顏色或者同速度比的折線圖進行對比分析。

同種顏色從左往右進行對比，即溫度保持不變而速度比不斷增加時，總體積整體的一氧化碳的加權質量分數逐漸減小，也就意味著增大速度比對于一氧化碳的排放存在抑制作用[3]。同縱軸中從上往下進行對比，即保持通入速度比不變而增加溫度時，總體積整體的一氧化碳的加權質量分數也逐漸減小，最后趨近于重合，也就意味著增大空氣與甲烷的通入比例對于一氧化碳的排放存在一定的抑制作用。根據甲烷燃燒的反應機理可知，甲烷燃燒生成一氧化碳是因為甲烷在溫度極高時分解成一氧化碳和氫氣，氫氣與氧氣極易反應，而一氧化碳則不然。一氧化碳與氧氣的反應條件比較苛刻，不僅需要過量的氧氣，還需要足夠高的溫度，因此在升高溫度或者增大空氣與甲烷的通入比例時，對燃燒時一氧化碳的排放都存在抑制作用。

3 結束語

當下所探索出的新型能源中以氫氣和甲烷作為較為清潔的燃料，但由于種種原因，使得甲烷成為主要的清潔能源。而本文所做是改善甲烷燃燒的環境使得甲烷燃燒時一氧化碳的排放量減少，進而緩解當前的能源危機。

參考文獻

[1] 張世紅，何林，孫威.天然氣催化燃燒理論和應用[J].化工進程，2009 （1）：115-117.

[2] 雷林，王智祥，孫鵬，等.計算流體力學k—e二方程湍流模型應用研究[J].船舶工程，2010 （3）：5-8.

[3] 劉紅星，王明庭，劉景新，等.燃氣燃燒器安全運行措施探討[J].節能，2013 （8）：68-72+3.