探究利用控制變量法在甲烷燃燒時(shí)減少一氧化碳的排放

劉璐杰 吳衛(wèi)珍

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越多，進(jìn)而導(dǎo)致各個(gè)國(guó)家都開(kāi)始了尋求新型能源的漫漫長(zhǎng)路。文中論述利用控制變量法，通過(guò)軟件對(duì)不同條件下甲烷燃燒過(guò)程的仿真，進(jìn)而探宄在不同條件下燃燒過(guò)程中一氧化碳的排放情況，便可得到甲烷在空氣中燃燒過(guò)程中一氧化碳排放量較少的情況。

關(guān)鍵詞：控制變量法；燃燒；甲烷；一氧化碳

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6487 （2018） 01-0022-03

O 引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染一直是困擾著世界上各個(gè)國(guó)家的兩大問(wèn)題，加之全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的快速增加，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越多，進(jìn)而促使國(guó)家都開(kāi)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(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮?、甲烷、氫氣、風(fēng)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(chǎn)物以二氧化碳和水為主，還可能產(chǎn)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(gè)比較合理的燃燒環(huán)境，使其減少污染氣體的排放。

1.1燃燒反應(yīng)

甲烷在空氣中可以受熱燃燒，此時(shí)自由基反應(yīng)劇烈，反應(yīng)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(xué)吸附的甲醛，甲醛或者與吸附氧進(jìn)一步反應(yīng)生成二氧化碳和水。一般認(rèn)為甲醛作為中間物種，一旦產(chǎn)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(guò)程中，存在眾多因素影Ⅱ向著燃燒的結(jié)果。例如：容器的壓強(qiáng)，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(duì)該燃燒反應(yīng)的影響。

1.2.1流速（V）

在燃燒過(guò)程中，甲烷和空氣的通入速度便影響著甲烷與空氣在反應(yīng)器中的濃度，進(jìn)而會(huì)影響著各個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(gè)反應(yīng)的量，在本文中將設(shè)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(lái)觀察各個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物的量[1]。

1.2.2溫度（T）

甲烷燃燒是一個(gè)放熱反應(yīng)且熵變?yōu)樨?fù)值，根據(jù)焓值和熵值的關(guān)系可知，甲烷燃燒是一個(gè)低溫自發(fā)反應(yīng)，因此不同的溫度也會(huì)影響著各個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為此，本文中將設(shè)定二組不同的溫度分別是：300K （27℃）、313K （40℃），并觀察各個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物的量。

2 仿真

2.1模型的建立

本文所需探究的問(wèn)題是在一個(gè)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(zhǎng)9m、寬10m的長(zhǎng)方形，在燃燒器的左方有一個(gè)噴嘴用于注入甲烷，在燃燒器的上方有一個(gè)噴嘴用于注入空氣，燃燒器的下方有一個(gè)混合氣體出口。其中甲烷注入口的截面為長(zhǎng)寬都為1m的正方形?？諝庾⑷肟诘慕孛鏋殚L(zhǎng)寬都為0.5m的正方形?；旌蠚怏w出口的截面為長(zhǎng)3m、寬1m的長(zhǎng)方形。

在燃燒器中的燃燒反應(yīng)會(huì)存在湍流的現(xiàn)象，而湍流模型根據(jù)不同的假設(shè)，湍流模型可以分為紊流粘性模型、雷諾應(yīng)力模型、代數(shù)應(yīng)力模型[2]。其中最為符合的模型應(yīng)該是紊流粘性模型，紊流粘性模型是引入了BOUSSINESQ渦粘性假設(shè)，認(rèn)為雷諾應(yīng)力與平均速度梯度成正比，即將Reynolds應(yīng)力項(xiàng)表示為

其中μ1為湍流的粘性系數(shù)，根據(jù)紊流粘性系數(shù)確定的微分方程數(shù)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(jiǎn)單的流動(dòng)，而本文所討論為較復(fù)雜流動(dòng)，因此將采用二方程模型，即K-ε模型。二方程模型通過(guò)求解湍流特征參數(shù)的微分方程來(lái)確定湍流粘性。

湍流動(dòng)能K療程：

因此利用GAMBIT對(duì)燃燒器的界面進(jìn)行前處理后，在FLUENT中選擇求解模型時(shí)應(yīng)該選擇k-epsilon模型，在化學(xué)反應(yīng)模型中應(yīng)選擇Eddy-Dissipation。

2.2模型結(jié)果

模型的求解過(guò)程是由軟件加以完成，通過(guò)FLUENT的2D求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。

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

本文所設(shè)置的變量有兩個(gè)，一個(gè)是溫度，一個(gè)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(jié)果，結(jié)果所包括的數(shù)據(jù)主要有：一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量、總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體結(jié)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為38.771151?？傮w積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1441097×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為29.09749。

總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4946488×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為27.99389。總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.04107×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為23.76415。總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.184042×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為21.0744?？傮w積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.100529×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為35.19691?？傮w積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.944469×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為29. 08851?？傮w積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 47121×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為28.33771。總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.078724×10-5。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為23. 830153。總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.3755822×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總量為21.75688。總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.5686592×10-6。平均快重量的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.00086156744。

2.3模型結(jié)果分析

模型結(jié)果所包含的數(shù)據(jù)有3個(gè)，取其中總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為具體的分析數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1。

根據(jù)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(jìn)行對(duì)比分析。

同種顏色從左往右進(jìn)行對(duì)比，即溫度保持不變而速度比不斷增加時(shí)，總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，也就意味著增大速度比對(duì)于一氧化碳的排放存在抑制作用[3]。同縱軸中從上往下進(jìn)行對(duì)比，即保持通入速度比不變而增加溫度時(shí)，總體積整體的一氧化碳的加權(quán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)于一氧化碳的排放存在一定的抑制作用。根據(jù)甲烷燃燒的反應(yīng)機(jī)理可知，甲烷燃燒生成一氧化碳是因?yàn)榧淄樵跍囟葮O高時(shí)分解成一氧化碳和氫氣，氫氣與氧氣極易反應(yīng)，而一氧化碳則不然。一氧化碳與氧氣的反應(yīng)條件比較苛刻，不僅需要過(guò)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(shí)，對(duì)燃燒時(shí)一氧化碳的排放都存在抑制作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)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(huán)境使得甲烷燃燒時(shí)一氧化碳的排放量減少，進(jìn)而緩解當(dāng)前的能源危機(jī)。

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