稀释剂对合成气燃烧污染物排放的影响

合成气可由煤、生物质或废弃物在气化炉中进行气化、净化获得，其主要组分是H2和CO，次要组分是CO2、CH4、N2和H2O等[1-3]。由于大部分有害物质(如H2S、SOx、重金属和飞灰等)可在气化后的净化过程中去除，所以合成气是一种很有潜力的清洁能源，可部分替代天然气，用于燃气内燃机和燃气轮机[4-7]。

合成气中含有大量的H2，因而具有更快的燃烧速度和更高的火焰温度[8]，富氢合成气燃气轮机排放的NOx质量浓度远高于传统的天然气燃气轮机[9]。为了抑制合成气火焰中NOx的生成，可加入稀释剂以降低反应物体积浓度，进而降低火焰温度，如在燃烧过程中掺入CO2和H2O等，可有效降低合成气燃烧时NOx的生成量[10-11]。国内外学者对掺有稀释剂的合成气燃烧特性进行了研究。

实验组授课内容相同采用PBL教学模式：首先设计问题，启动PBL模式（提出问题），在组织第一次讨论前，要求学生查文献及相关书籍，然后同学讨论初步的诊治方案，在第二次讨论前由教师提供相应的辅助检查结果，并要求学生继续查阅文献，明确诊治方案，最后由教师总结及再次安排讨论[10]。

Natarajan等[12]和Prathap等[13]分别研究了CO2和N2稀释剂对合成气层流火焰传播速度的影响，发现CO2和N2稀释剂均会降低燃烧释放的热量，并增大混合气的比热容，从而降低火焰温度和层流火焰的传播速度。Bhargava等[14]研究了燃烧室内加湿空气对火焰稳定性和尾气排放的影响，发现火焰温度的降低是导致NOx排放降低的主要因素，在火焰温度不变的条件下，加湿空气会降低O原子的质量浓度，进而导致NOx生成量下降。汤根土等[15]利用数值模拟方法探讨了CO2、H2O和N2稀释剂对合成气扩散火焰结构和NOx生成特性的影响，发现3种稀释剂减弱NO排放效果的顺序为CO2>H2O>N2。

目前,研究人员主要探讨了稀释剂对合成气燃烧NOx排放特性的影响，缺少针对不同条件下CO污染物生成特性的研究。同时,国内外研究人员采用的实验设备大多结构复杂，如快速压缩机、微型燃气轮机和工业用模型燃烧器等，导致影响合成气点火燃烧性能的因素较多，难以准确地进行针对性研究。鉴于此，笔者搭建了一个结构紧凑的气体燃烧实验台，研究在不同H2/CO体积比和3种稀释剂(CO2、N2、Ar)条件下合成气的火焰形貌以及污染物(NO和CO)的排放特性，以期为实际燃烧设备的设计和优化提供理论指导。

1 实验介绍

1.1 实验原料

燃烧实验在自行搭建的气体扩散燃烧实验台上进行，实验台结构见图1。

1.2 实验设备和方法

实验采用的原料为气体，包括空气、燃料气和稀释气。燃料气为H2和CO，纯度均为99.99%；稀释气为CO2、N2和Ar，纯度分别为99.99%、99.99%和99.999%。上述气体均购置于南京天泽气体有限责任公司。

图1 扩散燃烧实验台的结构图

Fig.1 Structure of the combustion test rig

由图1可知，通过燃烧器产生稳定的同向轴对称扩散火焰。燃烧器的燃料喷嘴是内径为10.9 mm的不锈钢管，空气喷嘴是内径为101 mm的同轴不锈钢管，燃料喷嘴的壁厚为0.95 mm。燃料为H2/CO合成气，氧化剂为空气(φO2为20.9%，φN2为79.1%)。燃料喷嘴进口体积流量设为300 mL/min，为保证空气过量，空气喷嘴进口体积流量设为3 L/min，实验在常温常压(298 K，0.1 MPa)下进行。空气喷嘴中内置金属泡沫，以提高气流稳定性，确保火焰稳定燃烧。燃烧器侧面设有石英玻璃窗，利用数码摄像机对火焰形貌进行拍摄记录。将燃烧器出口部分烟气通入气体分析仪(型号为Testo 360)，以检测NOx等污染物的体积分数。

笔者采用排放指数E来表示NO和CO的排放情况[16]。以NO为例，该指数表示产生单位热量时NO的生成量，计算公式为：

(1)

式中：ENO为NO的排放指数，mg/MJ；qV,FG为理论干烟气体积流量，L/min；qV,H2和qV,CO分别为H2和CO的体积流量，L/min；Mr,NO、Mr,H2和Mr,CO分别为NO、H2和CO的相对分子质量；qH2和qCO分别为H2和CO的热值，MJ/kg；φNO为烟气中NO的体积分数。

2 结果与分析

2.1 不同H2/CO体积比下的火焰形貌

燃料为H2/CO合成气，保持燃料体积流量为300 mL/min，改变H2/CO体积比，用数码相机拍摄合成气火焰形貌。如图2所示，10∶0表示纯H2的火焰形貌;5∶5表示H2/CO体积比为5∶5时合成气的火焰形貌;0∶10表示纯CO的火焰形貌，依此类推。

图2 不同H2/CO体积比下合成气的火焰形貌

Fig.2 Flame shape of syngas at different H2/CO volume ratios

由图2可以看出，当H2/CO体积比为10∶0和9∶1时，火焰呈很淡的黄色，当H2/CO体积比为8∶2时，开始出现蓝色火焰。随着CO体积分数的增大，火焰由淡蓝色逐渐变为亮蓝色，肉眼可观察到火焰清晰度逐步提高。此实验现象与杨承印等[17]得到的气体燃烧火焰颜色一致。在实验过程中，当合成气中H2体积分数很大时，火焰颜色很淡，几乎为无色，难以观察，给火焰的稳定调节带来一定的困难。当掺入一定量的CO后，可清晰地观察到蓝色火焰。所以在合成气燃烧实验中，如果需要改变H2/CO体积比，可先点燃纯CO，获得稳定的火焰后，再逐渐增大H2的体积分数。

2.2 不同H2/CO体积比下污染物的排放特性

图6为不同H2/CO体积比下稀释剂对NO排放指数的影响。由图6可以看出，对于不同的H2/CO体积比，3种稀释剂均可降低尾气中NO的排放指数，且CO2的效果最好，Ar的效果略好于N2，但二者相差不大。随着H2/CO体积比的增大，稀释剂对降低NO排放指数的能力下降，这可能是因为H2体积分数较大时，火焰温度较高，导致热力型NO大量生成，降低了稀释剂的效果。

随着合成气中H2体积分数的增大，CO的排放指数逐渐降低，且在H2/CO体积比小于1时,该趋势更加明显。当H2/CO体积比为3∶7时，ECO为23.2 mg/MJ，当H2/CO体积比为7∶3时，ECO为4.30 mg/MJ，其降幅为81.5%。这是因为随着H2/CO体积比的增大，作为反应物的CO的体积分数减小，进而燃烧后排放的CO的体积分数也逐渐减小。

留学生在校园形成的地方感，可以让其更好地融入校园，成为高校的一份子，即身份认同与融合是校园尺度地方感作用于留学生的1个结果(图1)。

图3 不同H2/CO体积比下合成气燃烧污染物的排放指数

Fig.3 Emission indexes of pollutants from syngas combustion at different H2/CO volume ratios

由图3可知，随着合成气中H2体积分数的增大，NO的排放指数逐渐提高，这与吴鑫楠[18]的研究结果一致。当H2/CO体积比为3∶7时，ENO为1.96 mg/MJ；当H2/CO体积比为7∶3时，ENO为3.73 mg/MJ，其增幅为90.3%。当H2/CO体积比小于0.5时，ENO的变化较为平缓;当H2/CO体积比大于0.5时，ENO的变化相对较大。这是因为在合成气燃烧中热力型NO占主导，温度高于1 800 K时会大量生成热力型NO。由于高温下CO2的发射率比H2O的发射率大得多[19]，因此随着合成气中CO体积分数的增大，辐射热损失也增大，导致火焰温度降低,合成气中H2体积分数越高时，火焰温度越高，会促进生成热力型NO，使得NO的排放指数随H2/CO体积比的增大而提高。

2.3 伴有稀释剂的合成气燃烧污染物排放特性

11月18日，由新疆农拓者农业科技有限公司主办和发起，博湖县人民政府、博湖县农业局、巴州农业技术推广中心、焉耆农村信用社、中国人寿财产保险巴州中心支公司和新疆晨曦椒业生物科技有限公司、新疆隆平高科红安种业有限公司、河北萌帮水溶肥料股份业有限公司、巴州辣椒种植合作社以及种植大户大力支持的“新疆辣椒（色素）全产业链联盟”服务第一次峰会在新疆博湖县成功举行。

图4给出了NO排放指数随稀释剂种类和稀释比的变化情况。由图4可以看出，当稀释比从0%增大至20%时，添加CO2后NO排放指数从2.29 mg/MJ降至0.80 mg/MJ，降幅为65.1%；添加N2后NO排放指数从2.29 mg/MJ降至1.62 mg/MJ，降幅为29.3%；添加Ar后NO排放指数从2.29 mg/MJ降至1.35 mg/MJ，降幅为41.1%。这3种稀释剂均可降低NO排放指数，即可抑制合成气燃烧时NO的生成，其中CO2的效果最好，N2和Ar的效果相差不大。

图4 在3种稀释剂作用下NO的排放指数

Fig.4 NO emission index with three kinds of diluents

图5给出了CO排放指数随稀释剂种类与稀释比的变化情况。添加稀释剂可提高CO排放指数，且随着稀释比的增大，CO排放量急剧增大。合成气中含有大量CO，为了控制CO的排放，需促进CO完成燃烧，进而生成CO2。加入稀释剂后，合成气燃烧的火焰温度会降低，不利于CO的完全燃烧。此外，加入稀释剂会导致喷嘴出口气流速度增大，燃料的停留时间缩短，抑制了CO的氧化。由图5可知，采用CO2稀释时CO排放指数最高，一方面是因为CO2的比热容最大，导致火焰温度下降较多;另一方面，从化学效应的角度看，添加CO2会使CO的氧化反应逆向移动，进一步抑制了CO的氧化，使其排放指数增大。由图5可以看出，添加少量Ar会使CO排放指数有所降低，这可能是因为CO2在高温下会分解为CO和O2，添加少量Ar会降低火焰温度，抑制CO2的分解，从而降低CO的排放指数。

采用H2/CO合成气，保持H2/CO体积比为5∶5，加入CO2、N2和Ar这3种稀释气体，稀释比分别为0%、5%、10%、15%和20%。其中,稀释比定义为稀释剂体积流量占稀释剂与燃料总体积流量的百分比。

CO2、N2和Ar的稀释效应均会降低燃烧中O原子、H原子以及OH自由基的质量浓度，从而使得反应速率减小，燃烧释放的热量降低。一部分热量用于加热稀释气体，使火焰温度降低，热力型NO的生成量减少，所以这3种稀释剂均可降低NO排放指数。研究表明，CO2的化学效应会降低CH3、CH2和CH等自由基的质量浓度，进而使N原子的生成受到抑制，减少了快速型NO的生成量[16]。Ar为惰性气体，不存在化学效应，抑制NO排放的效果不及CO2。N2作为NO中N元素的来源，其化学效应会促进NO的生成。N2的化学效应与稀释效应、热效应共同作用，总体可降低NO的排放量，但其作用效果在3种稀释剂中最差。

稀释剂可通过3种方式影响火焰中NO的生成[20]：(1)稀释效应，稀释剂改变了混合物中影响NO生成的各组分质量浓度，从而对NO的生成速率和生成量产生影响；(2)热效应，稀释剂改变了混合物的物理特性(如比热容、质量扩散率等)，从而改变了火焰温度；(3)化学效应，稀释剂可能参与化学反应，从而改变了NO的生成途径,其中化学效应包括化学反应导致温度变化，进而引起NO生成量的改变。

但随着Ar体积分数的增大，火焰温度下降较明显，不利于CO的充分氧化，CO的排放指数提高。添加N2的效果介于CO2和Ar之间，这是因为N2的比热容介于CO2和Ar之间。

图5 在3种稀释剂作用下CO的排放指数

Fig.5 CO emission index with three kinds of diluents

2.4 H2/CO体积比对稀释剂作用的规律

在不同H2/CO体积比下，进一步研究稀释剂对合成气燃烧污染物排放的影响。保持稀释比为10%，改变H2/CO体积比，使H2/CO体积比分别为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4和7∶3。

解决对策：硼对促进作物授粉受精、开花结果有不可替代的作用。一般在花前、花期、花后喷施3～4次速溶硼 1 000～1 500倍液喷施，可解决花而不实、实而没果、果而不良、蕾铃脱落、落果、果实畸形、“红嘴果”（也称缺硼旱斑病）、缩果病等问题。土施每年结合秋施基肥，亩施持力硼 200～250 g。

抑制EGFR表达后，鼻咽癌SUNE-1细胞株增殖细胞数、迁移细胞数目及侵袭细胞明显减少(P＜0.05)，见表2。

采用H2/CO合成气，使H2/CO体积比从3∶7变为7∶3，通过烟气分析仪检测燃烧后的尾气。待稳定后记录数据，获得尾气中NO和CO的体积分数，得到NO和CO的排放指数ENO、ECO，见图3。每组实验均进行了3次以上，图3中数值为排放指数的平均值。

图6 不同H2/CO体积比下稀释剂对NO排放指数的影响

Fig.6 Effects of diluents on NO emission index at different H2/CO volume ratios

图7为不同H2/CO体积比下稀释剂对CO排放指数的影响。由图7可以看出，对于10%的稀释剂量，H2/CO体积比对CO排放指数的影响大于稀释剂的影响。总体来看，CO2对CO排放指数的影响较大，N2和Ar对CO排放指数的影响较小,且随着H2/CO体积比的增大，稀释剂对CO排放指数的影响逐渐降低。

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图7 不同H2/CO体积比下稀释剂对CO排放指数的影响

Fig.7 Effects of diluents on CO emission index at different H2/CO volume ratios

3 结 论

(1)当H2/CO体积比为10∶0(纯H2)和9∶1时，火焰呈淡黄色，当H2/CO体积比为8∶2时，开始出现蓝色火焰。随着合成气中CO体积分数的增大，火焰由淡蓝色逐渐变为亮蓝色，火焰清晰度逐步提高。

(2)H2/CO合成气中H2体积分数越大时，火焰温度越高，促进热力型NO的生成，使得NO排放指数随着H2/CO体积比的增大而提高。CO排放指数的变化趋势与NO相反，随着H2/CO体积比的增大，作为反应物的CO体积分数逐渐减小，燃烧后排放的CO体积分数也逐渐减小。

(3)CO2、N2和Ar稀释剂均可降低NO排放指数，其中CO2的效果最好，N2和Ar的效果相差不大。总体来看，稀释剂会提高CO排放指数，且随着稀释比的增大，CO排放量急剧增大。

在我国教育教学改革力度不断加大的新形势下，后进生的转化工作受到了高度重视，而在小学语文教育教学活动中出现后进生的主要原因有：

(4)随着H2/CO体积比的增大，稀释剂降低NO排放的能力有所下降。CO2对CO排放指数的影响较大，N2和Ar对CO排放指数的影响较小。随着H2/CO体积比的增大，稀释剂对CO排放指数的影响逐渐减小。

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