探究利用控制变量法在甲烷燃烧时减少一氧化碳的排放

刘璐杰 吴卫珍

摘要：随着经济的快速发展，人们对能源的需求越来越多，进而导致各个国家都开始了寻求新型能源的漫漫长路。文中论述利用控制变量法，通过软件对不同条件下甲烷燃烧过程的仿真，进而探宄在不同条件下燃烧过程中一氧化碳的排放情况，便可得到甲烷在空气中燃烧过程中一氧化碳排放量较少的情况。

关键词：控制变量法；燃烧；甲烷；一氧化碳

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-6487 （2018） 01-0022-03

O 引言

能源危机和环境污染一直是困扰着世界上各个国家的两大问题，加之全球经济的快速发展和人口的快速增加，人们对能源的需求越来越多，进而促使国家都开始寻求新型能源。所谓的新型能源，就是指可再生且污染较小的能源，例如太阳能、潮汐能、地热能、甲烷、氢气、风能等，而作为主要燃料的新型能源是甲烷。

1 甲烷

甲烷燃烧后的产物以二氧化碳和水为主，还可能产生部分污染气体如一氧化碳和氮氧化物，因此需要寻求一个比较合理的燃烧环境，使其减少污染气体的排放。

1.1燃烧反应

甲烷在空气中可以受热燃烧，此时自由基反应剧烈，反应温度急剧上升。甲烷解离吸附为甲基或非甲基，它们与吸附氧作用或直接生成二氧化碳和水，或者生成化学吸附的甲醛，甲醛或者与吸附氧进一步反应生成二氧化碳和水。一般认为甲醛作为中间物种，一旦产生就快速分解为一氧化碳和氢气，而不可能以甲醛分子形式脱附到气相中。

1.2影响因素

在燃烧过程中，存在众多因素影Ⅱ向着燃烧的结果。例如：容器的压强，通入气体的速度，容器的温度等。本文主要探究通入气体的速度和容器温度对该燃烧反应的影响。

1.2.1流速（V）

在燃烧过程中，甲烷和空气的通入速度便影响着甲烷与空气在反应器中的浓度，进而会影响着各个反应产物的质量分数，其中甲烷的通入速度用V1表示，空气的通入速度用V2表示。因此，不同的通入速度将影响着各个反应的量，在本文中将设定五组不同比例的流速分别是：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；来观察各个反应产物的量[1]。

1.2.2温度（T）

甲烷燃烧是一个放热反应且熵变为负值，根据焓值和熵值的关系可知，甲烷燃烧是一个低温自发反应，因此不同的温度也会影响着各个反应产物的质量分数。为此，本文中将设定二组不同的温度分别是：300K （27℃）、313K （40℃），并观察各个反应产物的量。

2 仿真

2.1模型的建立

本文所需探究的问题是在一个圆筒形燃烧器中甲烷燃烧一氧化碳的排放。其中圆筒形燃烧器的截面为长9m、宽10m的长方形，在燃烧器的左方有一个喷嘴用于注入甲烷，在燃烧器的上方有一个喷嘴用于注入空气，燃烧器的下方有一个混合气体出口。其中甲烷注入口的截面为长宽都为1m的正方形。空气注入口的截面为长宽都为0.5m的正方形。混合气体出口的截面为长3m、宽1m的长方形。

在燃烧器中的燃烧反应会存在湍流的现象，而湍流模型根据不同的假设，湍流模型可以分为紊流粘性模型、雷诺应力模型、代数应力模型[2]。其中最为符合的模型应该是紊流粘性模型，紊流粘性模型是引入了BOUSSINESQ涡粘性假设，认为雷诺应力与平均速度梯度成正比，即将Reynolds应力项表示为

其中μ1为湍流的粘性系数，根据紊流粘性系数确定的微分方程数目又可分为零方程模型、一方程模型、二方程模型。其中零方程模型和一方程模型仅适用于简单的流动，而本文所讨论为较复杂流动，因此将采用二方程模型，即K-ε模型。二方程模型通过求解湍流特征参数的微分方程来确定湍流粘性。

湍流动能K疗程：

因此利用GAMBIT对燃烧器的界面进行前处理后，在FLUENT中选择求解模型时应该选择k-epsilon模型，在化学反应模型中应选择Eddy-Dissipation。

2.2模型结果

模型的求解过程是由软件加以完成，通过FLUENT的2D求解器对模型进行求解。

通过改变温度、流通速度来探究甲烷在空气中燃烧生成一氧化碳的量。主要是通过控制变量法，改变其中某個量而固定其他量来探究甲烷在空气中燃烧时一氧化碳的排放。

本文所设置的变量有两个，一个是温度，一个是通入气体的速度。温度的可变量为300K （27℃）、313K （40℃）2种情况，通入气体的速度共有5组，分别是：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。因此将有10组结果，结果所包括的数据主要有：一氧化碳的加权质量分数的总量、总体积整体的一氧化碳的加权质量分数、平均快重量的一氧化碳的加权质量分数。具体结果如下所示。

（1）温度T=300，空气的流入速度Vi=lm/s，甲烷的流入速度V2=5m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为38.771151。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为2.1441097×10-5。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.0017406995。

（2）温度T=300，空气的流入速度Vi=1m/s，甲烷的流入速度V2=10m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为29.09749。

总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为1.4946488×10-5。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.0012049875。

（3）温度T=300，空气的流入速度V1=lm/s，甲烷的流入速度V2=20m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为27.99389。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为1.04107×10-5。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.0009461541。

（4）温度T=300，空气的流入速度Vi=l m/s，甲烷的流入速度V2=30m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为23.76415。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为9.184042×10-6。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.0008922861。

（5）温度T=300，空氣的流入速度Vi=lm/s，甲烷的流入速度V2=40m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为21.0744。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为8.100529×10-6。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.0008106335。

（6）温度T=313，空气的流入速度V1=lm/s，甲烷的流入速度V2=5m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为35.19691。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为1.944469×10-5。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.001581565。

（7）温度T=313，空气的流入速度V1-lm/s，甲烷的流入速度V2=10mS。一氧化碳的加权质量分数的总量为29. 08851。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为1. 47121×10-5。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.001200971。

（8）温度T= 313，空气的流入速度Vi=l m/s，甲烷的流入速度V2=20m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为28.33771。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为1.078724×10-5。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0. 0009836077

（9）温度T=313，空气的流入速度V1-lm/s，甲烷的流入速度V2=30m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为23. 830153。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为9.3755822×10-6。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.00091565167。

（10）温度T=313，空气的流入速度V1=lm/s，甲烷的流入速度V2=40m/s。一氧化碳的加权质量分数的总量为21.75688。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为8.5686592×10-6。平均快重量的一氧化碳的加权质量分数为0.00086156744。

2.3模型结果分析

模型结果所包含的数据有3个，取其中总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为具体的分析数据，见图1。

根据控制变量法的原则，可以分别将图1中的同颜色或者同速度比的折线图进行对比分析。

同种颜色从左往右进行对比，即温度保持不变而速度比不断增加时，总体积整体的一氧化碳的加权质量分数逐渐减小，也就意味着增大速度比对于一氧化碳的排放存在抑制作用[3]。同纵轴中从上往下进行对比，即保持通入速度比不变而增加温度时，总体积整体的一氧化碳的加权质量分数也逐渐减小，最后趋近于重合，也就意味着增大空气与甲烷的通入比例对于一氧化碳的排放存在一定的抑制作用。根据甲烷燃烧的反应机理可知，甲烷燃烧生成一氧化碳是因为甲烷在温度极高时分解成一氧化碳和氢气，氢气与氧气极易反应，而一氧化碳则不然。一氧化碳与氧气的反应条件比较苛刻，不仅需要过量的氧气，还需要足够高的温度，因此在升高温度或者增大空气与甲烷的通入比例时，对燃烧时一氧化碳的排放都存在抑制作用。

3 结束语

当下所探索出的新型能源中以氢气和甲烷作为较为清洁的燃料，但由于种种原因，使得甲烷成为主要的清洁能源。而本文所做是改善甲烷燃烧的环境使得甲烷燃烧时一氧化碳的排放量减少，进而缓解当前的能源危机。

参考文献

[1] 张世红，何林，孙威.天然气催化燃烧理论和应用[J].化工进程，2009 （1）：115-117.

[2] 雷林，王智祥，孙鹏，等.计算流体力学k—e二方程湍流模型应用研究[J].船舶工程，2010 （3）：5-8.

[3] 刘红星，王明庭，刘景新，等.燃气燃烧器安全运行措施探讨[J].节能，2013 （8）：68-72+3.