苯掺杂富氢焦炉煤气替代混合物的燃烧特性研究：H2/CH4/CO/N2/CO2体系中NOx形成与碳烟相互作用的实验分析

为应对钢铁工业中焦炉煤气(COG)燃烧产生的高NOx排放问题，研究人员通过苯(C6H6)掺杂富氢COG替代混合物(COGb: H2/CH4/CO/N2/CO2)，在半工业炉中系统研究了芳香烃对NO形成、碳烟生成与火焰辐射的调控作用。实验发现苯掺杂通过碳烟-温度-NO三向相互作用，在化学计量条件下使NO排放降低27%，为工业燃烧过程污染物协同控制提供了新思路。

　　

钢铁工业作为全球经济发展的支柱产业，其生产过程中产生的焦炉煤气(COG)既是重要能源又面临严峻的环保挑战。COG燃烧时高达2200°C的火焰温度会导致大量氮氧化物(NO_x)排放，其中焦炉加热工序贡献了钢铁厂约70%的NO_x污染。尽管欧盟已设定200 mg/Nm³的排放限值，但传统减排技术如选择性催化还原(SCR)存在成本高、需预热废气等问题。与此同时，COG中残留的芳香烃组分（如苯系物BTX）在燃烧过程中可能通过影响碳烟生成与NO_x化学的复杂相互作用，为污染物协同控制提供新途径。

为深入解析这一机制，来自中国的研究团队在《Fuel Processing Technology》发表论文，通过半工业尺度实验系统研究了苯(C₆H₆)掺杂对两种COG替代混合物——简化版COGa(H₂/CH₄/CO)和工业级COGb(H₂/CH₄/CO/N₂/CO₂)燃烧特性的影响。研究采用20 kW逆流式半工业炉，结合高速抽吸高温计、FTIR烟气分析和OH/CH化学发光成像技术，在φ=0.50-1.20范围内测试了0-5%苯掺杂浓度下的火焰形态、温度场及排放特性。

3.1 火焰形态与碳烟特性
苯掺杂使COGb火焰呈现显著橙黄色碳烟发光，但相比COGa体系，N₂/CO₂的存在使碳烟生成量减少。FTIR过滤器采样显示，在φ=1.20时5%苯掺杂产生的碳烟沉积量仅为COGa体系的60%，证实稀释剂对碳烟生成的抑制作用。

3.2 自由基化学发光
OH和CH化学发光强度在贫燃条件(φ=0.80)下随苯掺杂增加而增强，最高提升40%；而在化学计量条件(φ=1.00)下，3%以上苯掺杂导致信号强度下降15-20%，反映碳烟颗粒对自由基的淬灭效应。

3.3 温度场演变
苯掺杂在贫燃条件使COGb火焰温度升高ΔT_max≈36K，但在φ=1.00时导致温度下降24K。这种"双刃剑"效应源于：碳烟氧化放热（贫燃）与辐射冷却（富燃）的竞争，其中COGb因稀释作用使温度降幅较COGa减少45%。

3.4 污染物排放特征
最显著发现出现在φ=1.00工况：5%苯掺杂使COGb的NO排放降低27%（COGa为55%），证实N₂/CO₂会削弱碳烟-温度-NO的负反馈机制。而在φ=1.20时，苯掺杂反而使NO增加88%，提示富燃条件下苯衍生的CH_x自由基通过prompt路径促进NO生成。

3.5 热损失调控
炉墙热损失在φ=1.00时随苯掺杂线性增加，5%浓度下提升19%，对应内壁温度上升65K。这验证了碳烟增强火焰辐射传热的工程价值，但需平衡碳烟不完全燃烧风险。

该研究首次在工业相关尺度揭示了芳香烃掺杂对COG燃烧的多重调控机制：在化学计量条件下，碳烟增强的辐射冷却可有效抑制thermal-NO路径；而富燃环境可能因prompt-NO路径占主导产生反效果。特别是发现COGb中N₂/CO₂的稀释作用能减少60%碳烟生成，为开发"辐射增强-低碳烟"的燃烧技术提供了关键参数。这些发现不仅对优化焦炉加热工艺具有直接指导意义，也为氢烃混合燃料的清洁利用提供了新思路——通过精准调控芳香烃含量，可能实现NO_x减排与热效率提升的协同效应。未来研究可结合激光诊断技术量化碳烟体积分数，并探索其他芳香组分（如甲苯）的差异化影响。