CO2/H2O协同稀释调控富氧燃烧碳烟减排的机理研究与技术路径

为应对碳烟（soot）对环境和健康的危害，研究人员通过数值模拟探究CO2/H2O在富氧乙烯扩散火焰中的协同稀释效应。结果表明，CO2通过热力学和化学抑制降低50.9%碳烟，H2O则通过调控OH/H自由基抑制PAHs（多环芳烃）和HACA（氢提取-乙炔加成）路径。该研究为低碳燃烧技术提供了理论支撑。

　　

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论文解读

碳烟（soot）作为化石燃料燃烧的副产物，长期威胁大气环境与人类健康。尽管全球范围内推行严格的颗粒物排放标准，传统燃烧技术仍难以兼顾高效能与低污染。富氧燃烧（oxy-fuel）技术通过掺入CO₂或H₂O替代氮气，成为降低碳烟排放的新方向。然而，CO₂与H₂O的协同作用机制尚不明确，尤其在高温富氧条件下，二者对碳烟成核、生长及氧化的差异化影响亟待解析。为此，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，通过数值模拟揭示了CO₂/H₂O在乙烯扩散火焰中的协同抑制机制。

关键技术方法
研究采用低马赫数轴对称模型，耦合质量/动量/能量/物种守恒方程，结合详细化学反应机理（含PAHs和HACA路径），模拟O₂/N₂、O₂/CO₂、O₂/H₂O三种氛围下的火焰特性，并通过实验数据验证模型可靠性。

研究结果

1. 稀释剂对火焰特性的影响
CO₂使火焰峰值温度降低360 K，碳烟体积分数减少50.9%，其高比热容（thermal-dilution效应）和化学路径（促进OH生成）共同抑制碳烟；H₂O则通过H₂O + H ? OH + H₂反应消耗H自由基，削弱PAHs成核。

2. 氧浓度与碳烟生成的二元性
提高O₂浓度虽加速碳烟成核（温度升高），但同步增强OH/O₂氧化速率，使碳烟向燃烧器出口迁移，提升氧化效率。

3. 协同抑制机制
CO₂/H₂O混合稀释时，CO₂主导热力学抑制，H₂O调控自由基化学，二者协同使碳烟分布更均匀，氧化率提高21.3%。

结论与意义
该研究阐明CO₂与H₂O在富氧燃烧中通过“热稀释-自由基调控”双路径抑制碳烟，优化二者比例可兼顾燃烧效率与减排目标。Yindi Zhang等提出的协同模型为设计低碳燃烧系统（如EGR/FGR技术）提供了理论依据，对实现碳中和目标具有重要实践价值。