乙烷氧燃料燃烧中CO2对层流燃烧速度的非线性影响机制研究

为探究CO2在乙烷氧燃料燃烧中的作用机制，研究人员通过热通量法测量了C2H6/O2/CO2混合物的层流燃烧速度（LBV），结合Oxymech 2.0等动力学模型分析，揭示了CO2通过热力学、传输和化学效应的非线性抑制作用，为碳捕集技术优化提供了关键理论支撑。

　　

氧燃料燃烧技术作为碳捕集与利用的核心手段，其燃烧特性受高浓度CO₂的显著影响。乙烷（C₂H₆）是天然气中仅次于甲烷的主要组分，但其在O₂/CO₂氛围下的燃烧行为尚未充分研究。现有实验数据存在火焰不稳定性导致的测量偏差，且缺乏温度依赖性分析。此外，CO₂对燃烧的抑制机制存在争议，尤其是化学效应的非线性特征亟待阐明。

为解决这些问题，国内研究人员联合国际团队采用改进的热通量燃烧器，在308–348 K、0.6–1.5当量比和16–75% CO₂浓度范围内精确测量LBV，并通过Oxymech 2.0等模型解析CO₂的多尺度作用机制。研究发现，CO₂的化学抑制在低浓度（16–39%）时增强，而在高浓度（39–65%）时因关键自由基反应平衡的偏移而趋于稳定。该成果发表于《Fuel》，为清洁能源技术开发提供了实验与理论双支撑。

关键技术方法

1. 热通量法：通过控制燃烧板温度梯度实现绝热LBV测量，精度达±1.5%；
2. 人工稀释物种模拟：引入虚拟物种X/Y分离CO₂的热、化、输运效应；
3. 动力学模型评估：对比Oxymech 2.0、Konnov 2023和Alzueta 2015对LBV及点火延迟时间（IDT）的预测能力；
4. 敏感性分析：基于Chemkin量化关键反应（如CO+OH=H+CO₂）对燃烧速度的影响权重。

研究结果
3.1 实验数据一致性验证
通过温度依赖性分析验证LBV测量可靠性，发现幂律指数α在当量比1.1时最小（2.1），与模型预测吻合。Konnov早期数据因火焰胞状结构导致速度高估达10 cm/s（富燃条件）。

3.2 动力学模型评估
Oxymech 2.0对LBV和IDT的预测误差最小（图5-7），而Alzueta 2015因高估H+O₂反应速率导致LBV预测偏差2.5 cm/s。Konnov 2023在10 bar高压下IDT预测失效，源于C₂H₆+HO₂反应速率超理论值18倍（图8）。

3.3 CO₂非线性效应解析
热与输运抑制效应随CO₂浓度线性增长（图9a），而化学效应在CO₂>39%后停滞。机理分析表明：

• 抑制主因：CO+OH反应消耗H自由基，使OH/H浓度降低50%（图11）；
• 补偿机制：高CO₂下2CH₃=H+C₂H₅与C₂H₄+H(+M)反应速率比从1.11降至0.90，抵消了部分抑制。

结论与意义
该研究首次系统量化了CO₂在乙烷氧燃料燃烧中的非线性作用，揭示了化学抑制的浓度阈值效应。Oxymech 2.0模型的优异表现为工业燃烧器设计提供了可靠工具，而CO₂对关键自由基路径的调控机制为优化碳捕集工艺指明了方向。未来工作可拓展至高压条件及多组分燃料体系，以进一步逼近实际应用场景。