硫化氢添加对乙炔扩散火焰中碳烟形成的抑制作用及机理研究

为解决酸性气体中H2S与烃类混合燃烧时碳烟排放的调控难题，研究人员通过实验与数值模拟揭示了H2S对乙炔扩散火焰中碳烟生成的线性抑制规律。结果表明，5%的H2S添加可完全抑制碳烟排放，同时火焰温度升高，PAHs（多环芳烃）形成受抑，硫-碳相互作用是关键机制。该研究为克劳斯炉中烃类热解过程的碳烟控制提供了理论依据。

　　

化石燃料不完全燃烧产生的碳烟（soot）不仅是大气污染的主要来源，还会加剧全球变暖。随着颗粒物排放标准的日益严格，如何通过改进燃烧方式减少碳烟排放成为研究热点。在众多调控手段中，零碳燃料添加剂因其不产生二氧化碳的特性备受关注。然而，氨气（NH₃）作为常用添加剂虽能抑制碳烟，却会引发氮氧化物排放和火焰不稳定等问题；氢气（H₂）的添加甚至可能促进碳烟释放。相比之下，硫化氢（H₂S）作为一种天然存在于油气储层的零碳燃料，其与烃类混合燃烧的碳烟抑制机制尚不明确，尤其在工业克劳斯炉（Claus process）处理酸性气体（含H₂S和烃类杂质）的过程中，烃类热解是否产生碳烟污染物仍缺乏系统研究。

浙江科技大学的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表论文，首次通过实验与数值模拟揭示了H₂S对乙炔（C₂H₂）扩散火焰中碳烟形成的抑制作用。研究采用双色测温、气相色谱分析和化学动力学模拟等技术，定量分析了不同H₂S浓度下火焰结构、温度分布及碳烟形态的变化，并解析了关键气相产物组成。

火焰结构与温度
实验显示，随着H₂S添加比例从0%增至5%，火焰的亮黄色区域（碳烟富集区）逐渐缩小直至消失，表明碳烟排放呈线性下降。值得注意的是，火焰温度反而随H₂S增加而升高，这与传统热效应抑制碳烟的认知相反，提示化学机制起主导作用。

碳烟抑制机理
气相色谱检测发现，H₂S的添加显著降低了乙炔火焰中多环芳烃（PAHs）的浓度，且对高环数PAHs的抑制更明显。数值模拟进一步揭示，硫-碳相互作用会大量消耗原本用于形成碳烟的碳原子，同时H₂S热解产生的活性硫物种（如S、HS）可阻断PAHs的生长路径。

结论与意义
该研究明确了H₂S作为零碳燃料添加剂的两大作用：一是通过硫-碳相互作用直接减少碳烟前驱体供应；二是通过提高火焰温度促进碳烟氧化。当H₂S浓度达5%时，碳烟排放被完全抑制。这一发现不仅填补了酸性气体处理过程中烃类热解污染控制的理论空白，还为克劳斯炉的优化设计提供了新思路——通过调控H₂S与烃类的混合比例，可实现硫回收与碳烟减排的双重目标。尽管H₂S存在毒性和二氧化硫排放问题，但成熟的烟气脱硫技术（FGD）可有效解决后续处理难题，使得该策略具备工业化应用潜力。