综述：半工业燃烧室中空气与富氧燃料火焰未燃碳氢化合物的傅里叶变换红外光谱分析

这篇综述创新性地采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，系统比较了生物质在空气与富氧（OXY-27p/OXY-33p）条件下的燃烧特性，揭示了CO2作为稀释剂对短链烃（C2-C6）及苯系物生成的关键影响，为工业燃烧器设计提供了重要数据支撑。

　　

燃烧化学的分子探针：空气与富氧火焰的碳氢化合物指纹

研究背景与意义

在能源转型背景下，生物质富氧燃烧技术因可实现负碳排放而备受关注。传统空气燃烧与富氧燃烧的核心差异在于CO₂替代N₂作为稀释剂，其更高的热容和化学反应活性显著改变了燃烧动力学。本研究通过半工业级燃烧实验，首次系统揭示了CO₂对短链烃（如CH₄、C₂H₂）和芳香烃（如C₆H₆）生成路径的影响机制。

实验方法与创新设计

研究团队在热功率达670 kW_th的六边形燃烧室中，采用配备烟气再循环系统的旋流燃烧器。创新性地将冷却式抽吸探头与FTIR联用，在三个高度（-0.4m至-0.9m）和11个径向位点（0-500mm）采集气体样本。FTIR系统以4 cm^-1分辨率扫描900-7500 cm^-1波段，可同时检测CO、CH₄等小分子及苯等芳香化合物，测量精度达2%-5%。

关键发现：碳氢化合物的空间分布

在火焰中心线区域，富氧条件使CO浓度达到空气燃烧的2倍，这归因于三重效应：1）CO₂参与的气化反应（C + CO₂ → 2CO）；2）高温促进的挥发分释放；3）水蒸气重整反应增强。有趣的是，C₂烃类在富氧火焰中呈现独特双峰分布——乙炔（C₂H₂）在-0.4m高度浓度骤增，而在-0.6m高度快速衰减，暗示CO₂加速了PAHs的裂解。

苯生成的悖论现象

最引人注目的发现是苯（C₆H₆）的生成动力学。在富氧燃烧时，火焰中心线区域苯浓度趋近于零，但在径向50-100mm位置突然飙升至300ppm，这种"火山口式分布"与空气燃烧的平缓曲线形成鲜明对比。研究表明，CO₂通过两条竞争路径调控苯生成：既促进丙稀（C₃H₆）等前驱体的形成，又通过增强自由基反应加速苯的消耗。

工业应用的黄金比例

当氧化剂含氧量提升至33%时，燃烧特性与空气燃烧最为接近。此时火焰长度缩短约20%，但热释放强度增加35%，这提示工业设计需平衡材料耐温性与热效率。研究还发现，虽然27%氧浓度可获得相似火焰温度，但33%氧浓度才能实现流场与化学组成的双重相似性。

未来展望

该研究建立的烃类数据库为CFD模型验证提供了珍贵素材，特别是对包含详细化学机理的生物质燃烧模拟。下一步将聚焦硫、氮污染物的生成机制，并探索蒸汽注入对气化反应的调控作用。这些发现不仅指导燃烧器优化，更为碳捕集与封存（CCS）技术的工业落地提供了科学依据。