煤油替代燃料典型烷烴和環(huán)烷烴組分的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模型研究

【摘要】：化石燃料的燃燒是當(dāng)今社會(huì)的主要能源供給形式,但其在燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列大氣污染物。如何有效地提高化石燃料的燃燒效率,并最大限度地減少其帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題,是人們一直追求的目標(biāo)。提高燃燒效率和減小燃燒污染物排放的關(guān)鍵在于對(duì)燃燒中的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行深入的了解。運(yùn)輸燃料是典型的化石燃料,如汽油、煤油和柴油等。這些運(yùn)輸燃料的組分十分復(fù)雜,通常是由正構(gòu)烷烴、支鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳烴在內(nèi)的上百種烴類(lèi)混合而成。直接研究它們的燃燒反應(yīng)過(guò)程難度極大,一種有效的解決方案為選取一些具有代表性的組分組成這些真實(shí)運(yùn)輸燃料的替代燃料,如選擇正構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴、支鏈烷烴和芳烴這幾類(lèi)燃料中的一種或幾種燃料共同組成替代燃料。正構(gòu)烷烴是真實(shí)運(yùn)輸燃料中一種重要組成燃料,且汽油、煤油和柴油燃料中正構(gòu)烷烴的碳鏈長(zhǎng)度也相差較大,如柴油中正構(gòu)烷烴的平均碳鏈長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其在汽油燃料中的平均碳鏈長(zhǎng)度。本文選擇正癸烷、正十二烷和正十四烷這三種不同碳鏈長(zhǎng)度的正構(gòu)烷烴進(jìn)行了研究。其一,本文分別對(duì)這三種正構(gòu)烷烴燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模型研究,用以對(duì)正構(gòu)烷烴燃燒中燃料的分解、燃燒中間產(chǎn)物和產(chǎn)物的生成和消耗路徑進(jìn)行深入的了解。其二,對(duì)不同碳鏈長(zhǎng)度的正構(gòu)烷烴進(jìn)行研究,從而探索正構(gòu)烷烴的碳鏈長(zhǎng)度對(duì)其燃燒反應(yīng)過(guò)程的影響。環(huán)烷烴具有與正構(gòu)烷烴完全不同的燃料結(jié)構(gòu),本文對(duì)典型的雙環(huán)烷烴燃料十氫萘進(jìn)行了燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)模型研究。十氫萘與正癸烷具有相同的碳原子數(shù),但由于兩個(gè)六元并環(huán)的存在,使得十氫萘具有兩個(gè)不飽和度,導(dǎo)致其氫原子數(shù)比正癸烷要少四個(gè),因此其燃燒的熱力學(xué)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)過(guò)程與正癸烷均有很大的差異。支鏈烷烴是另一類(lèi)真實(shí)運(yùn)輸燃料中的主要組成燃料,與正構(gòu)烷烴相比,支鏈烷烴含有更多類(lèi)型的碳原子,即正構(gòu)烷烴僅有伯碳和仲碳兩種類(lèi)型碳原子,而支鏈烷烴可能包含伯、仲、叔和季碳這四種類(lèi)型碳原子。本文選擇異辛烷作為研究目標(biāo),異辛烷具有四種類(lèi)型的碳原子,常被用做汽油和煤油替代燃料中支鏈烷烴的代表。此外,目前對(duì)混合燃料的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究越來(lái)越多,研究者認(rèn)為將兩種或者多種性能不同的燃料摻混到一起能夠?qū)θ紵械幕瘜W(xué)過(guò)程進(jìn)行調(diào)控,如提高燃燒效率和降低污染物。因此,本文對(duì)異辛烷/二甲醚和異辛烷/乙醚混合燃料開(kāi)展了燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模型研究。在實(shí)驗(yàn)研究中,本文利用同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜方法研究了正癸烷、正十二烷、正十四烷和十氫萘在流動(dòng)反應(yīng)器中的變壓力熱解,以及正癸烷和十氫萘的低壓層流預(yù)混火焰。在流動(dòng)反應(yīng)器熱解實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)掃描光電離效率譜對(duì)熱解物種進(jìn)行了鑒別,包括活潑的自由基和同分異構(gòu)體等;通過(guò)改變熱解溫度,得到了熱解物種隨溫度變化的摩爾分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)。在層流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)中,除了利用光電離效率譜對(duì)物種進(jìn)行鑒別之外,還通過(guò)掃描燃燒爐軸向位置,得到了火焰物種隨著燃燒爐軸向分布的摩爾分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)。除此之外,本文還利用電子轟擊電離質(zhì)譜方法對(duì)異辛烷/醚類(lèi)摻混燃料的層流預(yù)混火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了火焰物種隨燃燒爐位置變化的摩爾分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)。對(duì)燃燒物種,尤其是活潑自由基的定性鑒別和定量測(cè)量,為本文燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建和驗(yàn)證提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上,本文發(fā)展了正癸烷、正十二烷和正十四烷這三種烷烴燃料的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。借助于燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬軟件Chemkin-Pro對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè),并利用生成速率分析和敏感度分析這兩種模型分析工具對(duì)燃燒反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了全面的探索。與前人的模型相比,本文發(fā)展的正構(gòu)烷烴模型的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于對(duì)正構(gòu)烷烴燃燒中的關(guān)鍵反應(yīng)引入了含有壓力依賴(lài)效應(yīng)的速率常數(shù),如燃料的單分子解離反應(yīng)、烯烴的單分子解離反應(yīng)、烷基自由基的異構(gòu)化和碳碳斷鍵反應(yīng)等。因此,本文所發(fā)展的正構(gòu)烷烴模型能更好地預(yù)測(cè)變壓力流動(dòng)反應(yīng)器熱解實(shí)驗(yàn)中燃料的分解和產(chǎn)物的生成。另一方面,本文所發(fā)展的正構(gòu)烷烴模型也包含了低溫氧化機(jī)理,因此也可以預(yù)測(cè)正構(gòu)烷烴的低溫氧化特性。為確保本文正構(gòu)烷烴模型在寬廣溫度、壓力和當(dāng)量比條件下的預(yù)測(cè)性,本文利用文獻(xiàn)中的正構(gòu)烷烴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了全面驗(yàn)證,包括高壓激波管氧化、射流攪拌反應(yīng)器氧化和對(duì)沖擴(kuò)散火焰物種濃度,以及著火延遲時(shí)間和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?。生成速率分析結(jié)果顯示在流動(dòng)反應(yīng)器熱解實(shí)驗(yàn)中,正癸烷、正十二烷和正十四烷均主要通過(guò)燃料的單分子碳碳斷鍵反應(yīng)和氫提取反應(yīng)而消耗。敏感度分析結(jié)果顯示在流動(dòng)反應(yīng)器熱解實(shí)驗(yàn)中,燃料單分子碳碳斷鍵反應(yīng)具有極高的敏感度。在層流預(yù)混火焰中,燃料單分子碳碳斷鍵的貢獻(xiàn)很小,燃料主要通過(guò)氫提取反應(yīng)而消耗。本文發(fā)展了詳細(xì)的十氫萘燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,解決了國(guó)際上缺乏詳細(xì)雙環(huán)烷烴模型的問(wèn)題,該模型能夠合理預(yù)測(cè)變壓力流動(dòng)反應(yīng)器熱解和低壓層流預(yù)混火焰中十氫萘的分解和產(chǎn)物的生成。利用生成速率分析和敏感度分析對(duì)十氫萘熱解和火焰中燃料的消耗路徑和產(chǎn)物的生成及消耗路徑進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在熱解條件下,十氫萘主要經(jīng)過(guò)單分子碳碳斷鍵反應(yīng)生成雙自由基中間產(chǎn)物,后者經(jīng)過(guò)氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成單環(huán)烯烴異構(gòu)體C10H18。十氫萘也可以經(jīng)過(guò)自由基進(jìn)攻燃料的氫提取反應(yīng)生成三種十氫萘自由基和小分子中間產(chǎn)物,這三種十氫萘自由基的后續(xù)消耗路徑將生成一系列的單環(huán)芳烴,例如苯、甲苯和苯乙烯等,表明在十氫萘燃燒體系中存在著由燃料直接分解生成芳烴的反應(yīng)機(jī)理。在十氫萘火焰中,十氫萘主要是經(jīng)由自由基進(jìn)攻燃料的氫提取反應(yīng)而消耗,且除了碳?xì)浞紵N外,在十氫萘火焰中也探測(cè)到了一些含氧的芳烴。本文還利用文獻(xiàn)中十氫萘的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所發(fā)展的十氫萘模型進(jìn)行了驗(yàn)證,如激波管熱解、射流攪拌反應(yīng)器氧化和著火延遲時(shí)間等。本文利用所開(kāi)展的異辛烷層流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)文獻(xiàn)所報(bào)道的異辛烷燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,其中Pitsch等人的異辛烷模型能較好地預(yù)測(cè)本文的異辛烷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其次,本文也利用文獻(xiàn)所報(bào)道的異辛烷燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)此模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,本文將二甲醚和乙醚的燃料子機(jī)理加入到該異辛烷模型,發(fā)展了一個(gè)包含異辛烷、二甲醚和乙醚的混合燃料模型。本文的混合燃料模型能較好地預(yù)測(cè)所開(kāi)展的七組層流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),即異辛烷火焰、兩組異辛烷和二甲醚摻混燃料火焰、兩組異辛烷和乙醚摻混燃料火焰、二甲醚火焰和乙醚火焰。本文還利用文獻(xiàn)所報(bào)道的異辛烷、二甲醚和乙醚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)混合燃料模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合本文的火焰實(shí)驗(yàn)和混合燃料模型的預(yù)測(cè)對(duì)二甲醚和乙醚摻混到異辛烷火焰中的摻混效應(yīng)進(jìn)行了研究,分析結(jié)果顯示醚類(lèi)摻混對(duì)異辛烷摻混火焰中異辛烷分解路徑的影響較小,對(duì)醛類(lèi)、烯烴和芳烴生成的影響較大。 【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O643.21

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

單支鏈芳香烴寬范圍燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究    苑文浩

環(huán)己烷及其單烷基衍生物燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)和模型研究    王占東

丁醇燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)與模型研究    蔡江淮

煤油替代燃料典型烷烴和環(huán)烷烴組分的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模型研究    曾美容

射流擴(kuò)散火焰駐定特性的實(shí)驗(yàn)研究    嚴(yán)野

乙炔和C_9H_(12)航空模型燃料的低溫氧化研究    王丙寅

正癸烷熱裂解/引發(fā)裂解模型及其化學(xué)熱沉特性研究    賈貞健

單支鏈芳香烴寬范圍燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究    苑文浩

低階不飽和烴和均三甲苯的氧化研究    潘冠福

環(huán)己烷及其單烷基衍生物燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)和模型研究    王占東

呋喃及其衍生物的變壓力熱解實(shí)驗(yàn)與模型研究    程占軍

丁醇燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)與模型研究    蔡江淮

苯和苯/C_2H_6O混合燃料低壓燃燒的實(shí)驗(yàn)與模型研究    楊玖重

C3-C5直鏈脂肪酸甲酯的熱解實(shí)驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模型研究    謝銘豐

C4系列烷烴和烯烴的熱解實(shí)驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模型研究    張義軍

正庚烷、異辛烷熱解和預(yù)混火焰的實(shí)驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模型研究    袁濤

芳烴燃料低壓預(yù)混火焰的實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)模型研究    李玉陽(yáng)

幾種C_3含氧化合物的真空紫外光電離及燃燒研究    衛(wèi)立夏