兩種典型醇類燃料燃燒的實(shí)驗(yàn)和模型研究.pdf

1、能源是國民經(jīng)濟(jì)的動力和命脈?；剂系娜紵峁┝巳?5％和我國近90％的一次能源需求?，F(xiàn)如今化石燃料的急劇消耗不僅帶來了前所未有的能源危機(jī)，還釀成了環(huán)境污染的惡果，時刻威脅著環(huán)境安全和人類健康。生物醇類，可以用作汽油的添加劑或者替代燃料，一方面可以減緩人類對化石燃料的過分依賴，另一方面醇類燃料中的CO2排放和吸收構(gòu)成自然界碳循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。目前，國際上對生物醇類的研究涵蓋C1-C8的醇類。其中甲醇是最簡單的醇類，作為汽油添

2、加劑，可以有效增加燃料的辛烷值，提高抗爆性，進(jìn)而改善引擎表現(xiàn)，提高引擎效率。此外，甲醇還是研究其它醇類的模型燃料，因此，對甲醇燃料燃燒反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行深入研究具有重要意義。作為長鏈醇類的代表之一，2-甲基-1-丁醇（活性戊醇）是一種含有5個碳原子的醇類，相比分子量較小的甲醇，它表現(xiàn)出諸多明顯的優(yōu)勢，比如:能量密度大，具有較低蒸汽壓，疏水性強(qiáng)，可與碳?xì)浠衔锖芎没ト艿?，因?-甲基-1-丁醇非常適合作為運(yùn)輸燃料，是不久的將來能作為實(shí)際輸運(yùn)燃

3、料中添加劑或替代燃料的熱門生物燃料之一。
　　因此，本論文選擇短鏈的甲醇和長鏈的2-甲基-1-丁醇作為研究對象，深入分析醇類燃料熱解和燃燒的基本規(guī)律，一方面優(yōu)化甲醇燃燒模型，使其作為研究醇類燃燒的基本模型;另一方面，以2-甲基-1-丁醇為代表，探索大分子醇類燃料燃燒過程中燃料的分解規(guī)律。本文的研究內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)和模型研究兩大方面，對甲醇開展了火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量和層流預(yù)混火焰的診斷實(shí)驗(yàn)，兼顧宏觀燃燒參數(shù)和微觀反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)的采集。

4、甲醇的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量利用了本組的燃燒彈實(shí)驗(yàn)平臺，未燃預(yù)混燃?xì)鉁囟葹?23 K，實(shí)驗(yàn)測量的燃燒壓力條件為1-10atm。甲醇的層流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)借助本組最新研制出的層流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)平臺，并利用超聲分子束取樣結(jié)合同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜技術(shù)(SVUV-PIMS)展開，測量了甲醇燃燒過程中穩(wěn)定產(chǎn)物以及活潑中間體的濃度信息，實(shí)驗(yàn)壓力30Torr,當(dāng)量1.0。本工作對活性戊醇開展了變壓力的流動管熱解研究，重點(diǎn)測量其分解過程中初級產(chǎn)物的濃度信

5、息。2-甲基-1-丁醇的變壓力流動管熱解實(shí)驗(yàn)也使用了超聲分子束取樣結(jié)合同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜技術(shù)(SVUV-PIMS)，實(shí)驗(yàn)壓力條件30和760 Torr，溫度范圍在750-1400 K。此外，基于對前人實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算和模型研究數(shù)據(jù)的全面收集，本文構(gòu)建了甲醇的燃燒反應(yīng)動力學(xué)模型，并利用CHEMKIN-PRO軟件對文獻(xiàn)和本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)展并優(yōu)化了一個能夠在寬廣實(shí)驗(yàn)工況下預(yù)測良好的甲醇模型。同時，發(fā)展了2-甲基-1-丁醇的熱解

6、模型，并與本課題組之前研究的丁醇異構(gòu)體的熱解進(jìn)行詳細(xì)對比，探討了碳鏈增長和支鏈結(jié)構(gòu)對醇類燃料熱解的影響。具體研究成果如下：
　　首先，通過燃燒彈實(shí)驗(yàn)，測量了甲醇1-10 atm下，當(dāng)量比為0.7-2.1的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｍㄟ^分析高壓和極富燃條件下的反應(yīng)機(jī)制發(fā)現(xiàn)，HO2自由基是高壓和富燃條件下火焰?zhèn)鞑ミ^程中的主要自由基，與它相關(guān)的反應(yīng)在該條件下對甲醇火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊念A(yù)測非常敏感。本工作更新了氫氣機(jī)理中涉及HO2轉(zhuǎn)化的反應(yīng)速率常數(shù)，以及甲

7、醛和甲醇子機(jī)理中HO2的生成和消耗反應(yīng)速率，這些更新會對火焰?zhèn)鞑ンw系自由基池的預(yù)測帶來較大影響，同時大大改善了前人模型對高壓和富燃條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊念A(yù)測。
　　其次，利用SVUV-PIMS方法鑒別了前人無法區(qū)分的羥甲基自由基(CH2OH)和甲氧基自由基(CH3O)，并對羥甲基自由基CH2OH進(jìn)行定量測量?；贑H2OH的摩爾分?jǐn)?shù)信息，以及實(shí)驗(yàn)測得的其它C1產(chǎn)物進(jìn)行模型研究，發(fā)現(xiàn)前人過高估計(jì)了由羥甲基自由基生成甲醛的路徑，即CH2

8、OH+O2=CH2O+HO2的反應(yīng)速率在高溫下被高估。此外，通過本工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)前人的甲醇模型中C2物種來自甲基復(fù)合，效率很低，因此，本工作探討了羥甲基自由基CH2OH復(fù)合生成C2物種的路徑，這些反應(yīng)路徑的加入大大改善了模型對C2物種的預(yù)測情況。
　　最后，利用SVUV-PIMS方法，對2-甲基-1-丁醇的熱解中間體進(jìn)行全面探測，發(fā)展并驗(yàn)證了一個2-甲基-1-丁醇的熱解模型。通過對比丁醇異構(gòu)體熱解規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)2-甲基-