兩種典型醇類燃料燃燒的實驗和模型研究.pdf

1、能源是國民經(jīng)濟的動力和命脈?；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，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動力學進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，可與碳氫化合物很好互溶等，因此2-甲基-1-丁醇非常適合作為運輸燃料，是不久的將來能作為實際輸運燃

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)容主要包括實驗和模型研究兩大方面，對甲醇開展了火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量和層流預混火焰的診斷實驗，兼顧宏觀燃燒參數(shù)和微觀反應動力學數(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驗平臺，未燃預混燃氣溫度為423 K，實驗測量的燃燒壓力條件為1-10atm。甲醇的層流預混火焰實驗借助本組最新研制出的層流預混火焰實驗平臺，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，實驗壓力30Torr,當量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驗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)，實驗壓力條件30和760 Torr，溫度范圍在750-1400 K。此外，基于對前人實驗、理論計算和模型研究數(shù)據(jù)的全面收集，本文構(gòu)建了甲醇的燃燒反應動力學模型，并利用CHEMKIN-PRO軟件對文獻和本文實驗數(shù)據(jù)進行了驗證，發(fā)展并優(yōu)化了一個能夠在寬廣實驗工況下預測良好的甲醇模型。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)體的熱解進行詳細對比，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，通過燃燒彈實驗，測量了甲醇1-10 atm下，當量比為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機制發(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)的反應在該條件下對甲醇火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊念A測非常敏感。本工作更新了氫氣機理中涉及HO2轉(zhuǎn)化的反應速率常數(shù)，以及甲

7、醛和甲醇子機理中HO2的生成和消耗反應速率，這些更新會對火焰?zhèn)鞑ンw系自由基池的預測帶來較大影響，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進行定量測量。基于CH2OH的摩爾分數(shù)信息，以及實驗測得的其它C1產(chǎn)物進行模型研究，發(fā)現(xiàn)前人過高估計了由羥甲基自由基生成甲醛的路徑，即CH2

8、OH+O2=CH2O+HO2的反應速率在高溫下被高估。此外，通過本工作的實驗結(jié)果驗證，發(fā)現(xiàn)前人的甲醇模型中C2物種來自甲基復合，效率很低，因此，本工作探討了羥甲基自由基CH2OH復合生成C2物種的路徑，這些反應路徑的加入大大改善了模型對C2物種的預測情況。
　　最后，利用SVUV-PIMS方法，對2-甲基-1-丁醇的熱解中間體進行全面探測，發(fā)展并驗證了一個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-