乙烯火焰反應(yīng)動力學(xué)簡化模型及煙黑生成模擬研究.pdf

1、現(xiàn)代社會約88％的能源由化石燃料的燃燒所產(chǎn)生，燃料的燃燒也引起了大氣污染和能源危機(jī)等社會問題及環(huán)境問題。乙烯是化石燃料的一種重要成分，也是高階碳?xì)淙剂细邷胤纸膺^程中產(chǎn)生的一種中間產(chǎn)物，研究其燃燒化學(xué)動力學(xué)對理解更高階的碳?xì)淙剂细邷胤纸膺^程有幫助。另一方面，乙烯較之于其它低碳碳?xì)淙剂细桩a(chǎn)生煙黑這一重要的污染物。因此本文選用乙烯的氧化作為研究煙黑生成的平臺。煙黑是化石燃料燃燒排放的主要顆粒物，其排放不但會降低燃料發(fā)熱利用率，也會對人體會造

2、成極大的危害。然而，相對單一的動力學(xué)模擬研究，煙黑在實際形成過程中涉及到熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳質(zhì)傳熱及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等輸運(yùn)的知識，是耦合質(zhì)量能量交換的復(fù)雜物理化學(xué)過程，對煙黑詳細(xì)形成過程的理解和有效模擬有待進(jìn)一步研究。為此，本文基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模擬研究，嘗試簡化既定系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而發(fā)展化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與計算流體力學(xué)（CFD）、輻射傳熱及煙黑模型的耦合模擬研究。
　　 本文系統(tǒng)地綜述了煙黑形成國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述煙黑生成

3、機(jī)理的模型研究。詳細(xì)介紹了碳?xì)淙剂匣瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的簡化方法，重點(diǎn)闡述了當(dāng)前較成熟的乙烯氧化反應(yīng)機(jī)理類型。在此基礎(chǔ)上，本文對乙烯氧化過程中煙黑及中間體前驅(qū)物的生成行為進(jìn)行了較系統(tǒng)的模擬研究。
　　 本文首先基于動力學(xué)模擬軟件CHEMKIN-PRO及高級功能（API），采用兩種反應(yīng)機(jī)理對低壓和富燃條件下，一維預(yù)混的C2H4/O2/Ar火焰中煙黑前驅(qū)物的生成特征進(jìn)行了模擬分析和驗證。結(jié)果表明，對單環(huán)芳烴苯及大分子多環(huán)芳烴（PAH）

4、中間體的預(yù)測，本文選用的兩種機(jī)理優(yōu)劣不明顯。此外，對前人實驗系統(tǒng)用1個全混反應(yīng)器（PSR）和2個柱塞流反應(yīng)器（PFR）的組合反應(yīng)器來建模和模擬研究。模擬工作中，首先采用經(jīng)典的乙烯燃燒化學(xué)動力學(xué)模型（Wang-Frenklach[53]氣相機(jī)理模型）對大氣壓下、富燃的C2H4/O2/N2火焰中，芘及以下小分子中間體的形成進(jìn)行了模擬和驗證。在綜合考慮模擬和實驗誤差的基礎(chǔ)上，通過比較模擬和實驗結(jié)果改進(jìn)了本文選用的氣相模型，在原模型基礎(chǔ)上添加了

5、小分子PAH-PAH的縮合反應(yīng)，與脫氫-C2H2-加成（HACA）生長路徑共同來描述苯到大分子PAHs的生長機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)而采用改進(jìn)后的氣相模型耦合表面化學(xué)的方法，應(yīng)用粒子跟蹤特征程序來預(yù)測煙黑的轉(zhuǎn)化行為特征。通過比較預(yù)測與實驗結(jié)果表明，本文的建模合理，改進(jìn)的模型（HACA+PAH-PAH縮合生長機(jī)理）能夠有效的預(yù)測煙黑前驅(qū)物及體積濃度分布。煙黑前驅(qū)物從苯生長到大分子PAH的過程是HACA與PAH-PAH縮合兩個生長機(jī)理共同作

6、用的結(jié)果。
　　 基于詳細(xì)的化學(xué)機(jī)理模擬多維燃燒時，由于反應(yīng)過程包括成千上萬的組分和基元反應(yīng)而使計算無能為力。為了發(fā)展計算燃燒學(xué)，有必要對詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡化。為此，本文基于GRI-Mech 3.0，在常壓、化學(xué)計量比條件下的一維預(yù)混火焰中，采用敏感性分析、反應(yīng)路徑分析（RPA）結(jié)合準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)（QSSA）和計算機(jī)幫助簡化機(jī)理（CARM）程序包，發(fā)展了一個19組分20步的簡化動力學(xué)模型。進(jìn)而分別在PSR反應(yīng)器中分析測試和在一

7、維預(yù)混火焰中驗證。結(jié)果表明，簡化的模型能夠在一個較大當(dāng)量比范圍內(nèi)（0.01~2.5）合理的預(yù)測乙烯在空氣中燃燒的各特征量。
　　 在對二維擴(kuò)散火焰的研究中，本文模擬研究了同向C2H4/O2/N2擴(kuò)散火焰的溫度和煙黑體積濃度分布。數(shù)值模擬工作采用簡化的氣相化學(xué)模型和一個2-D火焰源代碼通過CHEMKIN II耦合復(fù)雜的熱傳輸特性，一個簡單的二方程煙黑模型用來預(yù)測煙黑生成。基于上述模擬計算與原程序包（GRI-Mech3.0的耦合）的

8、計算時間進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在同等的計算精度下，簡化的模型與2-D火焰源代碼耦合后相比原程序包可節(jié)省52.5％的計算時間，這為與多維燃燒的耦合計算提供了思路。此外，輻射圖像處理技術(shù)和解耦的重建方法同時用來測量與模擬同等條件下火焰的溫度和煙黑的體積濃度，通過比較預(yù)測結(jié)果和測量結(jié)果表明，兩者吻合良好。
　　 作為簡化模型與燃燒耦合的應(yīng)用，本文采用該簡化模型耦合上述的2-D火焰源代碼，探索了伴流空氣流速和微重力對火焰結(jié)構(gòu)及煙黑生成特

9、性的影響。結(jié)果表明，在正常重力情況下，隨伴流氣體速度的減小，火焰的外形結(jié)構(gòu)變化不大，而煙黑的總生成量逐漸增加。隨重力加速度從1g減小到0g，火焰外形結(jié)構(gòu)由細(xì)長形變?yōu)槲A形且徑向變寬；比較1g和0g工況下的預(yù)測結(jié)果表明，混合流場最大值驟減；火焰最高溫度略微減小，高溫區(qū)變短；煙黑體積濃度劇增，可見火焰高度略微增加；CO和一些未提供組分的濃度分布沿徑向變寬。在1g和0.5g工況下擴(kuò)散火焰由浮力控制，在0g時火焰由徑向動量控制；溫度和煙黑的體積