兩種典型同分異構體結構碳氫和生物燃料的燃燒反應動力學研究.pdf

1、當前人類社會的發(fā)展高度依賴于能源，在可預見的未來，由碳氫燃料組成的傳統(tǒng)的化石燃料仍是全球經(jīng)濟增長的主要推動力。丁烷作為最小的具有同分異構體結構的烷烴碳氫燃料（正丁烷和異丁烷），不僅是液化石油氣的關鍵組分，而且被廣泛用作汽油、煤油和柴油中長鏈烷烴組分的模型燃料，更是研究烷烴燃料同分異構體效應的重點燃料之一。另一方面，化石燃料的有限儲量及其燃燒產(chǎn)生的污染問題也對能源安全和環(huán)境保護提出了重大挑戰(zhàn)，因此具有可再生和低污染排放等特點的生物燃料已開

2、始全面應用于交通運輸領域。醇類燃料作為目前發(fā)展相對成熟的生物燃料，因其廣泛的制備方法和優(yōu)良的燃燒性能受到廣泛關注與研究。丙醇（正丙醇和異丙醇）是連接小分子醇類（甲醇、乙醇）和高級醇類（如丁醇、戊醇）的橋梁，也是最小的具有同分異構體結構的醇類燃料。
　　本論文針對上述兩種典型的具有同分異構體結構的碳氫和醇類燃料開展了深入的燃燒反應動力學實驗及動力學模型研究，旨在探究同分異構體結構對其燃燒過程的影響及內(nèi)在作用機制。此外，這些燃料均是C

3、0-C4小分子核心機理的重要組成部分，對其動力學模型的發(fā)展、驗證和優(yōu)化有助于提高小分子核心機理的準確性。
　　在實驗方面，利用同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜技術結合變壓力流動反應器熱解實驗平臺對丁烷異構體和丙醇異構體開展了熱解實驗研究。其中，丁烷異構體熱解實驗的溫度范圍為700-1500 K，壓力選取了30、150和760Torr，用于研究燃料單分子解離反應的壓力依賴效應;而丙醇異構體的壓力固定在10Torr，這是考慮到醇類熱解過程中

4、會生成大量自由基、烯醇等活潑產(chǎn)物，而低壓條件能夠確保對這些產(chǎn)物的探測，實驗的溫度范圍為1000-1400 K。另一方面，對丁烷異構體開展了層流火焰?zhèn)鞑ニ俾蕼y量實驗，其未燃氣溫度為298K，選取了1、2、5和10atm四個壓力，用于研究丁烷異構體在火焰條件下的壓力依賴效應。實驗依托于上海交通大學的單腔體定容燃燒彈和普林斯頓大學的雙腔體定壓燃燒彈兩套實驗平臺，實驗數(shù)據(jù)表明兩套裝置的結果具有很好的一致性。
　　在上述實驗研究基礎上，發(fā)展

5、了丁烷異構體和丙醇異構體的燃燒反應動力學模型，并利用本論文實驗結果對模型進行了驗證，結果顯示本模型能夠很好地對實驗結果進行預測。借助于生成速率分析和敏感性分析，對這些燃料的主要分解路徑和產(chǎn)物的主要生成路徑進行了深入分析。在丁烷異構體熱解中，支鏈烷烴的C-C鍵解離能低于直鏈烷烴，因此在相同條件下，異丁烷更易于發(fā)生分解，其初始分解溫度更低。在層流火焰?zhèn)鞑ニ俾蕦嶒炛?，具有顯著壓力依賴效應的甲基復合反應在異丁烷火焰中的敏感性比在正丁烷火焰中更高

6、，因而異丁烷反應體系對壓力的依賴性也要高于正丁烷體系。乙烯和丙烯分別是正、異丁烷燃燒的主要產(chǎn)物，二者生成的自由基，即乙烯基和烯丙基的存在解釋了正構烷烴擁有更高的火焰?zhèn)鞑ニ俾实脑颍撘?guī)律可推廣至更長碳鏈的烷烴體系。在丙醇異構體熱解實驗中，同樣存在支鏈醇類分解溫度較低的現(xiàn)象。這主要受到醇類特有的脫水反應的影響。就異丙醇而言，其脫水反應的能壘較低，對異丙醇的消耗敏感性最高，而且也是碳氫產(chǎn)物的主要來源。異丙醇的α-C-C斷鍵反應也具有很高的敏