两种典型同分异构体结构碳氢和生物燃料的燃烧反应动力学研究

发布时间：2017-12-06 01:02

  本文关键词：两种典型同分异构体结构碳氢和生物燃料的燃烧反应动力学研究

  更多相关文章： 碳氢燃料 生物燃料 丁烷异构体 丙醇异构体 流动反应器热解 层流火焰传播速率 燃烧反应动力学模型 压力依赖 同分异构体效应

【摘要】：当前人类社会的发展高度依赖于能源,在可预见的未来,由碳氢燃料组成的传统的化石燃料仍是全球经济增长的主要推动力。丁烷作为最小的具有同分异构体结构的烷烃碳氢燃料(正丁烷和异丁烷),不仅是液化石油气的关键组分,而且被广泛用作汽油、煤油和柴油中长链烷烃组分的模型燃料,更是研究烷烃燃料同分异构体效应的重点燃料之一。另一方面,化石燃料的有限储量及其燃烧产生的污染问题也对能源安全和环境保护提出了重大挑战,因此具有可再生和低污染排放等特点的生物燃料已开始全面应用于交通运输领域。醇类燃料作为目前发展相对成熟的生物燃料,因其广泛的制备方法和优良的燃烧性能受到广泛关注与研究。丙醇(正丙醇和异丙醇)是连接小分子醇类(甲醇、乙醇)和高级醇类(如丁醇、戊醇)的桥梁,也是最小的具有同分异构体结构的醇类燃料。本论文针对上述两种典型的具有同分异构体结构的碳氢和醇类燃料开展了深入的燃烧反应动力学实验及动力学模型研究,旨在探究同分异构体结构对其燃烧过程的影响及内在作用机制。此外,这些燃料均是C0-C4小分子核心机理的重要组成部分,对其动力学模型的发展、验证和优化有助于提高小分子核心机理的准确性。在实验方面,利用同步辐射真空紫外光电离质谱技术结合变压力流动反应器热解实验平台对丁烷异构体和丙醇异构体开展了热解实验研究。其中,丁烷异构体热解实验的温度范围为700-1500 K,压力选取了 30、150和760 Torr,用于研究燃料单分子解离反应的压力依赖效应;而丙醇异构体的压力固定在10 Torr,这是考虑到醇类热解过程中会生成大量自由基、烯醇等活泼产物,而低压条件能够确保对这些产物的探测,实验的温度范围为1000-1400 K。另一方面,对丁烷异构体开展了层流火焰传播速率测量实验,其未燃气温度为298 K,选取了 1、2、5和10 atm四个压力,用于研究丁烷异构体在火焰条件下的压力依赖效应。实验依托于上海交通大学的单腔体定容燃烧弹和普林斯顿大学的双腔体定压燃烧弹两套实验平台,实验数据表明两套装置的结果具有很好的一致性。在上述实验研究基础上,发展了丁烷异构体和丙醇异构体的燃烧反应动力学模型,并利用本论文实验结果对模型进行了验证,结果显示本模型能够很好地对实验结果进行预测。借助于生成速率分析和敏感性分析,对这些燃料的主要分解路径和产物的主要生成路径进行了深入分析。在丁烷异构体热解中,支链烷烃的C-C键解离能低于直链烷烃,因此在相同条件下,异丁烷更易于发生分解,其初始分解温度更低。在层流火焰传播速率实验中,具有显著压力依赖效应的甲基复合反应在异丁烷火焰中的敏感性比在正丁烷火焰中更高,因而异丁烷反应体系对压力的依赖性也要高于正丁烷体系。乙烯和丙烯分别是正、异丁烷燃烧的主要产物,二者生成的自由基,即乙烯基和烯丙基的存在解释了正构烷烃拥有更高的火焰传播速率的原因,该规律可推广至更长碳链的烷烃体系。在丙醇异构体热解实验中,同样存在支链醇类分解温度较低的现象。这主要受到醇类特有的脱水反应的影响。就异丙醇而言,其脱水反应的能垒较低,对异丙醇的消耗敏感性最高,而且也是碳氢产物的主要来源。异丙醇的α-C-C断键反应也具有很高的敏感性,是其热解反应体系中自由基的主要来源。其氢提取反应则是另一类重要的燃料初始分解反应,同时控制着大多数含氧产物的生成。与异丙醇不同,在相同实验工况下,氢提取反应对正丙醇消耗的贡献要高于单分子解离反应。此外,对于丁烷异构体,本论文还利用文献中其他类型的实验数据对模型进行了广泛的验证,将模型适用范围拓宽至更宽广的实验工况,可以确保基于本模型发展的大分子燃料模型能够满足发动机宽广燃烧工况范围的应用需求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ517

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本文编号：1256786