热解气氛下若干关键芳烃生成的燃料协同效应研究

发布时间：2017-12-26 03:21

本文关键词：热解气氛下若干关键芳烃生成的燃料协同效应研究　出处：《中国科学技术大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：碳烟作为燃烧产生的主要污染物之一,是城市雾霾问题的主要诱因之一,并对人类健康有着严重的危害。在碳烟复杂的生成机理中,芳烃的气相生成机理被认为是控制子机理。由于实际运输燃料是由大量组分组成的混合物,因此其燃烧中的碳烟生成过程,特别是关键芳烃的生成,受到燃料组分之间相互作用的显著影响。其中,协同效应是促进多环芳烃(PAH)和碳烟等污染物生成的重要燃料组分相互作用,也体现了关键芳烃前驱体生成路径的多样性。协同效应通常包括非芳烃燃料组分和芳烃组分的协同效应以及非芳烃组分之间的协同效应。针对这两种协同效应,本文对乙烯掺混苯、甲苯和乙基苯同向射流扩散火焰中PAH生成的协同效应进行了实验研究,并对1,3-丁二烯掺混丙炔流动反应器热解中关键芳烃生成的协同效应了进行了动力学模型研究。同向射流扩散火焰是扩散火焰的主要类型之一,由于火焰面形成于燃料和空气的流动方向上,因此在火焰内部(即燃料端)燃料的消耗以热解形式为主,能够生成大量芳烃和碳烟,是研究碳烟生成机理的重要体系。自由基对于芳烃的生成和生长具着重要的作用,对其在同向射流扩散火焰中的定量探测将对于芳烃生成机理的发展有着积极的促进作用。本文中新设计并搭建了一台同向射流扩散火焰实验装置,结合石英喷嘴超声分子束取样和同步辐射真空紫外光电离质谱方法对火焰轴线上的物种进行在线取样探测。利用该实验平台对乙烯分别掺混10%和15%碳流量的苯、甲苯和乙基苯混合燃料进行了同向射流扩散火焰实验研究,探测到了甲基、炔丙基、环戊二烯基、苄基和茚基等多种自由基,得到了多种稳定产物和活泼中间产物摩尔分数沿火焰轴线分布曲线。结果表明,随着烷基支链的增长,火焰中PAH生成量也随之增大,乙烯掺混甲苯和乙基苯火焰体现出了较乙烯掺混苯火焰更强的协同效应。这是因为苯掺混火焰中则主要生成苯基,甲苯与乙基苯掺混火焰则能够生成大量的苄基。因此,在苯掺混火焰中HACA路径是PAH生成的主要路径,而苄基在甲苯及乙基苯掺混火焰的PAH生成中发挥重要贡献,导致这两种火焰中PAH生成量远大于苯掺混火焰,并引发了更强的协同效应。此外,甲苯分解过程中也会生成大量苯基,苯基和苄基的协同作用令甲苯掺混火焰中芴的生成量更高。为了研究1,3-丁二烯掺混丙炔热解中关键芳烃生成的协同效应,本文中发展了 1,3-丁二烯掺混丙炔的详细热解反应动力学模型,包括新构建的燃料分解子机理和芳烃生成子机理,并验证了前人1,3-丁二烯和丙炔的单组分和掺混热解实验。模型可以很好地预测前人实验结果,特别是1,3-丁二烯和丙炔在多种芳烃生成过程中存在的协同效应。基于生成速率分析和敏感性分析,得到了燃料分解和芳烃生成的关键路径,并揭示了其芳烃生成过程出现协同效应的动力学机制。分析结果表明,协同效应来自于1,3-丁二烯和丙炔之间的相互作用,1,3-丁二烯热解过程中易发生的链引发反应会提供丰富的自由基,使得丙炔通过氢原子提取反应生成炔丙基,而炔丙基在芳烃生成过程中扮演着重要的作用。此外,在1,3-丁二烯掺混丙炔热解体系中同时包含了较高浓度的C3和C4前驱体,促进了甲苯和萘等关键芳烃产物的生成。
【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】：TQ511;X701

【参考文献】