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作者：

张鹏

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摘要：

面对日益突出的能源和环境问题,有两种具有现实意义的思路和方案被广泛认可:其一是对现代社会的能源结构进行调整,不断开发和使用新型可再生无污染的替代能源;其二是对当前的能源利用方式进行优化,对化石燃料的燃烧过程进行精确控制,从而提高能源转化效率,降低污染物排放。正庚烷作为长直链烷烃的代表,具有成熟的生产工艺,较高的能量密度,燃烧污染物排放较少可以作为一种新型的替代能源。但是,正庚烷作为一种液体燃料,燃烧过程比较复杂,燃烧不稳定,燃烧转化率较低,不完全燃烧产物排放较多。因此,在对正庚烷燃烧特性深入研究的基础上,本文提出可以使用甲烷和氢气作为辅助燃料来提高正庚烷的燃烧稳定性和燃烧转化效率。目前,对于正庚烷/甲烷和正庚烷/氢气混合燃料燃烧特性的研究主要集中在分析甲烷和氢气的加入对正庚烷点火延迟时间的影响上,对于正庚烷/空气、正庚烷/甲烷/空气和正庚烷/氢气/空气预混燃烧的火焰传播速度、火焰温度以及燃烧的反应动力学特性和燃烧机理的研究还很欠缺。本文的研究工作有利于深化对正庚烷预混燃烧过程和燃烧路径的认识,揭示甲烷和氢气的加入对正庚烷预混燃烧的影响特性和影响机制,为混合燃料的研究奠定实验和理论基础。本文获得的主要创新性成果如下:(1)研究得到了正庚烷预混燃烧的火焰特性,对正庚烷预混燃烧路径进行了简化,建立了正庚烷预混燃烧三段式模型,同时发现了C_2H_4是正庚烷燃烧过程的主要中间产物,对正庚烷的燃烧转化效率具有重要影响作用。正庚烷预混火焰呈淡蓝色,随着正庚烷当量比的增加,正庚烷不完全燃烧程度不断增加,不完全燃烧产物与环境中的空气形成扩散燃烧,不完全燃烧产物增加,火焰上部出现黄色火焰。正庚烷和氧气作为燃烧反应的初始反应物,在燃烧过程中只有消耗速率,没有生成速率,正庚烷只在初始阶段进行反应,然后被消耗完全,而氧气的消耗反应则贯穿整个燃烧过程。正庚烷的燃烧过程可分为三个阶段:首先,正庚烷与H和OH基团发生脱氢反应,生成C_7H_(15)的同分异构体;其次,正庚烷分解得到的大分子碳氢化合物中间产物发生裂解反应,通过一步或多步裂解生成C_2H_4;最后,则是C_2H_4与O和OH基团相结合发生氧化反应,最终生成CO_2和H_2O。在正庚烷燃烧过程中,C_7H_(16)的脱氢反应是整个反应的起始和重要步骤,与C_2H_4相关的裂解和氧化反应是整个反应的核心反应步骤。(2)在正庚烷预混燃烧过程中会生成CO和H_2作为燃烧中间产物,这两种产物再与OH基团结合,氧化生成最终燃烧产物CO_2和H_2O,研究发现这两种中间产物在氧化过程中存在相互竞争的关系,并且H_2在竞争中占据优势,揭示了不完全燃烧时燃烧产物中CO含量较高的原因。在正庚烷燃烧过程中,H_2的生成速率峰值和消耗速率峰值在火焰中的位置都要比CO相应峰值所处位置更靠近燃烧器出口,即在燃烧过程中正庚烷先分解生成H_2,然后才生成CO,在反应的燃尽阶段,H_2先与OH基团结合生成H_2O,然后CO才与OH基团结合生成CO_2,即在燃烧反应的最后阶段,CO和H_2相互竞争与OH基团结合,生成CO_2和H_2O,但是在竞争中CO处于劣势。因此,在氧气不足的情况下,燃烧产物中CO含量明显增大,而H_2含量很少,CO_2含量减少。(3)研究发现了甲烷的加入对正庚烷/甲烷/空气预混燃烧的火焰形态、火焰传播速度和温度、火焰中小分子基团和燃烧产物含量的影响作用,同时得到了甲烷对正庚烷预混燃烧的影响机制。正庚烷/甲烷预混火焰与正庚烷火焰形态类似,随着混合燃料中甲烷含量的增加,火焰温度降低,火焰中OH基团含量减少。混合燃料中甲烷含量较小时,甲烷的添加对燃烧火焰中间产物的含量几乎没有影响,而甲烷含量增加到50%时,混合燃料燃烧火焰中一部分中间产物含量和峰值所处位置出现明显变化,甲烷含量达到50%是一个临界含量。正庚烷/甲烷预混燃烧过程中,随着混合燃料中甲烷含量的增加,抑制了C_2H_4和CH_3结合生成稳定化合物CH_4的反应,使得更多的C_2H_4可以转化为其他不稳定的中间产物基团,促进了碳氢化合物的转化和分解。同时,混合燃料中甲烷含量的增加,有利于减少CH_3转化为CH_4,然后CH_4再转化为CH_3的反应过程,优化了反应路径,提高了混合燃料转化率。(4)研究揭示了氢气的加入对正庚烷/氢气预混燃烧的火焰形态、火焰传播速度和温度、火焰中小分子基团和燃烧产物的影响作用,同时得到了氢气对正庚烷预混燃烧的影响机制。正庚烷/氢气预混火焰与正庚烷火焰形态类似,随着混合燃料中氢气含量的增加,火焰底部OH基团含量减少,氢气含量超过25%时,在火焰内焰处会出现一个明黄色的小点,且随着氢气含量的增加,这一现象越明显。与正庚烷和正庚烷/甲烷燃烧时不同,当量比为0.8-1.2范围内,正庚烷/氢气火焰传播速度随着当量比的增加而增加,预混燃料中氢气含量达到50%时,依然没有达到预混火焰中氢气含量的峰值,在预混燃烧过程中仍然有一部分正庚烷通过燃烧或裂解反应生成部分氢气。在反应末段,随着预混燃料中氢气含量的增加,氢气氧化反应的反应速率不断提高,可以有效促进火焰顶部未完全燃烧产物的转化。氢气的加入对正庚烷反应路径几乎没有影响,氢气主要通过其在反应过程中可以生成大量的H和OH基团的特性来提高正庚烷的燃烧稳定性和转化效率。氢气的加入对正庚烷燃烧效率的促进作用比甲烷更好。

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关键词：

预混燃烧 正庚烷 甲烷 氢气 反应机理