生物柴油燃烧过程化学动力学机理研究

摘要

生物柴油具有含氧10％~15%、动力性和经济性好、可再生性等优点，柴油机燃用生物柴油，大大降低了柴油机排放，特别是碳烟的排放，可以很好的缓解日益严重的能源危机和环境危机。“均质压燃、低温燃烧”本质上是湍流混合与化学动力学耦合作用的有限反应速率的化学动力学理论。深入研究生物柴油燃烧化学动力学对于发展这一新技术具有重大推进作用。
　　本文首先构建了生物柴油替代物化学动力学模型，利用CHEMKIN PRO射流反应器模型对生物柴油替代物高低温反应动力学进行研究。替代物脂肪酸甲酯低温阶段主要通过OH自由基脱氢生成烷酯基，烷酯基发生一次加氧、异构化、二次加氧、分解生成OH活性基和含氧组分的低温链分支反应。构建了主要组分高低温反应路径图，从键能、环张力和反应势垒等角度分析了甲酯基及C=C对生物柴油燃烧氧化特性的影响，分析了脂肪酸甲酯氧原子迁移历程。
　　利用均质密闭反应器模型对生物柴油着火延迟进行计算，分析了初始温度、压力、当量比以及C=C对生物柴油滞燃特性影响的反应动力学机理。脂肪酸甲酯组分长达18~20个碳原子的直碳链结构及含氧甲酯基特殊结构使得生物柴油十六烷值要比石化柴油高，反应系统OH活性组分浓度峰值提前出现致使着火提前。C=C的存在影响了邻近碳原子处的C-H及C-O2键离解能，进而影响其脱氢反应、一次加氧有效性及低温链分支反应，而且 C=C数量越多以及C=C位置越靠近脂肪族碳链中心位置对低温活性的抑制作用越大，滞燃期越长。
　　最后构建了生物柴油多环芳香烃PAHs生成与氧化动力学模型，利用反射激波管模型对混合燃料 PAHs生成进行模拟。随着生物柴油体积分数的增加，燃烧过程O、OH自由基峰值浓度增大，促使更多的C2H2、C3H3被氧化形成稳定的CO2。另外，甲酯基中非羰基与羰基氧使更多的碳原子在低温阶段转化为稳定的CO2，导致了C2H2、C3H3生成量减小，抑制了第一个苯环以及PAHs的形成。而 C=C使生物柴油低温燃烧过程小分子不饱和组分生成量增加，促进C2H2、C3H3的生成，导致PAHs的生成量增加。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 生物柴油替代物燃烧反应机理

1.3 碳烟前驱物多环芳香烃生成机理

1.4 课题研究内容与方法

第2章 计算软件与化学动力学基础

2.1 CHEMKIN PRO软件

2.2 化学反应动力学基础

2.3 本章小结

第3章 生物柴油燃烧过程化学动力学分析

3.1 生物柴油化学动力学模型的构建

3.2 生物柴油替代组分燃烧反应路径分析

3.3 本章小结

第4章 生物柴油滞燃特性化学动力学分析

4.1 滞燃期的定义与计算方法

4.2 生物柴油滞燃特性化学动力学分析

4.3 本章小结

第5章 生物柴油抑制多环芳香烃生成的机理分析

5.1 PAHs生成与氧化动力学模型的构建

5.2 化学动力学机理模型的验证

5.3 生物柴油抑制PAHs生成的机理分析

5.4 本章小结

第6章 全文总结与工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果