碳氢气体燃料燃烧过程中PAHs生成化学动力学模拟研究

论文摘要

近年来,在不断提高化石燃料利用效率的同时,随着环保要求的不断提高,燃烧过程中有机污染物的排放越来越引起人们的重视,因此,在开发洁净燃烧设备的同时,通过对燃烧过程中化学反应动力学更深刻的认识来控制污染物的排放就显得尤为重要。碳氢燃料燃烧过程中多环芳烃（PAHs）形成、生长和氧化的详细反应动力学研究一直是燃烧界的研究热点。本文通过对PAHs生成机理模型的更新,对C2-C4等碳氢燃料的层流预混火焰进行详细化学动力学模拟,并将计算结果与试验值进行比较,同时运用敏感性分析等方法,探寻燃烧过程中控制PAHs生成的关键因素,获取一般碳氢燃料PAHs生成的基本规律和途径,为燃烧过程中PAHs的生成控制奠定理论基础。对于甲烷层流预混火焰,相同燃烧温度和压力、不同燃烧当量比（Φ=2.0、2.2、2.4、2.6）工况下,脂肪烃、芳香烃和PAHs生成浓度对当量比的依赖程度不同,PAHs比简单芳香烃和脂肪烃对Φ的依赖性大,C2H2对当量比的敏感度最低,Φ<2.4时,随着当量比的增大,碳黑粒子与PAHs的生成量都呈现上升趋势。对于乙烷层流预混火焰,相同C/O比和燃烧温度、不同压力（P=0.8 bar.1.0 bar和1.2 bar）工况下,随着反应压力的提高,各种PAHs生成量都有一定增加,但没有影响总体生成趋势。运用敏感性分析,得到丙烷燃烧简化机理N（包含30种化学组分和42个基元反应）,与Konnov的详细机理计算精度非常接近,可用于实际工程中大气压下丙烷火焰的燃烧研究,既可以得到合理准确的预测结果,又可以减少计算时间。计算了丁烷火焰中PAHs的生成,结果表明,丙炔基的化合反应在PAHs的形成过程中起主要作用,论证了PAHs长大的“脱氢加乙炔（HACA）”反应机理的正确性。对于乙烯添加乙醇层流预混火焰,合成机理M很好地预报了PAHs浓度随质量分数（α）变化的生成趋势,添加乙醇对PAHs的形成过程和排放都有重要影响,随着系数α的增大,各种PAHs生成量都有所减少,但对其生成趋势没有影响。对于乙炔层流预混火焰,通过计算影响A1、A2、和A3等组分生成和消耗最主要反应的净产率（ROP）,发现ROP变化最大的地方集中在火焰出口0.5～1.0 cm范围内,2H2CCCH=A1是苯生成的最主要反应,P2-1+C2H2=A3+H则是菲生成的主导反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 本文主要研究内容及意义
• 1.3 本文研究方法
• 1.4 本章小结
• 2 碳氢燃料燃烧生成PAHs研究进展
• 2.1 PAHs来源与解析
• 2.2 PAHs理化特性及其危害
• 2.3 PAHs测试分析方法
• 2.4 燃烧过程中PAHs生成机理研究概述
• 2.5 本章小结
• 3 化学动力学计算模型
• 3.1 数学物理模型
• 3.2 计算方法与收敛
• 3.3 敏感性分析方法
• 4 烷烃层流预混火焰PAHs生成动力学模拟
• 4.1 甲烷层流预混火焰PAHs生成动力学模拟
• 4.1.1 燃烧工况及反应机理
• 4.1.2 计算方法
• 4.1.3 计算结果与分析
• 4.1.4 结论
• 4.2 乙烷层流预混火焰PAHs生成动力学模拟
• 4.2.1 乙烷气相化学机理
• 4.2.2 燃烧工况与边界条件
• 4.2.3 计算结果与分析
• 4.2.4 结论
• 4.3 丙烷层流预混火焰PAHs生成动力学模拟
• 4.3.1 丙烷热分解
• 4.3.2 敏感性分析
• 4.3.3 结果分析与分析
• 4.3.4 结论
• 4.4 正丁烷层流预混火焰PAHs生成动力学模拟
• 4.4.1 正丁烷燃烧过程中PAHs生长机理
• 4.4.2 燃烧工况与参数设置
• 4.4.3 计算结果与分析
• 4.4.4 结论
• 4.5 本章小结
• 5 乙烯层流预混火焰PAHs生成动力学模拟
• 5.1 机理模型
• 5.2 燃烧工况与参数设置
• 5.3 计算结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 乙炔层流预混火焰PAHs生成动力学模拟
• 6.1 燃烧工况与机理模型
• 6.2 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历及在学期间发表的学术论文与研究成果