添加氢气对异辛烷燃烧的化学作用机理研究
罗旻烨,刘 冬
【摘 要】为了辨析氢气(H2)的化学作用对异辛烷(iC8H18)燃烧主要产物和中间产物的影响,该文对添加氢气的异辛烷层流预混火焰进行化学反应动力学分析。结果表明,随着H2添加量的增大,一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和甲醛(CH2O)等主要产物,H、O、OH自由基以及甲醛中间产物的摩尔分数减少。H2的化学作用促进上述产物的生成,而H2的热作用和稀释作用使这些产物的浓度降低并占主导地位。H2的化学作用对乙炔(C2H2)的抑制作用随着H2添加量的增大呈非线性变化。
【期刊名称】南京理工大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2016(040)005 【总页数】7
【关键词】异辛烷;氢气;化学作用;动力学分析
为了解决化石燃料燃烧带来的环境问题,人们对汽油等燃料的燃烧特性[1]和火焰传播[2]等基础燃烧特性进行了充分研究。异辛烷(iC8H18)作为一种典型的支链烷烃,常与正庚烷一起作为汽油的替代物。有些学者利用实际燃烧器研究了异辛烷的宏观燃烧性质[3-5]。Dagaut等[3]应用射流搅拌器研究了异辛烷的氧化过程。Davidson等[4]利用激波管研究了异辛烷热解反应过程中甲基浓度随时间变化的规律。姚春德等[5]利用同步辐射光电离质谱技术分析了异辛烷/正庚烷低压预混层流火焰中的产物。为了能够准确地模拟异辛烷的燃烧过程,2002年Curran[6]等给出了异辛烷详细的动力学模型;在2009年,Mehl等[7]对Curran的模型进行了补充和完善。
氢气(H2)作为一种清洁燃料,具有火焰传播速度快、可燃极限宽、热值高、密度小的优点。同时由于不含碳元素,其燃烧几乎不产生污染物,是理想的替代燃料[8]。因此,很多研究提出了碳氢物质加氢的燃烧方式,向碳氢燃料中添加氢气来降低污染物排放,提高燃烧的稳定性,扩展燃料的可燃极限,提高燃烧效率[9-11]。Liu[9]研究了H2对低压二甲醚(DME)火焰的化学作用影响,发现随着H2添加比例的增加,H2的化学作用会抑制乙炔(C2H2)的生成,同时H、O和OH自由基的摩尔分数会增加。Li等[10]模拟研究了不同当量比下氢气添加量对异辛烷层流预混火焰的影响,发现氢气的添加增强了火焰传播速度并降低了异辛烷的最低点火能。Mandilas等[11]分别对层流和湍流条件下添加氢气对异辛烷火焰特性的影响进行了研究,发现湍流和贫燃条件下,掺混氢气使火焰燃烧速度大幅增加。 本文研究了不同的氢气添加量对异辛烷(iC8H18)/氧气(O2)层流预混火焰特性和燃烧污染物的影响。辨别氢气的化学作用、热作用和稀释作用对异辛烷/氧气的火焰特性和燃烧产物的影响。
1 反应机理和分析方法
模拟研究采用Chao等[12]发展的模拟高温条件下标准参考燃料(Primary reference fuel,PRF)氧化燃烧的化学反应动力学机理,它适用于正庚烷、异辛烷以及它们的混合物的氧化和热解模拟。机理中包含了详细的H2/O2子机理[13]和C1-C4子机理[14]。该机理已经被大量可靠的基础燃烧数据的结果所验证,如激波管的点火延迟[15]、平面预混火焰的燃烧速度[16]、射流搅拌反应器(Jet stirred reactor,JSR)热解[17]。详细机理包含116种反应组分和754个基元反应。
本文采用修改后的CHEMKIN/PREMIX模块[18]对iC8H18/H2一维层流预混
火焰进行模拟。燃烧当量比为1.2,初始温度为300 K,压力为一个大气压,具体火焰条件见表1。
表1中R表示H2与iC8H18/H2混合物的摩尔分数之比。计算范围设置为-2～10 cm。经过验证该计算区域足够长,边界能够达到绝热平衡状态。为了区分出添加物H2的化学作用、稀释作用和热作用[19]对iC8H18燃烧的影响,这里采用Liu等[9,20]提出的方法:将H2设为正常H2和虚拟H2(记作F-H2),正常H2可以参与所有相关的化学反应,虚拟H2具有与正常H2相同的热力学性质、输运特性和第三体碰撞效率,但它不参与化学反应。同时,为了保证各种火焰工况的当量比不变,在这个过程中,需要按照当量比将与添加物H2所对应的O2设置为虚拟O2(记作F-O2),相应地,虚拟O2与正常O2具有相同的热力学性质、输运特性和第三体碰撞效率,但虚拟O2不参与化学反应。
2 结果和分析
2.1 主要产物分析
图1(a)给出了不同H2添加量下反应物iC8H18的摩尔分数曲线。从图1(a)可以看出,由于掺混H2后燃料组分发生变化,iC8H18作为燃料反应物,它的初始摩尔分数随H2添加量的增加而减少。随着反应距离的增大,iC8H18的摩尔分数迅速减小。不添加H2时,iC8H18约在0.43 mm左右消耗完;当H2摩尔分数为10%时,发现iC8H18的摩尔分数曲线向反应上游移动;但随着H2添加量的继续增加,iC8H18的摩尔分数曲线向反应下游移动。当F-H2添加量增大时,iC8H18的摩尔分数曲线向反应下游偏移。添加10%H2时,由于 H2的热作用和稀释作用引起的温度降低并不明显,H2的化学作用对iC8H18的影响(10%H2和10%F-H2曲线之间的差距)大于H2的热作用和稀释作用对iC8H18的影响
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