乙烯火焰反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型及煙黑生成模擬研究.pdf

1、現(xiàn)代社會(huì)約88％的能源由化石燃料的燃燒所產(chǎn)生，燃料的燃燒也引起了大氣污染和能源危機(jī)等社會(huì)問(wèn)題及環(huán)境問(wèn)題。乙烯是化石燃料的一種重要成分，也是高階碳?xì)淙剂细邷胤纸膺^(guò)程中產(chǎn)生的一種中間產(chǎn)物，研究其燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)對(duì)理解更高階的碳?xì)淙剂细邷胤纸膺^(guò)程有幫助。另一方面，乙烯較之于其它低碳碳?xì)淙剂细桩a(chǎn)生煙黑這一重要的污染物。因此本文選用乙烯的氧化作為研究煙黑生成的平臺(tái)。煙黑是化石燃料燃燒排放的主要顆粒物，其排放不但會(huì)降低燃料發(fā)熱利用率，也會(huì)對(duì)人體會(huì)造

2、成極大的危害。然而，相對(duì)單一的動(dòng)力學(xué)模擬研究，煙黑在實(shí)際形成過(guò)程中涉及到熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳質(zhì)傳熱及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等輸運(yùn)的知識(shí)，是耦合質(zhì)量能量交換的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，對(duì)煙黑詳細(xì)形成過(guò)程的理解和有效模擬有待進(jìn)一步研究。為此，本文基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬研究，嘗試簡(jiǎn)化既定系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而發(fā)展化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、輻射傳熱及煙黑模型的耦合模擬研究。
　　 本文系統(tǒng)地綜述了煙黑形成國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述煙黑生成

3、機(jī)理的模型研究。詳細(xì)介紹了碳?xì)淙剂匣瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化方法，重點(diǎn)闡述了當(dāng)前較成熟的乙烯氧化反應(yīng)機(jī)理類(lèi)型。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)乙烯氧化過(guò)程中煙黑及中間體前驅(qū)物的生成行為進(jìn)行了較系統(tǒng)的模擬研究。
　　 本文首先基于動(dòng)力學(xué)模擬軟件CHEMKIN-PRO及高級(jí)功能（API），采用兩種反應(yīng)機(jī)理對(duì)低壓和富燃條件下，一維預(yù)混的C2H4/O2/Ar火焰中煙黑前驅(qū)物的生成特征進(jìn)行了模擬分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明，對(duì)單環(huán)芳烴苯及大分子多環(huán)芳烴（PAH）

4、中間體的預(yù)測(cè)，本文選用的兩種機(jī)理優(yōu)劣不明顯。此外，對(duì)前人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用1個(gè)全混反應(yīng)器（PSR）和2個(gè)柱塞流反應(yīng)器（PFR）的組合反應(yīng)器來(lái)建模和模擬研究。模擬工作中，首先采用經(jīng)典的乙烯燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型（Wang-Frenklach[53]氣相機(jī)理模型）對(duì)大氣壓下、富燃的C2H4/O2/N2火焰中，芘及以下小分子中間體的形成進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證。在綜合考慮模擬和實(shí)驗(yàn)誤差的基礎(chǔ)上，通過(guò)比較模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)了本文選用的氣相模型，在原模型基礎(chǔ)上添加了

5、小分子PAH-PAH的縮合反應(yīng)，與脫氫-C2H2-加成（HACA）生長(zhǎng)路徑共同來(lái)描述苯到大分子PAHs的生長(zhǎng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)而采用改進(jìn)后的氣相模型耦合表面化學(xué)的方法，應(yīng)用粒子跟蹤特征程序來(lái)預(yù)測(cè)煙黑的轉(zhuǎn)化行為特征。通過(guò)比較預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的建模合理，改進(jìn)的模型（HACA+PAH-PAH縮合生長(zhǎng)機(jī)理）能夠有效的預(yù)測(cè)煙黑前驅(qū)物及體積濃度分布。煙黑前驅(qū)物從苯生長(zhǎng)到大分子PAH的過(guò)程是HACA與PAH-PAH縮合兩個(gè)生長(zhǎng)機(jī)理共同作

6、用的結(jié)果。
　　 基于詳細(xì)的化學(xué)機(jī)理模擬多維燃燒時(shí)，由于反應(yīng)過(guò)程包括成千上萬(wàn)的組分和基元反應(yīng)而使計(jì)算無(wú)能為力。為了發(fā)展計(jì)算燃燒學(xué)，有必要對(duì)詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化。為此，本文基于GRI-Mech 3.0，在常壓、化學(xué)計(jì)量比條件下的一維預(yù)混火焰中，采用敏感性分析、反應(yīng)路徑分析（RPA）結(jié)合準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)（QSSA）和計(jì)算機(jī)幫助簡(jiǎn)化機(jī)理（CARM）程序包，發(fā)展了一個(gè)19組分20步的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型。進(jìn)而分別在PSR反應(yīng)器中分析測(cè)試和在一

7、維預(yù)混火焰中驗(yàn)證。結(jié)果表明，簡(jiǎn)化的模型能夠在一個(gè)較大當(dāng)量比范圍內(nèi)（0.01~2.5）合理的預(yù)測(cè)乙烯在空氣中燃燒的各特征量。
　　 在對(duì)二維擴(kuò)散火焰的研究中，本文模擬研究了同向C2H4/O2/N2擴(kuò)散火焰的溫度和煙黑體積濃度分布。數(shù)值模擬工作采用簡(jiǎn)化的氣相化學(xué)模型和一個(gè)2-D火焰源代碼通過(guò)CHEMKIN II耦合復(fù)雜的熱傳輸特性，一個(gè)簡(jiǎn)單的二方程煙黑模型用來(lái)預(yù)測(cè)煙黑生成。基于上述模擬計(jì)算與原程序包（GRI-Mech3.0的耦合）的

8、計(jì)算時(shí)間進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在同等的計(jì)算精度下，簡(jiǎn)化的模型與2-D火焰源代碼耦合后相比原程序包可節(jié)省52.5％的計(jì)算時(shí)間，這為與多維燃燒的耦合計(jì)算提供了思路。此外，輻射圖像處理技術(shù)和解耦的重建方法同時(shí)用來(lái)測(cè)量與模擬同等條件下火焰的溫度和煙黑的體積濃度，通過(guò)比較預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)量結(jié)果表明，兩者吻合良好。
　　 作為簡(jiǎn)化模型與燃燒耦合的應(yīng)用，本文采用該簡(jiǎn)化模型耦合上述的2-D火焰源代碼，探索了伴流空氣流速和微重力對(duì)火焰結(jié)構(gòu)及煙黑生成特

9、性的影響。結(jié)果表明，在正常重力情況下，隨伴流氣體速度的減小，火焰的外形結(jié)構(gòu)變化不大，而煙黑的總生成量逐漸增加。隨重力加速度從1g減小到0g，火焰外形結(jié)構(gòu)由細(xì)長(zhǎng)形變?yōu)槲A形且徑向變寬；比較1g和0g工況下的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，混合流場(chǎng)最大值驟減；火焰最高溫度略微減小，高溫區(qū)變短；煙黑體積濃度劇增，可見(jiàn)火焰高度略微增加；CO和一些未提供組分的濃度分布沿徑向變寬。在1g和0.5g工況下擴(kuò)散火焰由浮力控制，在0g時(shí)火焰由徑向動(dòng)量控制；溫度和煙黑的體積