乙醇添加對甲烷/空氣預(yù)混火焰點(diǎn)火特性影響的數(shù)值模擬研究

*基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào) KJ2020A1037），安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào) 2022AH040283）和安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào) 2022xjzr0080）的研究成果之一。

收稿日期：2024-4-28

第一作者簡介：董清麗（1990-），山東菏澤人，碩士，講師，研究方向：清潔燃料。Email：1246257573@qq.com。

摘要：通過對不同混合比率的乙醇/甲烷/空氣預(yù)混火焰點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究乙醇添加量對點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響。結(jié)果表明，隨著乙醇含量的增大，點(diǎn)火延遲時(shí)間逐漸減小，同時(shí)，乙醇的添加對點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響也會(huì)減小，尤其是乙醇體積分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間變化率小于10%。降低點(diǎn)火延遲時(shí)間的反應(yīng)主要是乙醇分解反應(yīng)和鏈增長反應(yīng)。臨界CH3濃度在乙醇體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)達(dá)到最大值，臨界CHM3濃度與點(diǎn)火延遲時(shí)間變化率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化曲線基本保持一致。

關(guān)鍵詞：乙醇，甲烷，點(diǎn)火延遲時(shí)間，乙醇體積分?jǐn)?shù)

中圖分類號(hào)：TQ038.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9545（2024）02-0005-（03）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2024.02.009

當(dāng)前，全球能源供需格局正在深度調(diào)整，能源結(jié)構(gòu)低碳化轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)，減少石油類燃油消耗大力發(fā)展可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型及助力“碳達(dá)峰”“碳中和”的關(guān)鍵舉措［1］。乙醇是常見的生物質(zhì)燃料，其燃燒都具有低污染物排放的特點(diǎn)，尤其是煙氣的排放［2-4］。甲烷是含碳量最少的烴，也是天然氣、沼氣、油田氣的主要成分，具有碳煙排放量少、價(jià)錢低的特點(diǎn)，是一種日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的燃料。點(diǎn)火延遲時(shí)間作為反映燃料燃燒特性的重要參數(shù)之一，是判定燃燒器點(diǎn)火與持焰穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，也是驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理準(zhǔn)確性的重要標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、燃料促進(jìn)劑評(píng)價(jià)和簡化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理等方面發(fā)揮重要作用［5］。添加乙醇，可以降低烴類燃料燃燒過程中碳煙等污染物的生成，降低內(nèi)燃機(jī)污染排放。因此，研究乙醇添加對甲烷點(diǎn)火特性影響，對發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的發(fā)展具有重要意義。

近年來，可替代燃料乙醇的關(guān)注度逐步提高，國內(nèi)外學(xué)者開展了一些針對性的研究。LIU等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料中甲烷含量低于70%時(shí)，燃料著火延遲時(shí)間和層流火焰速度對甲烷含量不敏感［6］。Deng等研究發(fā)現(xiàn)NOx能促進(jìn)甲烷點(diǎn)火作用［7］。因此，文章就乙醇添加對甲烷/空氣預(yù)混火焰燃燒特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，可以為甲烷與醇類混合燃燒的研究提供參考數(shù)據(jù)。

文章采用數(shù)值模擬方法對乙醇/甲烷/空氣混合氣體的點(diǎn)火特性進(jìn)行研究，分析不同溫度下，乙醇添加量對甲烷/空氣預(yù)混燃燒模型點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響，然后通過敏感性系數(shù)和重要組分分析，進(jìn)一步探討乙醇添加對點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響機(jī)制。

1數(shù)值模擬

1.1燃燒模型

計(jì)算采用CHEMKIN-PRO中的零維均質(zhì)反應(yīng)器模塊，零維反應(yīng)器是閉式均相體系間歇式反應(yīng)器，用于計(jì)算混合氣在均勻、絕熱、等容條件下的點(diǎn)火延遲時(shí)間。該模型假設(shè)了一個(gè)封閉絕熱的系統(tǒng)，可用于燃燒彈、快速壓縮機(jī)和反射激波管的模擬計(jì)算。由于定容條件的限制，反應(yīng)過程中對周圍環(huán)境沒有膨脹功，因此，系統(tǒng)中物質(zhì)的內(nèi)能保持不變。系統(tǒng)體積一定時(shí)，主要的控制方程有：

質(zhì)量控制方程：

dYkdt=Vω·kWkk=1，…，K（1）

式（1）中Yk=mk/m，v=V/m，m是總質(zhì)量，V是系統(tǒng)總體積，t是時(shí)間，K是系統(tǒng)中組分個(gè)數(shù)，mk、ω·k、Wk、Yk分別是第k個(gè)組分的質(zhì)量、摩爾生成速率、摩爾質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

能量控制方程：

cVdTdt+pdvdt+v∑Kk=1ekω·kWk=0（2）

式（2）中，系統(tǒng)平均比熱cV=∑Kk=1YkcV，k，cV，k和ek分別是第k個(gè)組分的比熱和內(nèi)能，p和T是系統(tǒng)內(nèi)的壓力和溫度。

1.2機(jī)理驗(yàn)證

甲烷和乙醇混合氣體的詳細(xì)機(jī)理是由grimech3.0和N.M.Marinov的乙醇機(jī)理合并得到。該機(jī)理在預(yù)測乙醇/甲烷混合燃燒的點(diǎn)火延遲時(shí)間及組分分布等方面的可靠性已與大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［8-9］進(jìn)行了對比驗(yàn)證。

1.3氣體構(gòu)成

所有的燃料/O2/AR混合氣體，按以下步驟進(jìn)行混合，①燃料與氧氣在化學(xué)當(dāng)量比為1的條件下混合；②氧氣與氬氣以空氣中氧氣與氮?dú)獾谋壤旌?，氧?氬氣為3.76；③用氬氣稀釋上述氣體，稀釋比為80%。燃料中乙醇的體積分?jǐn)?shù)為：

α=XC2H5OHXC2H5OH+XCH4×100%（3）

式（3）中，α分別為乙醇在乙醇/甲烷混合燃料中所占的體積分?jǐn)?shù)，XC2H5OH、XCH4分別為混合氣體中乙醇、甲烷的體積。

2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1點(diǎn)火延遲時(shí)間

CHEMKIN的零維反應(yīng)器中，點(diǎn)火延遲時(shí)間有多種定義方式，文章點(diǎn)火延遲時(shí)間定義為壓力增長速率最大時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。采用絕熱定壓系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，壓強(qiáng)為5atm，甲烷和乙醇混合比率范圍為［0，1］，溫度取1100～1600K。對乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為0%、1%、5%、10%、20%、50%和100%時(shí)混合氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行模擬計(jì)算。

從圖1可以看出，混合氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間都隨著氣體初始溫度的增大而減小。在同一溫度下，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨混合氣體中乙醇含量的增大而減小，點(diǎn)火延遲時(shí)間變化速率也隨乙醇含量增大而減小，如圖2所示。

為準(zhǔn)確說明點(diǎn)火延遲時(shí)間隨乙醇含量增加的變化速率，即點(diǎn)火延遲時(shí)間對乙醇體積分?jǐn)?shù)ɑ的敏感性，定義點(diǎn)火延遲時(shí)間變化率Δτ為：

Δτ=τα－τCH4τCH4×α×100%（4）

式（4）中，τα表示乙醇體積分?jǐn)?shù)為α?xí)r的點(diǎn)火延遲時(shí)間，τCH4表示燃料為純甲烷氣體（α=0）時(shí)的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

圖3是點(diǎn)火延遲時(shí)間變化率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化。從圖3可以看出在乙醇體積分?jǐn)?shù)為1%的情況下，當(dāng)溫度小于1 300K時(shí)，Δτ大于50%，這說明，對于純甲烷氣體而言，添加1%的乙醇，會(huì)使點(diǎn)火延遲時(shí)間降低50%以上；當(dāng)溫度為1 400K和1 500K時(shí)，Δτ在45%左右；當(dāng)溫度為1 600K時(shí)，Δτ為39%，即Δτ隨溫度的增大而減小，這說明點(diǎn)火延遲時(shí)間對乙醇含量的敏感性隨溫度升高而降低。乙醇體積分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，Δτ小于10%，這說明，當(dāng)混合氣體中乙醇的體積分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，乙醇的添加對混合氣體點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響很小，在不同溫度下，均可以控制在在10%以內(nèi)。

2.2敏感性分析

圖4顯示，溫度和壓力隨時(shí)間變化的曲線形狀一樣，其關(guān)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)也同時(shí)達(dá)到最大值。因此，溫度和壓力關(guān)于時(shí)間的敏感性是一致的，所以可以用點(diǎn)火延遲時(shí)間對溫度的敏感性，來說明點(diǎn)火延遲時(shí)間對反應(yīng)速率的敏感性。

按點(diǎn)火延遲敏感性系數(shù)大小排序，取敏感性系數(shù)高的前五個(gè)反應(yīng)，獲得表1。對于純乙醇和純甲烷而言，敏感性最高的反應(yīng)是R38 H+O2＜=＞O+OH，乙醇含量為20%和50%時(shí)，R367 C2H5OH（+M）＜=＞CH3+CH2OH（+M）敏感性最高，該步驟含有C-C鍵的裂解，這是自由基產(chǎn)生的基礎(chǔ)，促進(jìn)點(diǎn)火進(jìn)程。R368 C2H5OH（+M）＜=＞C2H5+OH（+M）的敏感性系數(shù)隨著混合燃料中乙醇含量的增加而升高，該步驟也是乙醇的分解反應(yīng)，可以加速自由基的生成，促進(jìn)點(diǎn)火過程的發(fā)生。但當(dāng)燃料為純甲烷時(shí)，該反應(yīng)逆向發(fā)生，是消耗自由基的反應(yīng)，對點(diǎn)火有抑制效果。R53 H+CH4＜=＞CH3+H2和R45 H+HO2＜=＞O2+H2消耗易發(fā)生反應(yīng)的H自由基，生成了相對穩(wěn)定的物質(zhì)，減小自由基的數(shù)量，是抑制點(diǎn)火發(fā)生的反應(yīng)。

隨著乙醇的添加，對點(diǎn)火延遲始終有促進(jìn)作用的反應(yīng)有R38、R119、R155、R156、R367，其中R119、R155、R156、R367均有CH3參與反應(yīng)。因此，CH3是影響點(diǎn)火延遲時(shí)間的重要組分。

2.3重要組分分析

為了進(jìn)一步分析乙醇添加導(dǎo)致甲烷/空氣預(yù)混燃燒點(diǎn)火延遲時(shí)間減小的原因，圖5中給出了點(diǎn)火溫度為1400K時(shí)，臨界CH3濃度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化。

從圖5可以看出，臨界CH3濃度在乙醇含量為35%時(shí)取得最大值，乙醇含量較低時(shí)，臨界CH3濃度曲線的斜率較大，尤其是乙醇體積分?jǐn)?shù)小于20%的情況下，這與點(diǎn)火延遲時(shí)間變化率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化基本一致。

圖6為初始溫度為1400K時(shí)，CH3參與的五個(gè)主要反應(yīng)。由圖6可知，隨著乙醇含量的增多，乙醇分解反應(yīng)R367、R387的CH3產(chǎn)率逐漸增大，成為CH3生成的主要來源，尤其是在純乙醇燃料中，R367成為CH3生產(chǎn)的主反應(yīng)。甲烷分解反應(yīng)R11、R98產(chǎn)生的CH3則隨著乙醇含量的增加而降低，甲烷分解反應(yīng)主導(dǎo)作用逐漸減小。CH3參與的主要是吸氫反應(yīng)和鏈增長反應(yīng)，促進(jìn)了點(diǎn)火的進(jìn)行，降低了點(diǎn)火延遲時(shí)間。

3結(jié)論

（1）燃料一定時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨燃料初始溫度的增大而降低；初始溫度一定時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨乙醇含量的增加而降低，尤其是在乙醇含量低于20%時(shí)；初始溫度升高，點(diǎn)火延遲時(shí)間對乙醇含量的敏感性會(huì)降低。

（2）通過敏感性分析，對點(diǎn)火具有促進(jìn)的反應(yīng)主要是鏈增長反應(yīng)和乙醇分解反應(yīng)；對點(diǎn)火具有抑制作用的反應(yīng)，主要生成氫氣、氧氣、乙烷分子這些終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)物質(zhì)的反應(yīng)。

（3）CH3臨界濃度在乙醇體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)達(dá)到最大值，并隨初始溫度的增加而增大；在反應(yīng)開始階段，隨著乙醇含量的增加，乙醇分解反應(yīng)逐漸成為生成CH3的主要反應(yīng)。

第2期""""" """董清麗：乙醇添加對甲烷/空氣預(yù)混火焰點(diǎn)火特性影響的數(shù)值模擬研究

參考文獻(xiàn)：

［1］陳海龍，駱立涵，張宇.柴油機(jī)燃用混合燃料理化特性分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2023，34（5）：1.

［2］C Beatrice，CBertoli，ND Giacomo， New findings on combustion behavior of oxygenated synthetic diesel fuels［J］， Combustion Science and Technology. 1998，137（2）：31.

［3］KH Song，P Nag，TALitzinger，et al. Effects of oxygenated additives on aromatic species in fuel-rich， premixed ethane combustion： a modeling study ［J］，Combustion and Flame 135 ，2003，65（3）：341.

［4］CEsarte， Millera，R Bilbao，et al. Effect of ethanol， dimethyl ether and oxygen， when mixed with acetylene， on the formation of soot and gas products［J］.Industrial amp; Engineering Chemistry Research， 2010，49（15）：6772.

［5］王智化，余作超，陳晨霖，等.新型零碳氨燃料的燃燒特性研究進(jìn)展［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2022，50（7）：24.

［6］LIJingrui，LIU Haifeng，LIU Xinlei，et al Development of a simplified n-heptane/methane model for high-pressure direct-injection natural gas marine engines［J］. Frontiers in Energy，2021，15（2）：405.

［7］Deng F，Yang F，Peng Z，et al. An ignition delay time and chemieal kinetie study of methane and nitmus oxide mistures at high temperatunes［J］. Enengyand Fuels，2016，30（2）：415.

［8］Chenglong Tang，Liangjie Wei，Jiaxiang Zhang，et al. Shock tube measurements and kinetic investigation on the ignition delay times of methane/dimethyl ether mixtures［J］. Energy Fuels，2012，26（1）： 6720.

［9］NickM.Marinov. A detailed chemical kinetic model for high temperatutr ethanol oxidation［J］，International Journal of Chemical Kinetics，1999，31（4）：183.

（責(zé)任編輯" 羅江龍）

）