【摘要】：化石燃料的燃燒為當(dāng)今社會(huì)提供了超過80%的一次能源,特別是汽油、柴油和航空煤油等運(yùn)輸燃料,更是為汽車、輪船和飛機(jī)等交通工具提供了源源不斷的動(dòng)力。但是,化石燃料的大量使用為人類社會(huì)帶來能源和便利的同時(shí),也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)問題。近年來,霧霾天氣頻繁出現(xiàn),燃燒排放的固體顆粒物是生成霧霾的細(xì)顆粒物(PM2.5)的主要來源。芳香烴(本論文簡稱芳烴)與烷烴、環(huán)烷烴共稱運(yùn)輸燃料三大組分類型。與烷烴和環(huán)烷烴相比,芳烴燃料更容易產(chǎn)生多環(huán)芳烴(PAH)和碳煙等大分子燃燒污染物。對芳烴燃料開展燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究,既可以指導(dǎo)構(gòu)建運(yùn)輸替代燃料(surrogate fuel)及其燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,也為研究碳煙生成機(jī)理、控制碳煙的生成與排放奠定了基礎(chǔ)。前人對苯、甲苯、二甲苯和乙基苯等簡單芳烴研究較多,對具有復(fù)雜支鏈結(jié)構(gòu)芳烴的研究則較為缺乏。丁基苯是具有丁基支鏈的C10芳烴,被廣泛地應(yīng)用于航空煤油和柴油替代燃料,根據(jù)支鏈上碳原子類型的不同,存在四種同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu),分別為正丁基苯、仲丁基苯、異丁基苯和叔丁基苯。研究丁基苯同分異構(gòu)體的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué),既可以研究芳烴同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)對燃料分解特性的影響,探索其中的燃料同分異構(gòu)體效應(yīng),也可以研究不同支鏈結(jié)構(gòu)對PAH和碳煙生成的影響。本論文利用同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜方法,結(jié)合超聲分子束取樣技術(shù),在流動(dòng)反應(yīng)器中對四種丁基苯同分異構(gòu)體進(jìn)行了變壓力熱解實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用兩種模式,即固定光子能量掃描溫度和固定溫度掃描光子能量。前者通過改變熱解爐溫度,可以得到各個(gè)能量下燃料和熱解產(chǎn)物信號(hào)隨溫度的變化曲線,經(jīng)過計(jì)算可以得出每個(gè)溫度下的物種濃度。后者通過在特定溫度條件下,改變光子能量,得到燃料和熱解產(chǎn)物的光電離效率譜,可以獲得物種的電離能信息,從而判定物種的分子結(jié)構(gòu),特別是區(qū)分其中的同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)。在四種丁基苯熱解實(shí)驗(yàn)中,均探測到了超過30種熱解產(chǎn)物,包括自由基和PAH,為模型驗(yàn)證提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。由于燃料分子結(jié)構(gòu)的差異,四種丁基苯同分異構(gòu)體熱解過程中生成的主要物種具有顯著的差異。在正丁基苯熱解實(shí)驗(yàn)中,乙基苯和乙烯是主要產(chǎn)物;在仲丁基苯熱解實(shí)驗(yàn)中,苯乙烯和乙烯大量生成;在異丁基苯熱解實(shí)驗(yàn)中,主要生成甲苯和丙烯;在叔丁基苯熱解實(shí)驗(yàn)中,異丙烯基苯是最主要的生成物。在模型工作中,在本組前期開發(fā)的正丁基苯氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用前人對部分關(guān)鍵反應(yīng)的理論計(jì)算和模型研究成果,更新并完善了正丁基苯燃料子機(jī)理中的熱解反應(yīng),從而構(gòu)建了正丁基苯的熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。模型中,完善了從燃料自由基到PAH的生長反應(yīng)路徑,并對燃料的單分子解離反應(yīng)采用了具有壓力依賴效應(yīng)的速率常數(shù)。基于生成速率分析和敏感性分析發(fā)現(xiàn),由于正丁基苯擁有苯環(huán)和C4烷基支鏈結(jié)構(gòu),很容易斷芐基位上的C-C鍵,燃料分解產(chǎn)生的芳烴自由基是生成雙環(huán)芳烴的重要前驅(qū)體。另一方面,由于正丁基苯自身支鏈足夠長,燃料經(jīng)過多次失氫后可產(chǎn)生含高度不飽和支鏈結(jié)構(gòu)的C9-C10自由基,并發(fā)生閉環(huán)反應(yīng)生成雙環(huán)芳烴。最后,針對丁基苯同分異構(gòu)體熱解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,揭示了燃料同分異構(gòu)體效應(yīng)對燃料分解過程和PAH生成過程的影響。通過對四種燃料熱解產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)分析可知,由于存在烷基支鏈上的同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu),四種丁基苯燃料的初級(jí)分解產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)差別很大。在后續(xù)分解中,雖然后續(xù)熱解產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)基本相同,但其中一些產(chǎn)物的濃度相差很大。另一方面,通過對熱解過程中生成的PAH進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)叔丁基苯熱解過程中產(chǎn)生的PAH摩爾分?jǐn)?shù)最高,其次是仲丁基苯,異丁基苯和正丁基苯熱解過程中PAH的生成量較少�；趧�(dòng)力學(xué)分析,可以確定四種丁基苯同分異構(gòu)體的反應(yīng)類型基本一致,但由于燃料的同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu),因此初始產(chǎn)物的生成路徑受到了燃料分子結(jié)構(gòu)的顯著影響,導(dǎo)致初始分解產(chǎn)物的明顯差異。雖然后續(xù)分解路徑令初始分解產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)特征逐漸消失,但由于初始分解產(chǎn)物中的燃料同分異構(gòu)體效應(yīng)導(dǎo)致后續(xù)分解產(chǎn)物的生成速率不同,因此一些后續(xù)分解產(chǎn)物的濃度出現(xiàn)了顯著差異。由于PAH的生成由其前驅(qū)體種類和濃度控制,在PAH前驅(qū)體上出現(xiàn)的燃料同分異構(gòu)體效應(yīng)導(dǎo)致四種丁基苯燃料熱解中PAH的濃度相差很大。
【圖文】：

煤炭及天然氣等化石燃料的燃燒為人類社會(huì)提供了約８５推動(dòng)了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也影響著人類生產(chǎn)生活的方方面速降低導(dǎo)致的能源危機(jī)也是橫亙于人類面前的巨大挑戰(zhàn)。１７年發(fā)布的世界能源展望Ｗ指出，受發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增球能源需求將增加約３０％，而石油、煤炭與天然氣仍是圖１．１）。另一方面，化石燃料燃燒是主要的大氣污染物排硫氧化物、未燃烴類、碳煙、二氧化碳等，導(dǎo)致酸雨、效應(yīng)等大氣環(huán)境問題。例如，燃燒源的碳煙和金屬化合物之一，近年來我國的霧霾天氣頻繁出現(xiàn)［２］，這些導(dǎo)致霧霾烴（ＰＡＨ）等有害物質(zhì)Ｗ通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，誘發(fā)呼增加癌癥的患病概率，嚴(yán)重危害人們的身體健康［４＿７］。另一生的二氧化碳和碳煙，是引起溫室效應(yīng)、導(dǎo)致全球氣候變列問題的罪魁禍?zhǔn)祝郏福撸保ǎ�。逡逑５０％邋ｒ邐．逡�?

燃燒特性和燃燒污染物的生成，從而指導(dǎo)燃燒反應(yīng)調(diào)控方法發(fā)展和先數(shù)字化設(shè)計(jì)。逡逑運(yùn)輸燃料中的芳烴組分逡逑輸燃料（主要是汽油、柴油和航空煤油）的化學(xué)組成十分復(fù)雜，有組分，主要包括烷烴（含直鏈烷烴和支鏈烷烴）、環(huán)烷烴和芳烴三大烴是實(shí)際商用運(yùn)輸燃料及其替代燃料的重要組分之一［１４；１５］，從圖１出，芳烴在汽油、柴油和航空煤油中都有一定的比例。其中，汽油中比例最高，達(dá)到了約３０％，柴油和航空煤油中芳烴的濃度比例相近，都。相比于其它烴類，芳烴有最高的辛烷值，所以芳烴含量較高的汽油的抗爆震性。同時(shí)，芳烴的體積熱值較高，對于汽油燃料和軍用來說比較有利。另一方面，芳烴燃燒性能較差，燃燒不完全時(shí)會(huì)產(chǎn)生利于環(huán)境保護(hù)與戰(zhàn)斗機(jī)隱身性能［１８］。同時(shí)，芳烴的重量熱值相較其因此較高芳烴含量的煤油燃料對于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也不５０邋■，，丨．‘丨「‘丨丨—ｊ邋一．．．“■上一．■■■■．．一一．．．．．‘．．．．．－．丨，丨，逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ511

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 苑文浩;單支鏈芳香烴寬范圍燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 張義軍;C4系列烷烴和烯烴的熱解實(shí)驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模型研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

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1 李偉;兩種典型同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)碳?xì)浜蜕锶剂系娜紵磻?yīng)動(dòng)力學(xué)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 沈偉健;二維氣相色譜歸一化法定量分析汽油、航空煤油和柴油中的芳烴[D];南京理工大學(xué);2004年

本文編號(hào)：2698639