基於同步輻射光電離質譜技術的環烷烴燃燒機理研究

《基於同步輻射光電離質譜技術的環烷烴燃燒機理研究》是依託中國科學技術大學，由張李東擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於同步輻射光電離質譜技術的環烷烴燃燒機理研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：張李東
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

利用同步輻射真空紫外光電離質譜技術結合流動管、射流攪拌反應器和層流預混火焰研究替代燃料中的環烷烴組分，如環己烷、甲基環己烷、正丙基環己烷、異丙基環己烷、三甲基環己烷和十氫萘的熱解、低溫氧化和高溫氧化。採用超聲分子束取樣可以有效減少取樣後的碰撞，能夠探測到活潑的中間體，如自由基及過氧化物等。同步輻射真空紫外光電離能夠避免碎片的干擾及區分同分異構體，因而能夠獲得豐富的反應中間體信息，為模型發展提供精確的驗證數據。熱解可以驗證燃料的單分子解離機理，低溫氧化有利於驗證過氧化物的反應機理，而層流預混火焰可以提供豐富的自由基進攻反應的信息，三者的有機結合為模型的發展提供充分的實驗驗證。結合高精度反應路徑和速率常數計算，發展準確性較高、適合各種壓力範圍、普適的環烷烴燃燒機理。進而探索環烷烴燃燒的化學機制，完善替代燃料燃燒的動力學模型，並為發動機設計、大氣污染物控制等工程套用領域提供理論指導。

結題摘要

環烷烴是實用化石燃料的重要組份，因此發展環烷烴燃燒動力學模型對實用碳氫燃料替代燃料機理研究方面有著重要的意義。利用同步輻射真空紫外光電離質譜結合超聲分子束取樣技術研究了典型的環烷烴燃料分子的燃燒機理，研究了環己烷及其衍生物和十氫萘在30, 150和760Torr的流動管熱解、不同當量比的低壓層流預混火焰和射流攪拌反應器低溫氧化。超聲分子束取樣可以有效地減少取樣後分子或自由基間的碰撞，進而探測到活潑中間體，如自由基和不穩定過氧化等；利用同步輻射光軟電離的優勢，減少電離碎片對燃燒中間體檢測的干擾和影響；利用同步輻射光能量連續可調的優勢，通過掃描光子能量得到光電離效率譜，可以用於物種鑑別和區分同分異構體。得到豐富的燃燒中間體信息，為模型的發展提供了充足的實驗驗證數據。 基於熱解實驗中對於重要的初級熱解中間體的檢測及同分異構體的區分指導理論計算關於燃料分子單分子解離的研究，完善反應路徑；變壓力熱解實驗有效地檢驗燃料分子單分子解離反應計算中壓力相關的參數，提高壓力相關速率常數的計算精度。此外熱解和低壓層流預混火焰，也可以有效地驗證自由基進攻脫H反應以及所產生的燃料分子自由基的後續異構化和解離反應，進而輔助理論計算得到更高精度的速率常數。低溫氧化實驗可以用於幫助理論計算得到高精度的燃料分子自由基+O2及後續反應的速率常數。為燃燒動力學模型的發展提供高精度的壓力和溫度依賴動力學參數，用於建立和發展環烷烴的燃燒子機理。 結合實驗和高精度的理論計算，構建和發展了一個包括540個物種2825個反應適合寬壓力範圍的單環環烷烴燃燒動力學模型，以及一個包括484個物種1774個反應的雙環十氫萘的燃燒動力模型。得到了環烷烴燃料普適的、高精度的燃燒動力學模型，構建了相應的動力學、熱力學和輸運參數資料庫。 通過對比研究，有助於認識支鏈和燃燒條件等對燃燒機理的影響。基於反應路徑分析，有助於更好地了解環烷烴燃燒的化學本質及污染物的生成機理。為內燃機設計和大氣污染物控制等工程套用領域提供理論指導，幫助在碳氫燃料的使用過程提高燃料的燃燒效率和減少污染物的排放。