Конкурс научных работ 2013 годаВлияние этанола на образование предшественников полициклических ароматических углеводородов в пламенах этиленаО.П. Коробейничев, Д.А. Князьков, С.А. Якимов, И.Е. Герасимов, Т.А. Большова, А.Г. Шмаков, Jiuzhong Yang*, Fei Qi** National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230029, People’s Republic of China1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.В мире в последнее время уделяется большое внимание изучению химии горения смесей этанола с углеводородами, что обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, необходимостью хотя бы частичной замены получаемых из ископаемого углеводородного сырья топлив на альтернативные (например, биоэтанол, биодизель). Во-вторых, по имеющимся данным, добавка этанола к углеводородным топливам позволяет уменьшить в продуктах горения концентрацию вредных веществ, в частности, полиароматических углеводородов (ПАУ) и сажи. Это имеет большое практическое значение не только с точки зрения экологической безопасности, но также с точки зрения повышения эффективности процесса горения. Таким образом, создание достоверного детального механизма горения смесей этанола с углеводородами позволило бы предсказывать параметры их горения (в том числе образование ПАУ и сажи) с высокой точностью, что важно при создании, разработке и оптимизации работы двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и т.д. Однако из-за недостатка экспериментальных данных о химии горения таких смесей, разработка достоверного механизма невозможна. 2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.В представленной работе поставлена задача изучить, как влияет замена части этилена этанолом в модельных пламенах предварительно перемешанных смесей этилен/кислород/аргон, стабилизированных на плоской горелке, на распределение концентраций различных веществ, в первую очередь короткоживущих промежуточных соединений, как при пониженном (30 торр), так и при атмосферном давлении. Ранее таких данных не было опубликовано в литературе, хотя они весьма востребованы, поскольку тестирование предполагаемых детальных химико-кинетических моделей путем сопоставления расчетов с такими экспериментальными данными позволило бы создать механизм реакций, значительно лучше описывающий горение в реальных устройствах. В связи с актуальностью проблемы уменьшения выбросов сажи при горении, основное внимание в работе уделено идентификации и измерению концентрации соединений – предшественников ПАУ и сажи. 3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.В основу работы положен подход, заключающийся, с одной стороны, в экспериментальном определении структуры пламен, а с другой стороны – в проведении их численного моделирования на основе предполагаемого детального механизма химических реакций для проверки этого механизма на предмет описания результатов измерений и его анализа с применением современных методов компьютерного моделирования. Для исследования пламен при давлении 30 торр применялся метод зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с мягкой фотоионизацией синхротронным излучением в области вакуумного УФ. Такой способ ионизации обеспечивает высокое разрешение по энергии (~0.02 эВ), что позволяет однозначно идентифицировать большинство соединений в пламени. Пламена в условиях пониженного давления имеют широкую зону горения, что дает возможность высокого пространственного разрешения. Пламена в условиях атмосферного давления исследовались методом МПМС с мягкой ионизацией электронным ударом. Полученные этим методом данные при 1 атм особенно важны, поскольку условия атмосферного давления значительно ближе к тем, при которых происходит горение в реальных устройствах. 4. Полученные результаты и их значимость.Экспериментально и численно с использованием различных детальных механизмов химических реакций получены профили концентраций реагентов, основных продуктов горения и промежуточных стабильных и лабильных соединений (С1-С4 углеводородов) в пламенах смесей C2H4/O2/Ar и C2H4/EtOH/O2/Ar при давлениях 30 торр и 1 атм. Эксперимент и расчеты для пламен как при низком так и при атмосферном давлении показали, что в пламени этилен/этанол по сравнению с пламенем чистого этилена уменьшаются концентрации соединений, ведущих к образованию ПАУ (таких как ацетилен, диацетилен, аллен, аллил, пропен, пропаргил, бензол). Это косвенно свидетельствует о подавлении процессов образования ПАУ в пламени этилена добавкой этанола. Анализ путей образования пропаргила (основного предшественника бензола) показал, что как при низком давлении, так и при атмосферном механизм уменьшения концентрации пропаргила состоит в том, что при замене части этилена этанолом в исходной горючей смеси появляются пути реакций этанола, в результате которых образуются соединения, в дальнейшем не участвующие в образовании C3H3. Однако используемые механизмы реакций предсказывают гораздо более слабое уменьшение концентраций этих соединений, чем это наблюдалось в экспериментах (например, уменьшение при 1 атм для пропаргила: в 2 раза в эксперименте и в 1.2 раза по модели), что свидетельствует о необходимости введения в модели дополнительных путей реакций, способных обеспечить наблюдаемое изменение концентраций указанных соединений. Обнаруженные расхождения между данными экспериментов и моделирования для концентраций ацетилена и диацетилена устранены путем оптимизации моделей. Полученные в работе результаты измерений расширяют международную базу экспериментальных данных по горению смесей этанола с углеводородами и могут быть использованы для тестирования новых механизмов химических реакций горения таких систем. 5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.Проведенные авторами исследования имеют мировой уровень. Результаты работы представлялись на международных и всероссийских конференциях (33-й Международный симпозиум по горению (Пекин, Китай, 2010), 4-я Всероссийская конференция “Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические приложения”, (Звенигород, 2010), 7-й Международный семинар по структуре пламени (2011, Новосибирск), 11-я Международная конференция по горению и использованию энергии, (Коимбра, Португалия, 2012), XIX Российская конференция по использованию синхротронного излучения, (Новосибирск, 2012). 6. Вклад авторского коллектива.6. Вклад авторского коллектива в данной работе является определяющим. Все экспериментальные данные при атмосферном давлении, а также численные расчеты всех исследованных пламен (как при низком, так и при атмосферном давлении), анализ моделей проводились исключительно авторским коллективом из лаборатории КПГ. Эксперименты при низком давлении проводились при непосредственном участии членов авторского коллектива в Национальной лаборатории синхротронного излучения Университета науки и технологии Китая (г.Хефей). Список публикаций.
|