摘 要

乙醇是一种清洁可再生能源，在传统碳氢燃料中掺混乙醇能够减小碳烟的形成。多环芳香烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon)简称PAH，是形成碳烟的前驱物，其生成机理和形成规律对碳烟的形成有着重要影响。

本文主要基于CHEMKIN非预混对冲火焰模型，从基础燃烧化学角度，进行乙醇掺混对乙烯非预混对冲火焰PAH生成特性研究。分析了不同乙醇掺混比，不同温度条件，不同含氧条件和不同出口速度对于乙烯/空气非预混对冲PAH生成特性的影响，结果表明：

1）掺混少量乙醇可以促进PAH的生成，当乙醇掺混比增加时，PAH的生成呈现降低趋势。

2）温度可以促进PAH的生成，温度越高，PAH的生成越多。

3）氧气含量越高，使得燃烧越充分，火焰温度越高，PAH的生成也越高。

4）出口速度越大，导致燃料和氧化剂的混合越不充分，生成PAH的反应时间越短，使得PAH的生成明显减少。

通过本论文的研究，加强了对PAH生成的了解，尤其是从化学动力学角度对PAH的生成路径以影响因素有了一定的认识，这对于减少PAH的生成以及控制碳烟的形成有着重要作用。

关键词：乙醇掺混；对冲扩散；CHEMKIN；多环芳香烃

Abstract

Ethanol is a clean renewable energy source, the traditional hydrocarbon fuel mixed with ethanol can reduce the formation of soot. Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) is a precursor to the formation of soot, its formation mechanism has a significant impact.to the formation of soot

In this paper, we base on the CHEMKIN non-premixed hedge flame model, from the point of view of basic combustion chemistry, research that ethanol blending on ethylene non-premixed flame PAH generation characteristics. The effects of different ethanol blending ratios, different temperature conditions, different oxygen loading conditions and different outlet velocities on the PAH formation characteristics of ethylene / air non-premixed dough were analyzed. The results showed that:

1) blending a small amount of ethanol can promote the formation of PAH, when the ethanol mixing ratio increases, PAH production showed a downward trend.

2) temperature can promote the formation of PAH, the higher the temperature is, PAH generated more.

3) The higher the oxygen content, the more fully burned, the higher the flame temperature, the higher the PAH generation.

4) The greater the exit speed, the less the mixing of the fuel and the oxidant, the shorter the reaction time to generate PAH, resulting in a significant reduction in PAH production.

Through the study of this paper, the understanding of PAH generation is strengthened, especially from the point of view of chemical dynamics, which is of great significance to reduce the formation of PAH and control the generation of soot.

Key Words：Ethanol；Counterflow diffusion flame；CHEMKIN; Polycyclic aromatic hydrocarbon

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文研究内容 5

第2章 燃烧模型与CHEMKIN简介 7

2.1 对冲扩散火焰模型 7

2.2 CHEMKIN软件介绍 8

2.2.1 CHEMKIN软件基本特性介绍 8

2.2.2 本次模拟基本操作介绍 9

2.3 反应机理 10

2.4 本章小结 11

第3章 计算结果 12

3.1 乙醇掺混乙烯对冲火焰结构 12

3.2 乙醇掺混比的影响 13

3.3 温度的影响 15

3.4 氧气含量的影响 17

3.5 出口速度的影响 20

3.6 本章小结 21

第4章 乙醇掺混的影响分析 23

4.1 影响PAH生成的主要反应 23

4.1.1 苯环的形成 23

4.1.2 PAH的长大 25

4.2 乙醇掺混的影响 26

4.3 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 结论 29

5.2 研究展望 29

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

能源一直以来都在人类的生存和发展过程中起着举重轻重的作用。能源时刻给人的生活和基本的社会活动提供能量供应。能源也为当今社会上的任何国家和社会架构的正常运转提供支撑。各个国家的社会经济发展的先进程度都与能源结构和能源利用有着重大关联。化石燃料是作为现阶段重要的能量来源的一种。世界能源消耗总量的绝大部分都属于传统能源类型。化石燃料属于不可再生能源，目前地球上仅存的化石燃料都是经过上百万年才艰难形成的，但是目前社会对化石燃料的需求之大，直接导致化石燃料的消耗速度远远大于其缓慢的生成速度。所以可以预见的是：在不久的未来，我们会经历由于化石燃料短缺导致的能源危机^[1]。我们常见的传统燃料很大部分都在人类的日常使用中逐渐消耗殆尽，比如天然气，煤炭，石油等传统能源现阶段探测到的地球上的存储量都只供人类社会使用几十年左右。目前每个国家大力发展的核能所需的核燃料铀资源也是如此，也将在未来不长的时间内被使用完毕。很多大气污染物如温室气体CO2，形成危害重大的酸雨的氮氧化物、硝酸等酸性物质，有毒的化学烟雾这些大气污染物绝大多数都来自于化石燃料的燃烧。在我国，目前环保形势恶劣，环境问题尤为严重，我国社会水平的发展已经严重的受到了突出的环境问题的制约^[2]。

柴油机以扩散燃烧为主，研究表明扩散燃烧会排放大量的颗粒污染物。汽车所排放的总的颗粒物污染物中绝大部分，百分之九十九来自于扩散燃烧为主的柴油机。柴油机燃烧会排放大量碳烟颗粒物，这些排放的碳烟颗粒污染物的大部分容易被人体吸入，并且当被人体吸入后，无法排出体外，对人体产生了严重的危害。碳烟还会导致人们患上肺癌以及心血管疾病，而且碳烟还会导致温室效应的生成。总而言之，碳烟对人类的生活以及生活产生了巨大危害。全新的柴油国家标准已经全面开始实施^[3]，这有助于我们减少以扩散燃烧为主的柴油机的环境污染物的排放，对改善居民生活条件有着深远影响。也促使我们研究新燃料替代柴油等传统燃料，从而减少柴油机扩散燃烧排放的污染物。多环芳香烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon)简称PAH，是形成碳烟的前驱物，对碳烟的生成和发展有着至关重要的作用。