替代燃料二甲醚的燃烧特性及其污染物甲醛的生成消耗机理研究

<span style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px;">化石燃料的不可再生性决定了其不能长久为全球经济和科技的发展提供能源动力，从可持续发展和能源战略的角度考虑，能够替代石油及其衍生品的清洁替代燃料研究已经成为提高能源供应安全、改善环境污染问题、应对气候变化的重要措施，对替代燃料的研究和应用已经成为各方关注和开发的热点。 二甲醚(DME、CH3OCH3)是一种最简单的醚类，它不含C-C健，可以由天然气、煤、生物质燃料等大量制备，而且具有较高的辛烷值(55-60)，较低的碳氢化合物、CO排放，没有PM排放，因而被认为是一种非常有发展前景的发动机替代燃料，已经受到了广泛的关注。但是，在发动机燃用DME的实验研究表明，在其排气中有非常规污染物甲醛(HCHO)、乙醛(CH3CHO)，甲酸甲酯(HCOOCH3)等排放，这些有机污染物会对环境和人类健康产生严重的危害，在环保要求日益严格的趋势下，这就制约了二甲醚的规模化应用。因此，对二甲醚燃烧性能、氧化中间产物甲醛等的产生和排放机理、相关污染物抑制技术需要进行着重研究，这对二甲醚燃料规模化应用、相关二甲醚燃烧器设计、燃烧性能的优化以及污染物控制技术的研究等都有着重要的理论指导意义和参考价值。 为了充分理解二甲醚燃料的燃烧特性、非常规污染物甲醛的产生和消耗机理，本文以实验和二甲醚化学反应动力学机理为指导，对二甲醚预混燃烧的燃烧特性、相关污染物和甲醛产生和消耗的机理做了详细的研究；并针对二甲醚燃料的不同应用背景，对二甲醚燃料低温下的氧化和甲醛生成特性、DME与LPG掺混燃烧特性和甲醛生成消耗机理进行了深入的研究，具体工作有： 研究了二甲醚预混燃烧特性、火焰中甲醛等污染物的产生特性，建立了火焰中甲醛取样、测量的方法和实验平台。并对当量比和燃料流量对二甲醚预混燃烧的燃烧特性、甲醛生成特性影响进行了考察，实验结果表明二甲醚是一种优良的替代燃料，在二甲醚火焰中甲醛是其重要的中间产物，甲醛浓度分布与当量比和预混气流速密切相关。当量比一定时，随着预混气流速的增加，火焰中甲醛产生的范围变窄，且甲醛浓度峰值逐渐移向燃烧器出口，而甲醛产生的浓度峰值数值上相差不大，甲醛在形成峰值后被快速消耗，其浓度在0.1mm内下降到几乎为零；在二甲醚流量一定时，随着当量比的增加，火焰中产生了更多的甲醛，火焰中甲醛分布的范围也变宽，而且当量比越大，甲醛的消耗也变缓，在当量比为0.8时，甲醛浓度从峰值到被消耗距离变为2mm，远大于当量比0.6和0.7下0.1mm的消耗距离。 对二甲醚预混燃烧进行数值研究和化学动力反应机理分析后发现，在二甲醚燃烧中，二甲醚的氧化反应途径主要是通过脱氢生成CH3OCH2和在高温下的直接裂解反应而进行，其中脱氢反应是低温下二甲醚消耗的主要途径，而在高温反应阶段(T>1000K)，DME的直接裂解和燃料的脱氢反应共同起主导作用；非常规污染物甲醛通过DME脱氢产物CH3OCH2的裂解和外部氧化而生成，在高温时通过DME直接裂解后被氧化产生；甲醛的消耗反应则是通过与H、O、OH和CH3基的氧化反应而完成，其中与O、OH基的反应在燃烧中起主要作用。因此二甲醚燃烧中甲醛的抑制关键在燃烧中甲醛的消耗阶段，采取有效的技术措施，如优化燃烧器结构提高二甲醚燃烧室内的温度、在燃烧区保证充足的氧气供应等措施，加快甲醛的消耗速度以促进其被完全氧化，可以实现二甲醚燃烧中甲醛的零排放。 针对柴油发动机燃用DME燃料时，燃料在燃烧室停留时间过短，造成部分未燃二甲醚随尾气排放，对DME在低温下(<800K)的氧化特性和甲醛生成特性进行了实验研究。结果表明，二甲醚在200℃左右就开始发生氧化反应，在200~400℃温度范围内被氧化而生成大量中间产物甲醛，且在此温度范围内甲醛不易被氧化分解，而发动机尾气温度（一般在200~600℃之间）处于甲醛最易生成的范围，因此未燃二甲醚在尾气中发生低温氧化反应生成的甲醛，是发动机燃用DME而排放高浓度甲醛的重要来源。研究结论为柴油发动机燃用DME抑制非常规污染物甲醛的排放提供了新的参考。 DME作为替代燃料，部分替代及与其他石化系燃料掺混燃烧是目前的重要应用方向，对DME与LPG掺混燃烧特性和甲醛生成特性进行了实验研究，结果表明，在DME与LPG掺混燃烧中，固定当量比和燃料质量流量的条件下，两种燃料存在一个最佳掺混比，在此掺混比例下，混合燃料着火提前，燃料燃烧性能最佳；DME与LPG混合燃料中，二甲醚是燃烧中甲醛产生的主要来源，控制DME的完全氧化和燃烧是抑制DME与LPG掺混燃烧排放甲醛的主要途径，这为更好地应用DME与LPG混合燃料提供了参考。 能否清洁高效燃烧是决定替代燃料DME应用规模和途径中的关键任务，本文对DME燃烧特性、非常规污染物甲醛的生成排放特性、低温下DME的氧化特性、DME与LPG掺混燃烧特性的研究，从不用的应用方向和领域对DME清洁高效燃烧进行了探讨和研究，研究成果可以为清洁高效利用二甲醚、抑制甲醛排放，以及开发相关燃烧技术、燃烧器提供实验依据和理论指导。本文在DME燃烧特性和非常规污染物甲醛的产生与排放方面取得了具有创新性的研究结果。</span>