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摘要生物柴油作为一种新兴的化石燃料的添加物已被越来越多的学者所关注，现在对于生物柴油燃烧方面的计算机模拟主要是用一些酯类来替代生物柴油，本文以甲酸甲酯作为生物柴油的替代物，采用化学动力学模拟来研究甲酸甲酯与乙烯的混合燃烧的火焰结构，在此基础上分析优尔种不同的甲酸甲酯添加比在三种不同当量比下的混合燃烧特性。根据模拟的实验结果得出伴随燃烧产生的一些主要产物、污染产物、主要自由基在火焰区域上的分布曲线，由曲线得知CH2O、CH2CO、CH3OH、C3H3、C2H2、CO等物质的摩尔百分比在优尔种添加比下均表现为随着当量比的升高而增大，且添加比对于这些物质的分布也有重要影响，但表现却并不一致。认为在稍富氧条件下适当的生物柴油的添加对于燃烧污染物的控制有积极作用。27566
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毕业论文关键词 生物柴油 甲酸甲酯 混合燃料 燃烧特性
Title Research on the combustion characteristics of theco-combustion of biodiesel substitution and ethylene
Abstract Biodiesel is catching the eyes of more and more scholars as a newly arisen fossilfuel additive. At present computer simulations about the burning of biodieselmainly replace biodiesel with esters. In this paper, the chemical kinetic modelis used to study the flame structure of the co-combustion of methyl formate andethylene with methyl formate replacing bioesel. And on that basis, the featuresof co-combustion over six different content ratio of methyl formate and threedifferent equivalence ratio are analyzed. Distribution curves of importantcombustion products , pollution products and radicals could be figured out on thebasis of simulation results. According to the curves, mole fraction of CH2O,CH3OH,C3H3,C2H2,etc increases over six different content ratio as the equivalenceratio goes up . And content ratio has vital impact on the distribution ofingredients ,however the impact differs. Appropriate biodiesel addition haspositive impact on the control of burning pollution under the condition of slightexcess oxygen.Keywords biodiesel methyl formate mixed fuel combustion features
目 次
1 绪论 1
2 研究方法及研究内容 4
2.1本课题所采用的燃烧模拟软件4
2.2 主要模拟过程简介4
3 结果分析与讨论 7
3.1 当量比φ=0.8 7
3.2 当量比φ=1.0 16
3.3 当量比φ=1.5 25
3.4重要中间产物对比分析 34
结论 39
致谢 40
参考文献41
1 绪论随着科技的进步，时代的发展，人类的生产力与生产状况与以前的任何时期相比都不可同日而语，这很大一部分是因为我们在这个星球上所能利用的能源在不断地变化，利用的方式也是有了很多的选择。但是，迄今为止我们所能利用的重要的能源都是化石能源，这些能源在利用时不但会产生各种各样的污染物，影响我们所赖以生存的地球的环境，而且这种能源的储量是有限的，再次形成要等到几百万年，甚至几千万年之后，我们称这类能源为不可再生能源。然而随着人类生活水平的提高，我们对于能源的需求量也逐渐增加，要缓解或者解决这类矛盾，人类只有寻找清洁替代燃料这一条路可走。21 世纪将面临能源问题的严峻挑战，开发利用生物能源具有长远的实际意义，这也是为了我国能够减少能源的对外依赖，提高能源供应安全。欧洲国家对生物能源更是非常重视，特别是为了应对全球气候变化，兑现《京都议定书》规定的减排温室气体的目标。王道杰等人[1]研究调查得出欧盟国家通过立法来推行可再生能源，例如《欧盟交通部替代汽车燃料使用指导政策》 ， 分别对生物柴油和乙醇等生物能源在汽车能源消费中所占比重给出了计划与要求，而在国内，相关立法起步较晚。中国为了实现节能减排目标也于 2005 年通过颁布《中华人民共和国可再生能源法》 ，为可再生能源在国内的开发利用鸣锣开道。国家中长期科技发展规划(2005—2020)中，生物柴油包含于“农林生物质工程” ，这项工程被列入重大专项之列，并作为国家能源战略的重要组成部分。1.1 生物柴油的研究利用现状及其应用前景1.1.1 生物柴油的优点生物柴油的化学成分主要是高级脂肪酸的甲酯，我们经常以一些油酸的甘油酯的转化来获得生物柴油，与常规柴油相比，他有很多优点。据王道杰等人［1］总结得出，生物柴油具有下述优点：(1)可再生性；(2)优良的环保特性；(3)较好的低温发动机启动性能；(4)较好的润滑性能；(5)较好的安全性能；(6)燃烧值高，燃烧性好；(7)一定比例的生物柴油添加，可以降低常规化石燃料的油耗、提高动力性，并降低尾气污染；1.1.2 国内对于生物柴油的相关研究在国内发展生物柴油是由闵恩泽院士[1]首先明确提出的。在试验探索方面，施德路先生于 1985 年首开先河。在生物柴油的燃烧特性方面，国内的黄豪中等人[2]应用零文单区模型对生物柴油在发动机燃烧中的化学动力学过程进行了数值模拟，通过分析其在内燃机中燃烧氧化过程的关键基元反应、关键中间产物的生成速率(ROP)以及重要自由基，提出了他们对于生物柴油氧化燃烧的一些理解。由此他们得出结论：高温燃烧阶段与低温燃烧阶段共同组成了生物柴油的燃烧；主要的脱氢反应发生在低温放热阶段，而高温阶段对于氢的消耗主要是通过直接裂解，OH 自由基在包括高温阶段和低温阶段在内的全部燃烧过程都是至关重要的。另外同济大学汽车学院李博等研究人员[3]以轿车用直喷式柴油机为试验样机,用 5 种不同掺混比例的混合燃油, 掺混的是餐饮废油制生物柴油和石化柴油，研究了一些典型燃烧污染物的排放特性。结果表明: 随生物柴油掺混比例的升高，加入生物柴油后,发动机烟度、HC 和 CO的排放量逐渐降低，但是 NOx 却略有增加。而从燃料的整个生命周期来看,燃用生物柴油确实可以降低轿车柴油机的CO2排放量。1.1.3 国际上对于生物柴油的相关研究美国、巴西、加拿大等美洲国家是生物柴油的起源地，美国也是最早研究应用生物柴油的国家。市场的动力又促进了这些国家的生物柴油及替代物的燃烧研究水平的发展。在研究生物柴油及其替代物的燃烧方面，以下几位研究者做了一些相关工作。Lai 等人[4]尝试用建模方法研究生物柴油的燃烧。他们对生物柴油的化学反应机理进行研究，应用了化学动力学的建模方法对反应机理进行了完善，这也是机理研究领域的典型案例，他们用动力学的理论知识对CO2和NOx等小分子的形成过程及形成机理的成功模拟使得化学动力学进一步完善，这可以推广到所有能源的燃烧利用，极大地促进能源的清洁开发与利用。此外， Herbinet 等人[5]也在生物柴油的研究替代物—甲酸甲酯的化学动力学的氧化机理进行了细致的研究。而在这方面 Dievart 等人[6]的工作更加细致，他们研究了甲基酯在扩散火焰熄火时的化学动力学方面的一些特性。要研究生物柴油对于烃类燃烧及污染物排放方面的影响，我们有必要了解一些含氧燃料对于烃类燃烧影响方面的知识。首先，Yao 等人[7]， 对正庚烷燃烧过程中含氧量的影响进行了试验研究。 Kasper 等人[8]用实验方法对乙醇的火焰有深入的研究。Westbrook 等人[9]在含氧燃料的燃烧方面做了很多工作颇有借鉴意义。Inala 等人[10]对于正庚烷的预混火焰中，充氧浓度对于各物质的摩尔百分数的影响也有研究，他们认为氧气的添加增加了火焰燃烧的最高温度，降低了 CO，多环芳烃等物质的摩尔分数。除此之外，Song 等人[11]也利用可调同步加速器真空紫外线光研究了含氧量对于正庚烷火焰特性的影响。为了更深入地说明问题，Hinghausm 等人[12]将乙醇与生物柴油在燃烧方面的特性做了一些比较。