甲醇丙烷混合熱解特性與抑制積碳生成實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理分析.pdf

1、由于化石燃料的緊缺和嚴(yán)重的環(huán)境污染，甲醇混合燃料作為一種清潔、可再生能源受到廣泛研究與應(yīng)用。由于該燃料主要由甲醇和丙烷混合而成，具有熱值低，汽化潛熱大的特點(diǎn)，所以燃燒效率不高，使用專用的氣化燃燒器才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，而且該種燃料在熱解以及欠氧燃燒過(guò)程中容易產(chǎn)生積碳，造成氣化器和噴嘴被堵塞，影響燃燒器正常使用，嚴(yán)重阻礙該燃料的應(yīng)用推廣。因此，本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了甲醇、丙烷以及甲醇丙烷混合熱解的產(chǎn)氣特性以及積碳生成特性，然后以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)

2、，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，優(yōu)化了現(xiàn)有的甲醇熱解反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建并優(yōu)化了甲醇丙烷混合熱解及積碳生成反應(yīng)機(jī)理，最后通過(guò)構(gòu)建的反應(yīng)機(jī)理，分析了甲醇對(duì)丙烷熱解氣相反應(yīng)，苯的形成，多環(huán)芳香烴（PAHs）及積碳形成過(guò)程的影響，最終揭示了甲醇抑制丙烷熱解過(guò)程中積碳形成的作用機(jī)理。本文研究為提高甲醇混合燃料的燃燒效率，減少熱解與燃燒過(guò)程中的積碳形成提供理論依據(jù)。
　?、偈状窝芯揩@得了甲醇丙烷混合熱解的產(chǎn)氣特性和積碳生成特性，發(fā)現(xiàn)在甲醇丙烷混熱解過(guò)程中，

3、甲醇會(huì)抑制乙烯向乙炔的轉(zhuǎn)化過(guò)程，同時(shí)明顯的減少了丙烷熱解積碳生成速率以及生成積碳顆粒大小。甲醇在910 K左右開(kāi)始分解，首先產(chǎn)生甲醛和氫氣，然后甲醛再分解產(chǎn)生一氧化碳和氫氣，當(dāng)溫度高于1100 K時(shí)，開(kāi)始大量生成甲烷。丙烷在973 K左右開(kāi)始分解，首先大量生成乙烯和氫氣，反應(yīng)后期乙烯再轉(zhuǎn)化成乙炔，并且積碳的生成速率和形成積碳直徑隨溫度和反應(yīng)時(shí)間的增加而增加。反應(yīng)溫度較低時(shí)，甲醇對(duì)丙烷熱解反應(yīng)過(guò)程影響較小，而反應(yīng)溫度較高時(shí)，甲醇會(huì)抑制乙烯

4、向乙炔的轉(zhuǎn)化過(guò)程。甲醇丙烷混合熱解時(shí)明顯減小了積碳生成速率以及生成積碳顆粒大小。
　　②進(jìn)一步揭示了甲醇熱解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，并構(gòu)建了甲醇丙烷混合熱解及積碳生成化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。該機(jī)理包括117種化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，613步氣相基元反應(yīng)和17步表面反應(yīng)，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算丙烷熱解以及甲醇丙烷混合熱解各產(chǎn)氣的摩爾分?jǐn)?shù)和積碳生成速率，能準(zhǔn)確分析積碳生成反應(yīng)路基及關(guān)鍵的控制反應(yīng)。
　?、垩芯揩@得了丙烷熱解過(guò)程中的苯、多環(huán)芳香烴以及積碳形成反應(yīng)路徑和

5、關(guān)鍵的控制反應(yīng)。丙烷熱解過(guò)程中 C3H3的聚合反應(yīng)是生成苯的主要反應(yīng)通道，而C3H4脫氫形成C3H3是苯形成的控制步驟。苯脫氫后再與乙烯和乙炔反應(yīng)，進(jìn)而生成多環(huán)芳香烴。苯的脫氫反應(yīng)是形成大分子多環(huán)芳香烴的控制反應(yīng)。大分子多環(huán)芳香烴以及乙炔發(fā)生脫氫反應(yīng)是積碳形成和增長(zhǎng)的主要反應(yīng)路徑。
　?、芑诨瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，首次探索獲得了甲醇對(duì)丙烷熱解的氣相反應(yīng)、苯及多環(huán)芳香烴形成過(guò)程的作用規(guī)律，揭示了甲醇抑制丙烷熱解積碳形成的作用機(jī)理。由于

6、甲醇丙烷混合熱解產(chǎn)生了大量的氫氣以及氫原子，改變了反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)平衡，減少了甲基的摩爾量，并使丙烯分解為乙烯的反應(yīng)速率加快，從而減少了反應(yīng)系統(tǒng)中C3和C4碳?xì)浠衔锏男纬闪俊Ｌ貏e是由于減少了C3H3的形成量，所以直接減少了苯的形成量，從而大量地減少了混合熱解過(guò)程中生成的多環(huán)芳香烴摩爾量，最終減少了生成的積碳量。另外，由于甲醇丙烷混合熱解抑制了苯的脫氫反應(yīng)，從而推遲了多環(huán)芳香烴的形成過(guò)程，并且抑制了多環(huán)芳香烴和乙炔脫氫生成積碳的反應(yīng)過(guò)