二甲醚和乙醇燃烧特性的比较.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：04409I 二甲醚和乙醇燃烧特性的比较 张波傅维镳 清华大学航天航空系 联系电话：010E--maih zhangb097国mails．tsinghua．edu．cn 摘要：本文用CHEMKIN·11程序分别计算了二甲醚和乙醇的一维层流火焰燃烧过程．对火焰中各主要 组分浓度分布和燃烧历程的分析比较表明：二甲醚的燃烧过程比乙醇更加清洁和高效．由于二甲醚和 乙醇是具有相同元素组成的含氧燃料，因此可以初步推断．醚类含氯燃料比醇类含氧燃料具有更好的 燃烧特性，燃烧更加清洁高效．进一步我们可l三I认为：如果音氯燃料中的氧元素尽量多的以碳．氧键结 构存在．而减少氢-氧键的结构．则有利于获得更好的燃烧特性． 关键词：二甲隧}乙笋i p花舸匿亘D燃烧特性 √ 。7 一一l 引言： 二甲醚(CHrO-CH3)，俗称甲醚，和乙醇(CH3-CH2-OH)具有相同的分子式(C2H60)， 属于同分异构体??对这两种燃料进行比较．可以在排除元素组成，如含碳量、含氢量、 含氧量等因素的条件下，看到分子结构对燃烧性能的影响． 乙醇用做燃料由来己久，目前在美国、巴西等国家已经相当普及．乙醇在汽油机上 的应用已经十分成熟，而在柴油机上的应用却还差很多。其主要原因是乙醇和柴油一般 不能互溶。目前国内外有关公司已经研制出使乙醇和柴油互溶的助溶添加剂，可以生成 柴油醇。实验表明柴油醇可以使CO排放下降20．28％，碳烟减少约34-400,4，Nq捧放 基本不变。但是使用乙醇燃料会使乙醛等醛类排放污染物增加．“1 对我国来说．近年来也在大力发展乙醇燃料汽车．乙醇燃料可以利用粮食等作物进 行生产，可以将我国库存的大量陈粮加以充分利用．这样不仅可以解决乙醇生产原料的 来源问题，也可以同时解决大量陈粮的存放、堆积问题。 近年来柴油机燃用二甲醚(DME)的研究也备受国内外关注“’31．二甲醚是一种很 好的压燃式内燃机替代燃料。它十六烷值高，在柴油机中燃烧具有低噪声、低Nox和无 烟的优点．但是由于二甲醚在常温常压下是气态燃料，平时以液化气形式储存。所以供 油系统需重新设计以适应高压下运行，要注意供油系统各部分在高压下的可靠密封，以 防二甲醚泄漏． 二甲醚将来有可能替代部分传统燃料市场，“合成气一步法”工艺技术的推广将会 使二甲醚价格下降，从而有可能比柴油更具有竞争优势 。 对于二甲醚和乙醇的火焰传播速度，已经有比较丰富的实验结果””1．同时，也有 学者用CHEMKlN程序对其详细反应动力学机理进行了研究Hi,9]e 本文在已有研究的基础上，使用CHEMKIN．11程序和文献“”中的详细化学反应动 力学机理．计算了二甲醚和乙醇的一维层流火焰传播过程，并结合这两种燃料在实际应 用中较为关心的若干问题进行了分析。  火焰结构和燃烧过程： 预混气的燃烧过程中。对于其组分中的反应物和产物等，包括燃料、氧气、氨气、 水、二氧化碳等主要组分的浓度分布，两种燃料是比较一致的，毕竟他们拥有相同的分 子式。然而通过对计算结果的观察和分析．我们发现由于分子结构的不同，其燃烧中间 产物包括自由基的分布还是有着一定的差别。图1．图5分别是两种燃料在当量比1．0条 件下计算所得的主要组分浓度分布。对于乙醇，其主要中间产物或自由基按照浓度峰值 由大到小依次为：CO，H2，OH，H，CHACO，O，C2Ih，CH20，CI-h，CH3)对于二甲醚，其 主要中间产物或自由基按照浓度峰值由大到小依次为：CO,H2’OH，CH20，H。CI-h，o CH3，C2H6，C2I-h。除此之外，计算中还有很多其他组分，由于这些组分含量的峰值很小， 和以上这些组分的含量比较起来可以忽略不计，因此未予讨论。 观察组分浓度分布，我们可以发现中间产物的浓度峰值明显分布在两个区域内。对 此，我们可以用三区火焰模型来分析，把火焰分为：反应项较小的预热区，分子导热项 较小的前燃区，以及对流项较小的后燃区。针对图1．图5所示的算例，空间位置大约 ．0．16cm向左基本可以看作预热区，各组分浓度变化不大，预混气温度有所上升；-0．]6cm 一-0．12cm基本可以看作前燃区．温度急剧上升，接近最终燃烧温度，为第一个中间产 物峰值集中区域：-0．12cm向右基本可以看作后燃区，温度上升趋于平缓，各组分浓度 不变或变化比较平缓，O、H、OH等自由基峰值就出现在这一区域，该区域反应速度已 经较慢，这些组分到燃烧结束仍然有相对较多的残余。 Ethand： ·OH—一H—·一O·CH3HGO o一{ ：：～‘· ． ． 一5 ：=j∥．．、。＼一 ^x)￡lk{： 50lk．i。 鋈j立二‘1。‘i m如 -o．’5