潘 偉，劉 冬（南京理工大學(xué)，能源與動力工程學(xué)院，南京 210094）

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摻雜H2和CO2對二甲醚燃燒的耦合化學(xué)作用研究*

潘 偉，劉 冬?
（南京理工大學(xué)，能源與動力工程學(xué)院，南京 210094）

摘 要：對摻雜H2和CO2的二甲醚預(yù)混火焰進行研究，分析H2和CO2的化學(xué)效應(yīng)對二甲醚燃燒火焰溫度、主要產(chǎn)物、中間產(chǎn)物和自由基的耦合影響。結(jié)果表明，在10%H2條件下，CO2濃度越高，其化學(xué)效應(yīng)對溫度下降，二甲醚消耗，乙炔、甲醛、乙醛及H生成的抑制作用越強，對O、OH生成的促進作用也越強；H2的化學(xué)效應(yīng)對溫度升高和二甲醚燃燒的促進作用隨CO2濃度升高而增強，對H生成的促進作用隨CO2濃度升高而減弱，對O、OH、乙炔、甲醛及乙醛生成的促進作用與CO2濃度無關(guān)。

關(guān)鍵詞：二甲醚火焰；氫氣；二氧化碳；化學(xué)動力學(xué)分析

0 引 言

隨著全球范圍內(nèi)化石燃料儲量的急劇減少以及環(huán)境保護帶來的壓力，科學(xué)界開始尋找替代能源。二甲醚（CH3OCH3， DME）憑借低污染物排放、高十六烷值等特性而受到廣泛的關(guān)注［1-3］。COOL等［4］測量了低壓條件下二甲醚/氧氣/氬氣預(yù)混火焰中21種物質(zhì)的摩爾分數(shù)分布。XU等［5］對低壓下二甲醚/氧氣/氬氣和乙醇/氧氣/氬氣預(yù)混火焰進行了新的主要中間產(chǎn)物的探測并測量其摩爾分數(shù)。氫氣燃燒在理論上不產(chǎn)生任何污染物，并且具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、點火能量低等特性，也成為可再生燃料的研究熱點［6-7］。LIU［8］探究了氫氣的化學(xué)效應(yīng)以及稀釋和熱效應(yīng)對二甲醚火焰的影響。二氧化碳是廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）的主要成分之一，其對火焰燃燒的影響也是研究的焦點［9-10］。LIU等［11］通過數(shù)值模擬和實驗驗證的方法研究了二氧化碳對二甲醚火焰的影響。但是，目前的研究只關(guān)注了單獨氫氣或二氧化碳對二甲醚火焰的影響。因此，本文將探討兩者同時存在的情況下，對二甲醚火焰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的耦合作用影響。

1 動力學(xué)模型及分析方法

本研究中采用的動力學(xué)機理是在 ZHAO機理［12］的基礎(chǔ)上修正過的新機理［11］，其準確性已被多種實驗裝置的實驗結(jié)果所證實［11-12］。該機理包含了56種物質(zhì)和 296個基元反應(yīng)。該修正機理也包含了BURKE等［13］發(fā)展的氫氣詳細反應(yīng)機理。通過修改的Chemkin II/Premix模塊［14］對一維層流二甲醚/氫氣/二氧化碳/氬氣預(yù)混火焰的化學(xué)動力學(xué)進行模擬。本次模擬的計算區(qū)域從上游的 -2 cm到下游的10 cm，確?；鹧嬖谙掠芜吔缣庍_到絕熱平衡。上游的初始溫度和初始壓力分別設(shè)定為300 K和1 bar。國際上在燃燒化學(xué)的研究中通常使用富燃料工況［7-8，11，15］，因此本研究亦將各個工況當量比保持在 1.5的富燃料狀態(tài)?；鹧婀r見表1。

DU 等［16］指出燃料中添加物的影響可以分為三類：熱效應(yīng)、稀釋效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。為了將化學(xué)效應(yīng)與稀釋和熱效應(yīng)區(qū)分開，我們采用加入虛擬氫氣（FH2）和虛擬二氧化碳（FCO2）的分析方法。虛擬物質(zhì)擁有與真實物質(zhì)完全相同的熱物性參數(shù)、輸運參數(shù)和第三體碰撞效率，但是不參加任何化學(xué)反應(yīng)。而當加入虛擬氫氣時，為了保證當量比不變，則需要將虛擬氫氣所對應(yīng)的氧氣量設(shè)為虛擬氧氣（FO2）［8］。

表1 混合燃料中各個組成物質(zhì)的摩爾分數(shù)（當量比為1.5，1 bar）Table 1 Mole fraction of blended fuels at 1 atm with equivalence ratio of 1.5

2 結(jié)果與討論

2.1 對溫度分布的影響

不添加物質(zhì)、10%H2+ 20%CO2、10%FH2+ 20%CO2、10%H2+ 20%FCO2、10%H2+ 10%CO2、10%FH2+ 10%CO2、10%H2+ 10%FCO2七種工況下二甲醚燃燒火焰溫度的變化曲線如圖1所示。比較曲線10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 20%FCO2可以看出，在10%H2存在情況下，20%CO2的化學(xué)效應(yīng)使溫度略微下降。比較曲線10%H2+ 10%CO2和10%H2+ 10%FCO2之間的差異得出，在10%H2情況下，10%CO2的化學(xué)效應(yīng)也使溫度略微下降，且下降幅度比20%CO2化學(xué)效應(yīng)所引起的下降幅度要小。通過比較曲線 10%H2+ 20%FCO2和 10%H2+ 10%FCO2可以看出，在10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋效應(yīng)和熱效應(yīng)要強于 10%CO2，使溫度發(fā)生較大幅度的下降。而曲線10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 10%CO2之間的差異表明，在10%H2存在條件下，20%CO2的綜合效應(yīng)所引起溫度的下降要強于10%CO2引起的下降。類似地，比較曲線 10%H2+ 20%CO2和10%FH2+ 20%CO2可以看出在20%CO2存在情況下，10%H2的化學(xué)效應(yīng)使溫度略微升高。而比較曲線10%H2+ 10%CO2和10%FH2+ 10%CO2表明在10%CO2存在情況下，10%H2的化學(xué)效應(yīng)也使溫度略微升高，且在20%CO2情況下10%H2的化學(xué)效應(yīng)要強于10%CO2情況下的10%H2?？梢缘贸鲈跍囟扔绊懛矫妫珻O2的存在對于H2的化學(xué)效應(yīng)有一定的增強效用。

圖1 不同二氧化碳和氫氣含量下二甲醚預(yù)混火焰的溫度曲線Fig. 1 DME flames temperature with H2and CO2additions

2.2 對二甲醚摩爾分數(shù)分布的影響

圖2為七種不同工況下二甲醚的摩爾分數(shù)分布?？芍?，添加氫氣和二氧化碳均不同程度地抑制了二甲醚的燃燒。比較曲線 10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 20%FCO2以及10%H2+ 10%CO2和10%H2+ 10%FCO2可以看出，在 10%H2存在條件下，20%CO2的化學(xué)效應(yīng)對二甲醚燃燒的抑制程度要強于10%CO2。又可比較10%H2+ 20%FCO2和10%H2+ 10%FCO2，可以明顯看出在10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋和熱效應(yīng)對二甲醚反應(yīng)的抑制強度要強于10%CO2。而通過比較10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 10%CO2可以得出，在10%H2存在條件下，20%CO2的綜合效應(yīng)對二甲醚燃燒的抑制要強于10%CO2。類似地，由圖2可得，20%CO2存在條件下的10%H2化學(xué)效應(yīng)對二甲醚燃燒的促進作用要強于在10%CO2條件下的10%H2。對于二甲醚燃燒，CO2的存在對H2的化學(xué)效應(yīng)有一定的增強效用。

圖2 不同工況下二甲醚的摩爾分數(shù)分布曲線Fig. 2 Mole fraction of DME profiles with different additions

圖3 不同工況下二甲醚的反應(yīng)速率Fig. 3 Rate of production for DME with different additions

圖3是不同工況下二甲醚的反應(yīng)速率曲線，二甲醚燃燒反應(yīng)的主要反應(yīng)式為CH3OCH3+ H = H2+ CH3OCH2，CH3OCH3+ O = CH3OCH2+ OH和CH3OCH3+ OH = H2O + CH3OCH2。如圖所示，在10%H2存在條件下，20%CO2的綜合效應(yīng)對二甲醚燃燒反應(yīng)的抑制作用要強于 10%CO2；在 20%CO2存在條件下的10%H2化學(xué)效應(yīng)對二甲醚燃燒反應(yīng)的促進作用要強于10%CO2存在條件下的10%H2。

2.3 對自由基生成的影響

從上述二甲醚的主要反應(yīng)式中看出，自由基H、O、OH在其中發(fā)揮了重要的作用，因此，下面將討論氫氣和二氧化碳對自由基生成的影響。

不同的工況下自由基H的摩爾分數(shù)分布如圖4所示。通過比較曲線10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 20%FCO2以及 10%H2+ 10%CO2和 10%H2+ 10%FCO2之間的差別，可知，在10%H2存在條件下，20%CO2的化學(xué)效應(yīng)對H生成的抑制作用強度要大于 10%CO2。通過比較曲線 10%H2+ 20%FCO2和10%H2+ 10%FCO2可知，在 10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋和熱效應(yīng)對H生成的抑制作用要強于10%CO2。通過曲線10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 10%CO2可以得出，在 10%H2的條件下，20%CO2的綜合效應(yīng)對H生成的抑制作用要強于10%CO2。同樣地，由圖可知，在10%CO2條件下 10%H2的化學(xué)效應(yīng)對H生成的促進作用強度要強于20%CO2條件下的10%H2。對于H生成，CO2對H2的化學(xué)效應(yīng)具有抑制作用。

圖4 不同工況下自由基H的摩爾分數(shù)分布曲線Fig. 4 Mole fraction of H radical with different additions

圖5為不同工況下自由基H的反應(yīng)速率曲線，生成H的主要反應(yīng)為HCO（+M） = H + CO（+M） 和H2+ OH = H2O + H，消耗H的主要反應(yīng)為H + O2=O + OH，CH2O + H = HCO + H2和CH3OCH3+ H = H2+ CH3OCH2。如圖5所示，在10%H2存在條件下，20%CO2的綜合效應(yīng)對H反應(yīng)的抑制作用要強于10%CO2；20%CO2條件下10%H2的化學(xué)效應(yīng)對H反應(yīng)的促進作用要弱于10%CO2條件下的10%H2。

圖5 不同工況下自由基H的反應(yīng)速率Fig. 5 Rate of production for H radical with different additions

在圖6中，通過比較10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 20%FCO2以及 10%H2+ 10%CO2和 10%H2+ 10%FCO2可得出，在10%H2存在條件下，20%CO2的化學(xué)效應(yīng)對 O生成的促進作用強度要強于10%CO2。比較 10%H2+ 20%FCO2和 10%H2+ 10%FCO2兩者的差異，知道在10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋和熱效應(yīng)對O反應(yīng)的抑制作用強于10%CO2。再通過比較曲線 10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 10%CO2，容易知道在 10%H2條件下，20%CO2的綜合效應(yīng)對 O生成的抑制作用要強于10%CO2，可知，相對于化學(xué)效應(yīng)，在 10%H2存在條件下，CO2的稀釋和熱效應(yīng)占主導(dǎo)地位。同樣地，通過比較10%H2+ 20%CO2和10%FH2+ 20%CO2之間的差異及10%H2+ 10%CO2和10%FH2+ 10%CO2之間的不同，可知在CO2存在條件下，H2的化學(xué)效應(yīng)對O生成具有促進作用，并且在10%CO2條件下的10%H2的化學(xué)效用強度基本等同于20%CO2條件下的10%H2，即對于O生成，CO2對H2的化學(xué)效應(yīng)基本無影響。

不同工況下自由基O的反應(yīng)速率如圖7所示，生成O的主要反應(yīng)為H+O2=O+OH，消耗O的反應(yīng)主要為O+H2=H+OH。在10%H2存在條件下，20%CO2的綜合效應(yīng)對O反應(yīng)的抑制作用要強于10%CO2的綜合效應(yīng)；在10%CO2存在條件下10%H2的化學(xué)效應(yīng)對O反應(yīng)的促進作用與20%CO2條件下10%H2的基本一致。

圖6 不同工況下自由基O的摩爾分數(shù)分布曲線Fig. 6 Mole fraction of H radical with different additions

圖7 不同工況下自由基O的反應(yīng)速率Fig. 7 Rate of production for O radical with different additions

圖8是不同工況下自由基OH的摩爾分數(shù)分布曲線。如圖8所示，在10%H2存在條件下，20%CO2的化學(xué)效應(yīng)對OH生成的促進作用要強于10%CO2的化學(xué)效應(yīng)；在10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋和熱效應(yīng)對O生成的抑制作用要強于10%CO2。通過比較曲線10%H2+20%CO2和10%H2+10%CO2，可知在10%H2條件下，20%CO2綜合效應(yīng)對OH生成的抑制作用要比10%CO2更強。根據(jù)上述分析，相對于化學(xué)效應(yīng)，在10%H2存在條件下，CO2的稀釋和熱效應(yīng)起主導(dǎo)作用。類似地，不難看出，10%CO2條件下10%H2的化學(xué)效應(yīng)對OH生成的促進作用強度與20%CO2條件下10%H2的強度基本相同。可得出對于OH生成，CO2對H2的化學(xué)效應(yīng)基本無影響。

圖8 不同工況下自由基OH的摩爾分數(shù)分布曲線Fig. 8 Mole fraction of OH radical with different additions

圖9為不同工況下自由基OH的反應(yīng)速率曲線，生成OH的主要反應(yīng)是H+O2=O+OH，消耗OH的主要反應(yīng)是H2+OH=H2O+H。如圖9所示，在10%H2存在條件下，20%CO2綜合效應(yīng)對OH反應(yīng)的抑制作用要強于10%CO2；20%CO2條件下10%H2的化學(xué)效應(yīng)對OH反應(yīng)的促進作用與10%CO2條件下10%H2的化學(xué)效應(yīng)強度大體一致。

圖9 不同工況下自由基OH的反應(yīng)速率Fig. 9 Rate of production for OH radical with different additions

2.4 對主要中間產(chǎn)物的影響

由于乙炔（C2H2）是重要的煙黑前驅(qū)物，它直接影響到煙黑的生成，而甲醛（CH2O）和乙醛（CH3CHO）亦是重要污染物，因此在這一部分將主要討論氫氣和二氧化碳對乙炔、甲醛和乙醛的影響。

不同工況下乙炔的摩爾分數(shù)分布曲線如圖 10所示。通過圖中曲線比較可得出，在 10%H2存在條件下，10%CO2和20%CO2的化學(xué)效應(yīng)均抑制乙炔的生成，并且20%CO2化學(xué)效應(yīng)對C2H2反應(yīng)的抑制作用要強于10%CO2。而在10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋和熱效應(yīng)對C2H2生成的抑制作用與10%CO2基本相同。比較曲線 10%H2+20%CO2和10%H2+10%CO2，知道在 10%H2存在情況下，20%CO2綜合效應(yīng)對 C2H2生成的抑制作用要強于10%CO2。類似地，在 CO2存在情況下，10%H2的化學(xué)效應(yīng)均對乙炔生成有促進作用，并且 20%CO2條件下10%H2化學(xué)效應(yīng)的強度與10%CO2條件下的10%H2下相比基本無變化。對于乙炔的生成，CO2對H2的化學(xué)效應(yīng)基本無影響。

圖10 不同工況下乙炔的摩爾分數(shù)分布曲線Fig. 10 Mole fraction of C2H2with different additions

圖11是不同工況下乙炔的反應(yīng)速率曲線，生成乙炔的主要反應(yīng)是 H+C2H2（+M）=C2H3（+M）和C2H3+H=C2H2+H2，消耗乙炔的主要反應(yīng)是C2H2+O=HCCO+H。如圖11所示，在10%H2存在的條件下，20%CO2綜合效應(yīng)對乙炔反應(yīng)的抑制作用強度比10%CO2大；20%CO2條件下的10%H2化學(xué)效應(yīng)對乙炔反應(yīng)的促進作用強度與10%CO2條件下的10%H2基本相等。

圖11 不同工況下乙炔的反應(yīng)速率Fig. 11 Rate of production for C2H2with different additions

圖12是不同工況下CH2O的摩爾分數(shù)分布曲線。由圖可知在10%H2存在的條件下，20%CO2的化學(xué)效應(yīng)對甲醛生成的抑制作用強度要強于10%CO2。比較10%H2+20%FCO2和 10%H2+ 10%FCO2的差異可得到，在 10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋和熱效應(yīng)對甲醛生成的抑制作用強度要強于 10%CO2。而比較 10%H2+20%CO2和10%H2+10%CO2得，在10%H2存在條件下，20%CO2綜合效應(yīng)對甲醛生成的抑制作用要強于10%CO2。同樣地，20%CO2條件下10%H2的化學(xué)效應(yīng)對甲醛生成的促進作用與10%CO2條件下的10%H2基本一致。對于甲醛的生成，CO2對H2的化學(xué)效應(yīng)基本無影響。

圖12 不同工況下甲醛的摩爾分數(shù)分布曲線Fig. 12 Mole fraction of CH2O with different additions

不同工況下甲醛的反應(yīng)速率曲線如圖13，生成甲醛的主要反應(yīng)是 CH3OCH2=CH2O+CH3，消耗甲醛的主要反應(yīng)是CH2O+H=HCO+H2。由圖中曲線可得，在10%H2條件下，20%CO2綜合效應(yīng)對甲醛反應(yīng)的抑制作用要強于 10%CO2；20%CO2條件下10%H2化學(xué)效應(yīng)對甲醛反應(yīng)的促進作用大體等同于10%CO2條件下的10%H2。

圖13 不同工況下甲醛的反應(yīng)速率Fig. 13 Rate of production for CH2O with different additions

圖14是不同工況下乙醛的摩爾分數(shù)分布曲線。在10%H2存在的條件下，20%CO2化學(xué)效應(yīng)對乙醛生成的抑制作用要強于 10%CO2。比較 10%H2+ 20%FCO2和 10%H2+ 10%FCO2的不同，表明在10%H2存在條件下，20%CO2的稀釋和熱效應(yīng)對乙醛生產(chǎn)的抑制作用強度比10%CO2更大。而10%H2+ 20%CO2和10%H2+ 10%CO2之間的不同，表明在10%H2存在條件下，20%CO2綜合效應(yīng)對乙醛生成的抑制作用要強于 10%CO2。類似地，可知在20%CO2條件下10%H2化學(xué)效應(yīng)對乙醛生成的促進作用和10%CO2條件下10%H2相比基本相同。對于乙醛的生成，CO2對于H2化學(xué)效應(yīng)基本沒有影響。

圖14 不同工況下乙醛的摩爾分數(shù)分布曲線Fig. 14 Mole fraction of CH3CHO with different additions

圖15 不同工況下乙醛的反應(yīng)速率Fig. 15 Rate of production for CH3CHO with different additions

不同工況下乙醛的反應(yīng)速率曲線如圖15，生成乙醛的主要反應(yīng)是CH3HCO = CH3+ HCO，消耗乙醛的主要反應(yīng)是CH3CHO + H = CH2HCO + H2。如圖15所示，在10%H2存在條件下，20%CO2綜合效應(yīng)對乙醛反應(yīng)的抑制作用要強于10%CO2；20%CO2條件下10%H2的化學(xué)效應(yīng)對乙醛反應(yīng)的促進作用與10%CO2條件下10%H2大體相等。

3 結(jié) 論

本次課題通過模擬計算的方法，研究了二甲醚/氫氣/二氧化碳/氬氣預(yù)混燃料的火焰結(jié)構(gòu)，探討了在氫氣和二氧化碳同時存在的情況下，對二甲醚燃料燃燒的影響。本次研究的主要結(jié)論有：

（1）在10%H2存在條件下，二氧化碳化學(xué)效應(yīng)降低火焰溫度，抑制二甲醚的燃燒，抑制乙炔、甲醛、乙醛和H自由基的生成，并且隨著CO2濃度的升高，其抑制作用的強度更強；

（2）在10%H2存在條件下，CO2的化學(xué)效應(yīng)對O和OH自由基生成有促進作用，且強度隨CO2濃度升高而增強；

（3）在CO2存在條件下，H2化學(xué)效應(yīng)使溫度升高，促進二甲醚的燃燒，且其強度隨著CO2濃度升高而增強；

（4）H2化學(xué)效應(yīng)對H自由基生成有促進作用，且其強度隨著CO2濃度升高而減弱；

（5）H2化學(xué)效應(yīng)對O、OH、乙炔、甲醛和乙醛生成有促進作用，且其強度與CO2濃度無關(guān)。

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Coupled Chemical Effects of Carbon Dioxide and Hydrogen Additions on Dimethyl Ether Flames

PAN Wei， LIU Dong
（School of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract：Kinetic analysis about coupled chemical effects of CO2and H2additions on laminar premixed dimethyl ether flames is performed. The coupled chemical effects of CO2and H2addition are analyzed on aspects of temperature， major species， intermediate stable species and radicals. The result shows that when H2is added， the CO2chemical effects， which can decrease the temperature， the DME oxidation， the production of C2H2， CH2O， CH3CHO and H radical but promote the production of O and OH radicals， would varies directly with the CO2concentration. However， CO2addition can strengthen the H2chemical effects on increasing the temperature and DME consumption， but mitigate the H2chemical effects on reducing the H mole fraction. And the CO2concentration did not have obvious influence on the H2chemical effects on increasing the production of O， OH， C2H2， CH2O and CH3CHO.

Key words：dimethyl ether flames； hydrogen； carbon dioxide； chemical kinetic analysis

中圖分類號：TK6；TK91

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2016.02.001

文章編號：2095-560X（2016）02-0081-07

* 收稿日期：2016-02-26

修訂日期：2016-03-17

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51306091，51576100）；江蘇省杰出青年基金（BK20140034）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20130758）；江蘇省“ 六大人才高峰”（2014-XNY-002）

通信作者：?劉 冬，E-mail：dongliu@njust.edu.cn

作者簡介：

潘 偉（1990-），男，碩士研究生，主要從事含氧燃料燃燒研究。

劉 冬（1982-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，德國洪堡學(xué)者，主要從事先進燃燒與污染控制等方面的研究。