*基金項目：安徽省高等學校自然科學研究項目（編號 KJ2020A1037），安徽省高等學校自然科學研究項目（編號 2022AH040283）和安徽職業(yè)技術學院校級自然科學研究項目（編號 2022xjzr0080）的研究成果之一。

收稿日期：2024-4-28

第一作者簡介：董清麗（1990-），山東菏澤人，碩士，講師，研究方向：清潔燃料。Email：1246257573@qq.com。

摘要：通過對不同混合比率的乙醇/甲烷/空氣預混火焰點進行數值模擬，研究乙醇添加量對點火延遲時間的影響。結果表明，隨著乙醇含量的增大，點火延遲時間逐漸減小，同時，乙醇的添加對點火延遲時間的影響也會減小，尤其是乙醇體積分數大于20%時，點火延遲時間變化率小于10%。降低點火延遲時間的反應主要是乙醇分解反應和鏈增長反應。臨界CH3濃度在乙醇體積分數為35%時達到最大值，臨界CHM3濃度與點火延遲時間變化率隨乙醇體積分數的變化曲線基本保持一致。

關鍵詞：乙醇，甲烷，點火延遲時間，乙醇體積分數

中圖分類號：TQ038.1

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9545（2024）02-0005-（03）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2024.02.009

當前，全球能源供需格局正在深度調整，能源結構低碳化轉型加速推進，減少石油類燃油消耗大力發(fā)展可再生能源已成為全球能源轉型及助力“碳達峰”“碳中和”的關鍵舉措［1］。乙醇是常見的生物質燃料，其燃燒都具有低污染物排放的特點，尤其是煙氣的排放［2-4］。甲烷是含碳量最少的烴，也是天然氣、沼氣、油田氣的主要成分，具有碳煙排放量少、價錢低的特點，是一種日常生活和工業(yè)生產中廣泛應用的燃料。點火延遲時間作為反映燃料燃燒特性的重要參數之一，是判定燃燒器點火與持焰穩(wěn)定性的關鍵參數，也是驗證化學反應動力學機理準確性的重要標準，在發(fā)動機設計、燃料促進劑評價和簡化反應動力學機理等方面發(fā)揮重要作用［5］。添加乙醇，可以降低烴類燃料燃燒過程中碳煙等污染物的生成，降低內燃機污染排放。因此，研究乙醇添加對甲烷點火特性影響，對發(fā)動機燃料的發(fā)展具有重要意義。

近年來，可替代燃料乙醇的關注度逐步提高，國內外學者開展了一些針對性的研究。LIU等人發(fā)現，當燃料中甲烷含量低于70%時，燃料著火延遲時間和層流火焰速度對甲烷含量不敏感［6］。Deng等研究發(fā)現NOx能促進甲烷點火作用［7］。因此，文章就乙醇添加對甲烷/空氣預混火焰燃燒特性進行了系統(tǒng)性的研究，可以為甲烷與醇類混合燃燒的研究提供參考數據。

文章采用數值模擬方法對乙醇/甲烷/空氣混合氣體的點火特性進行研究，分析不同溫度下，乙醇添加量對甲烷/空氣預混燃燒模型點火延遲時間的影響，然后通過敏感性系數和重要組分分析，進一步探討乙醇添加對點火延遲時間的影響機制。

1數值模擬

1.1燃燒模型

計算采用CHEMKIN-PRO中的零維均質反應器模塊，零維反應器是閉式均相體系間歇式反應器，用于計算混合氣在均勻、絕熱、等容條件下的點火延遲時間。該模型假設了一個封閉絕熱的系統(tǒng)，可用于燃燒彈、快速壓縮機和反射激波管的模擬計算。由于定容條件的限制，反應過程中對周圍環(huán)境沒有膨脹功，因此，系統(tǒng)中物質的內能保持不變。系統(tǒng)體積一定時，主要的控制方程有：

質量控制方程：

dYkdt=Vω·kWkk=1，…，K（1）

式（1）中Yk=mk/m，v=V/m，m是總質量，V是系統(tǒng)總體積，t是時間，K是系統(tǒng)中組分個數，mk、ω·k、Wk、Yk分別是第k個組分的質量、摩爾生成速率、摩爾質量和質量分數。

能量控制方程：

cVdTdt+pdvdt+v∑Kk=1ekω·kWk=0（2）

式（2）中，系統(tǒng)平均比熱cV=∑Kk=1YkcV，k，cV，k和ek分別是第k個組分的比熱和內能，p和T是系統(tǒng)內的壓力和溫度。

1.2機理驗證

甲烷和乙醇混合氣體的詳細機理是由grimech3.0和N.M.Marinov的乙醇機理合并得到。該機理在預測乙醇/甲烷混合燃燒的點火延遲時間及組分分布等方面的可靠性已與大量的實驗數據［8-9］進行了對比驗證。

1.3氣體構成

所有的燃料/O2/AR混合氣體，按以下步驟進行混合，①燃料與氧氣在化學當量比為1的條件下混合；②氧氣與氬氣以空氣中氧氣與氮氣的比例混合，氧氣/氬氣為3.76；③用氬氣稀釋上述氣體，稀釋比為80%。燃料中乙醇的體積分數為：

α=XC2H5OHXC2H5OH+XCH4×100%（3）

式（3）中，α分別為乙醇在乙醇/甲烷混合燃料中所占的體積分數，XC2H5OH、XCH4分別為混合氣體中乙醇、甲烷的體積。

2計算結果與分析

2.1點火延遲時間

CHEMKIN的零維反應器中，點火延遲時間有多種定義方式，文章點火延遲時間定義為壓力增長速率最大時的時間點。采用絕熱定壓系統(tǒng)進行計算，壓強為5atm，甲烷和乙醇混合比率范圍為［0，1］，溫度取1100～1600K。對乙醇體積分數分別為0%、1%、5%、10%、20%、50%和100%時混合氣體的點火延遲時間進行模擬計算。

從圖1可以看出，混合氣體的點火延遲時間都隨著氣體初始溫度的增大而減小。在同一溫度下，點火延遲時間隨混合氣體中乙醇含量的增大而減小，點火延遲時間變化速率也隨乙醇含量增大而減小，如圖2所示。

為準確說明點火延遲時間隨乙醇含量增加的變化速率，即點火延遲時間對乙醇體積分數ɑ的敏感性，定義點火延遲時間變化率Δτ為：

Δτ=τα－τCH4τCH4×α×100%（4）

式（4）中，τα表示乙醇體積分數為α時的點火延遲時間，τCH4表示燃料為純甲烷氣體（α=0）時的點火延遲時間。

圖3是點火延遲時間變化率隨乙醇體積分數的變化。從圖3可以看出在乙醇體積分數為1%的情況下，當溫度小于1 300K時，Δτ大于50%，這說明，對于純甲烷氣體而言，添加1%的乙醇，會使點火延遲時間降低50%以上；當溫度為1 400K和1 500K時，Δτ在45%左右；當溫度為1 600K時，Δτ為39%，即Δτ隨溫度的增大而減小，這說明點火延遲時間對乙醇含量的敏感性隨溫度升高而降低。乙醇體積分數大于20%時，Δτ小于10%，這說明，當混合氣體中乙醇的體積分數大于20%時，乙醇的添加對混合氣體點火延遲時間的影響很小，在不同溫度下，均可以控制在在10%以內。

2.2敏感性分析

圖4顯示，溫度和壓力隨時間變化的曲線形狀一樣，其關于時間的一階導數也同時達到最大值。因此，溫度和壓力關于時間的敏感性是一致的，所以可以用點火延遲時間對溫度的敏感性，來說明點火延遲時間對反應速率的敏感性。

按點火延遲敏感性系數大小排序，取敏感性系數高的前五個反應，獲得表1。對于純乙醇和純甲烷而言，敏感性最高的反應是R38 H+O2＜=＞O+OH，乙醇含量為20%和50%時，R367 C2H5OH（+M）＜=＞CH3+CH2OH（+M）敏感性最高，該步驟含有C-C鍵的裂解，這是自由基產生的基礎，促進點火進程。R368 C2H5OH（+M）＜=＞C2H5+OH（+M）的敏感性系數隨著混合燃料中乙醇含量的增加而升高，該步驟也是乙醇的分解反應，可以加速自由基的生成，促進點火過程的發(fā)生。但當燃料為純甲烷時，該反應逆向發(fā)生，是消耗自由基的反應，對點火有抑制效果。R53 H+CH4＜=＞CH3+H2和R45 H+HO2＜=＞O2+H2消耗易發(fā)生反應的H自由基，生成了相對穩(wěn)定的物質，減小自由基的數量，是抑制點火發(fā)生的反應。

隨著乙醇的添加，對點火延遲始終有促進作用的反應有R38、R119、R155、R156、R367，其中R119、R155、R156、R367均有CH3參與反應。因此，CH3是影響點火延遲時間的重要組分。

2.3重要組分分析

為了進一步分析乙醇添加導致甲烷/空氣預混燃燒點火延遲時間減小的原因，圖5中給出了點火溫度為1400K時，臨界CH3濃度隨乙醇體積分數的變化。

從圖5可以看出，臨界CH3濃度在乙醇含量為35%時取得最大值，乙醇含量較低時，臨界CH3濃度曲線的斜率較大，尤其是乙醇體積分數小于20%的情況下，這與點火延遲時間變化率隨乙醇體積分數的變化基本一致。

圖6為初始溫度為1400K時，CH3參與的五個主要反應。由圖6可知，隨著乙醇含量的增多，乙醇分解反應R367、R387的CH3產率逐漸增大，成為CH3生成的主要來源，尤其是在純乙醇燃料中，R367成為CH3生產的主反應。甲烷分解反應R11、R98產生的CH3則隨著乙醇含量的增加而降低，甲烷分解反應主導作用逐漸減小。CH3參與的主要是吸氫反應和鏈增長反應，促進了點火的進行，降低了點火延遲時間。

3結論

（1）燃料一定時，點火延遲時間隨燃料初始溫度的增大而降低；初始溫度一定時，點火延遲時間隨乙醇含量的增加而降低，尤其是在乙醇含量低于20%時；初始溫度升高，點火延遲時間對乙醇含量的敏感性會降低。

（2）通過敏感性分析，對點火具有促進的反應主要是鏈增長反應和乙醇分解反應；對點火具有抑制作用的反應，主要生成氫氣、氧氣、乙烷分子這些終止鏈式反應物質的反應。

（3）CH3臨界濃度在乙醇體積分數為35%時達到最大值，并隨初始溫度的增加而增大；在反應開始階段，隨著乙醇含量的增加，乙醇分解反應逐漸成為生成CH3的主要反應。

第2期""""" """董清麗：乙醇添加對甲烷/空氣預混火焰點火特性影響的數值模擬研究

參考文獻：

［1］陳海龍，駱立涵，張宇.柴油機燃用混合燃料理化特性分析［J］.內燃機與配件，2023，34（5）：1.

［2］C Beatrice，CBertoli，ND Giacomo， New findings on combustion behavior of oxygenated synthetic diesel fuels［J］， Combustion Science and Technology. 1998，137（2）：31.

［3］KH Song，P Nag，TALitzinger，et al. Effects of oxygenated additives on aromatic species in fuel-rich， premixed ethane combustion： a modeling study ［J］，Combustion and Flame 135 ，2003，65（3）：341.

［4］CEsarte， Millera，R Bilbao，et al. Effect of ethanol， dimethyl ether and oxygen， when mixed with acetylene， on the formation of soot and gas products［J］.Industrial amp; Engineering Chemistry Research， 2010，49（15）：6772.

［5］王智化，余作超，陳晨霖，等.新型零碳氨燃料的燃燒特性研究進展［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2022，50（7）：24.

［6］LIJingrui，LIU Haifeng，LIU Xinlei，et al Development of a simplified n-heptane/methane model for high-pressure direct-injection natural gas marine engines［J］. Frontiers in Energy，2021，15（2）：405.

［7］Deng F，Yang F，Peng Z，et al. An ignition delay time and chemieal kinetie study of methane and nitmus oxide mistures at high temperatunes［J］. Enengyand Fuels，2016，30（2）：415.

［8］Chenglong Tang，Liangjie Wei，Jiaxiang Zhang，et al. Shock tube measurements and kinetic investigation on the ignition delay times of methane/dimethyl ether mixtures［J］. Energy Fuels，2012，26（1）： 6720.

［9］NickM.Marinov. A detailed chemical kinetic model for high temperatutr ethanol oxidation［J］，International Journal of Chemical Kinetics，1999，31（4）：183.

（責任編輯" 羅江龍）

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