燃烧污染物-多环芳烃萘的生成机理研究

Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) is a main component of fine particle (PM2.5), and a significant precursor of soot. PAHs in air largely come from incomplete combustion of coal, petroleum and biomass fuels etc. The formation mechanism of PAHs and soot is one of unsolved problems in combustion due to the high molecular weight and complex reaction processes involved, while the formation of PAHs is the bottleneck. Combined experimental, theoretical and numerical studies are required to solve this problem. Previous theoretical studies on small the PAHs formation under combustion conditions were mainly limited to predicting reaction pathways; kinetic studies including temperature and pressure effect are very scarce. However, the chemical kinetics is key information for building detailed combustion kinetic models. The current project aims to study the formation mechanism and kinetics of a prototypical small PAH-naphthalene with combined theoretical calculations and kinetic modeling, further provide theoretical references for predicting formation mechanism of other small PAHs. We will also provide important and accurate data for the thermodynamic and kinetic database which is necessary to construct detailed kinetic models for hydrocarbons combustion.

多环芳烃（PAH）是空气污染物PM2.5的主要成分之一，也是碳烟形成的重要前驱体。空气中的PAH主要由煤、石油、生物质燃料等不完全燃烧产生。由于分子量大、反应过程复杂等特点，PAH和碳烟的形成机理是目前燃烧研究的难点之一，其中的瓶颈问题是PAH的生长机理。解决这一难题，需要实验、理论计算和数值模拟等多种研究手段的紧密结合。目前，针对燃烧环境下小型PAH的生成机理的理论研究还十分有限，且主要集中在对反应路径的预测上，鲜有考虑温度和压力效应的动力学研究，而后者恰恰是构建详细燃烧化学动力学模型所需的关键信息。本项目旨在利用理论计算和动力学模拟结合的手段研究碳氢燃料燃烧过程中一种典型的PAH-萘在不同燃料和燃烧条件下的生成机理及化学动力学机制，进而为预测其他小型PAH的生成机理提供理论指导，同时本项目将为完善碳氢化合物燃烧化学动力学模型提供准确的小型PAH相关反应热力学和动力学数据库。

多环芳烃（PAH）是空气污染物PM2.5 的主要成分之一，也是碳烟形成的重要前驱体。空气中的PAH 主要由煤、石油、生物质燃料等不完全燃烧产生。由于分子量大、反应过程复杂等特点，PAH 和碳烟的形成机理是目前燃烧研究的难点之一，其中的瓶颈问题是PAH 的生长机理。解决这一难题，需要实验、理论计算和数值模拟等多种研究手段的紧密结合。目前，针对燃烧环境下小型PAH 的生成机理的理论研究还十分有限，且主要集中在对反应路径的预测上，鲜有考虑温度和压力效应的动力学研究，而后者恰恰是构建详细燃烧化学动力学模型所需的关键信息。本项目旨在利用理论计算和动力学模拟结合的手段研究碳氢燃料燃烧过程中一种典型的PAH-萘在不同燃料和燃烧条件下的生成机理及化学动力学机制，进而为预测其他小型PAH 的生成机理提供理论指导，同时本项目将为完善碳氢化合物燃烧化学动力学模型提供准确的小型PAH 相关反应热力学和动力学数据库。.本项目的主要研究成果有：1. 典型芳香烃自由基与氧气复合反应动力学理论研究：利用化学动力学理论手段，研究了苯基、苄基、1-萘基和2-萘基与氧气分子复合反应动力学，获取了复合反应的反应焓和速率常数等对芳香烃燃烧动力学模拟起到关键作用的热力学和动力学数据。2. 乙基环己烷自由基构象转化机理及其对燃烧动力学的影响：与链式烷烃燃料相比，环己烷燃烧具有释放更多多环芳烃污染物的倾向，本项目研究了环烷烃的特殊反应机理-椅式、船式和扭转式等环上的构象转化，探索了这一特殊反应机理对于环烷烃燃烧动力学及其生成产物包括多环芳烃等的影响. 3. 异丁醇热解和燃烧实验和动力学模拟研究：丁醇是继乙醇之后最有潜力的生物燃料之一，本项目研究了异丁醇的燃烧动力学机理，探索了其在减少多环芳烃和碳烟污染物排放方面的优势。4. 邻二甲苯预混火焰实验与动力学研究：本项目研究了典型芳烃燃料-邻二甲苯的燃烧动力学机理，探究了多支链芳香烃燃料燃烧过程中生成多环芳烃如茚和萘的反应机理。.本青年项目的研究成果拓展了化学动力学理论研究手段在多环芳烃生成机理研究领域的应用，不仅探索了燃烧过程中多环芳烃的生成对燃料结构的依赖性，同时为燃烧动力学模型构建提供了多环芳烃生成机理尤其是萘的生成机理相关准确的动力学参数。