主链氧对醇醚类生物质基含氧液体燃料燃烧及碳烟生成机理研究

biomass contains oxygen naturally, so it is the ideal raw material for oxygenated liquid fuel. Hydroxy-ether oxygenated liquid fuels have characteristics like high oxygen content and high combustion reaction reactivity, so they are regarded as one of the future development direction of bio-based oxygenated liquid fuel. The program checked into the combustion process of hydroxy-ether oxygenated liquid fuels, focused on the difference of oxygen-contained functional groups between hydroxy-ether oxygenated liquid fuels and traditional bio-based oxygenated liquid fuel, by studying the role of main-chain oxygen in the different stages of combustion process, outlining the development process of the main-chain oxygen. The influence of main-chain oxygen on pyrolysis product distribution, low-temperature heat release product distribution, combustion product distribution and soot precursor distribution has been studied. Combined with quantum chemistry calculation, the combustion reaction kinetic model of hydroxy-ether oxygenated liquid fuels has been established to reveal the influence mechanism of main-chain oxygen on global combustion reaction reactivity. Coupled with soot formation kinetic model, the experimental best-fit soot reduction mechanism based on the distribution result of soot precursor has been found to reveal the reacting mechanism of main-chain oxygen on soot reduction process. Finally, a combustion and soot reduction mechanism based on main-chain oxygen for hydroxy-ether oxygenated liquid fuels has been established, providing scientific and technical preparation for the production of high oxygen content and high combustion reactivity bio-based oxygenated liquid fuel.

生物质天然含氧，是制取含氧液体燃料的理想原料。醇醚类含氧液体燃料具有高含氧量高燃烧反应活性的特点，是未来生物质基含氧液体燃料的发展方向之一。本课题围绕醇醚类含氧液体燃料的燃烧过程，针对醇醚类含氧液体燃料含氧官能团与传统含氧液体燃料的不同，通过研究燃烧不同阶段主链氧的作用，勾勒出主链氧的衍变过程。研究主链氧对醇醚类含氧液体燃料热解反应产物分布、低温放热反应产物分布、燃烧反应产物分布及碳烟前驱体分布的影响；结合量子化学计算，建立醇醚类含氧液体燃料燃烧反应动力学模型，揭示主链氧对整体燃烧反应活性的影响机理；耦合碳烟生成动力学模型，获取与试验碳烟前驱体分布规律匹配度最佳的碳烟减排机理，揭示主链氧在碳烟减排中的作用机理。最终，建立基于主链氧的醇醚类含氧液体燃料燃烧及碳烟减排机理，为高含氧量高燃烧反应活性生物质基含氧液体燃料的制备提供科学参考和技术基础。

生物质快速热解得到的生物原油是一种成分极其复杂的化合物混合体系，大约由几百种有机物组成，主要包括酸类、醛类、酚类、酮类、酯类、醚类、糖类等物质，导致其含水量高、酸性强、黏度大、热值低、热化学不稳定，必须通过进一步改性才能转化为可用的生物质基含氧添加剂。本研究分为三大部分，分别是生物质基含氧燃料的制备、生物质基含氧燃料热解和低温燃烧及其反应动力学机理与生物质基含氧燃料高温燃烧及其碳烟减排机理。从生物质基含氧燃料的制备过程中研究选取优质主链氧含氧燃料；之后通过自主搭建的CFR发动机测试优质燃料的低温燃烧特性，并以代表性主链氧燃料TPGME为主要研究对象构建反应动力学模型，以推出相似结构的醚类燃料低温燃烧反应机理的一般性结论；最后通过高温燃烧研究TPGME的性能与排放特性，通过表征手段研究其碳烟减排机理。生物质基含氧燃料的制备部分基于烘培法，以流化床反应器为实验平台设计了木质纤维素的快速热解一体化方法。烘培使得木质纤维素的理化特性得到改良，便于后续制备长链醚前驱体。生物质基含氧燃料低温燃烧及其反应动力学机理部分基于自主搭建的CFR实验平台测试了几种典型生物质基醚类含氧添加剂的低温燃烧特性，研究结果表明这几种生物质基醚具有良好的低温放热特性，可以作为含氧添加剂优化柴油主燃料的低温放热，提高发动机的性能，降低污染物排放，其中TPGME的低温放热特性明显优于其他几种主链氧含氧燃料。机理探究部分的研究结果表明，ROO自由基的内部H转移的势垒高度和速率系数对过渡态结构依赖性高。本研究中使用的新模型适用于激波管、JSR和CFR发动机实验，更新后的反应速率可以更准确地预测宽温度范围内的中间物质和关键燃烧参数。TPGME低温氧化关键中间物种的CFR模拟结果表明，一次加氧、H-迁移和二次加氧产生的KHP物种在第一阶段点火中起重要作用。TPGME的加入使得碳烟前驱体乙炔的浓度降低6.68%，这是由于含氧添加剂的加入增加了火焰中含氧自由基数量，消耗了部分碳烟前驱体。同时，氧原子在碳链中均匀分布的结构，能够最大化发挥每个氧原子抑制碳烟前驱体生成的作用，减少了碳烟前驱体的形成。