燃烧反应机理构建的极小反应网络方法： C1燃料燃烧

doi:10.7503/cjcu20200846

摘要/Abstract

摘要：

使用极小反应网络方法, 在指定中间物种条件下, 构建反应步数最小的详细燃烧反应机理. 确定了关于C1燃烧机理的17个物种和14个独立反应, 其中包含氢气燃烧的8个物种6个反应, 对缺乏动力学参数的独立反应进行组合替代, 反应速率常数采用Arrhenius双参数形式. 采用构建的25步反应C1多燃料燃烧机理(MRN-C1)进行了点火延迟时间和层流火焰速度的模拟. 考虑到工程应用对机理组分数的限制, 以CH₄和CH₃OH单组分燃料为例, 考察了去除“滞留”物种后单组分机理与总机理的模拟结果差别.

关键词: 燃烧反应机理, 化学平衡, 反应网络, 机理抽取

Abstract:

With the development of the combustion mechanism， the reaction networks become more and more detailed， resulting in a larger mechanism size. The too large size of the reaction mechanism will make the combustion numerical simulation difficult in practice. In this work， the minimal reaction network （MRN） method proposed in previous work is used to develop the C1 combustion reaction mechanism with the minimum number of reaction steps and specified number of species. In the C1 combustion process， 14 independent reactions were determined for a system of 17 species， including 8 species and 6 independent reactions of hydrogen combustion. However， some global reactions need to be replaced by other elementary reaction steps owing to the lack of the rate constants. In this way， a 25-step detailed mechanism of C1 combustion（MRN-C1） was constructed. The reliability of MRN-C1 mechanism was verified by ignition delay time and laminar flame speed. When applying the multi-fuel mechanism to a single fuel， e.g. CH₄， there exists a few suspended species that have no other consumption path after they are produced. Therefore， mechanism-extracting of MRN-C1 aimed at the single fuel combustion was performed. Such a treatment can further reduce the size of the mechanism for a specified fuel， it saves the cost in large-scale-computation of combustion.

Key words: Combustion reaction mechanism, Chemical equilibrium, Reaction network, Mechanism-extrac-ting

中图分类号:

O643

TrendMD:

李宜蔚, 申屠江涛, 王静波, 李象远. 燃烧反应机理构建的极小反应网络方法： C1燃料燃烧. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1871.

LI Yiwei, SHENTU Jiangtao, WANG Jingbo, LI Xiangyuan. Combustion Mechanism Construction Based on Minimized Reaction Network： C1⁃Oxygen Combustion. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1871.

图/表 9

Table 1 Stoichiometric coefficient matrix of C1 combustion mechanism

Species	CH₄	O₂	H₂	Species	CH₃OH	O₂	H₂
O	0	1/2	0	O	0	1/2	0
H	0	0	1/2	H	0	0	1/2
OH	0	1/2	1/2	OH	0	1/2	1/2
H₂O	0	1/2	1	H₂O	0	1/2	1
HO₂	0	1	1/2	HO₂	0	1	1/2
H₂O₂	0	1	1	H₂O₂	0	1	1
CH₃	1	0	-1/2	CH₄	1	-1/2	0
CH₂	1	0	-1	CH₃	1	-1/2	-1/2
CH₃OH	1	1/2	0	CH₂	1	-1/2	-1
CH₂OH	1	1/2	-1/2	CH₂OH	1	0	-1/2
CH₂O	1	1/2	-1	CH₂O	1	0	-1
HCO	1	1/2	-3/2	HCO	1	0	-3/2
CO	1	1/2	-2	CO	1	0	-2
CO₂	1	1	-2	CO₂	1	1/2	-2

Table 2 Kinetic parameters for C1 combustion reaction with minimized reaction network

No.	Reaction	A^e	E_a/(J·mol^-1)	Ref.
R1	CH₄+M^a $?$ CH₃+H+M	3.00×10¹⁶	357732	[18]
Third?body efficiencies^b		H₂/2.0/H₂O/6.0/Ar/0.7/CO/1.5/CO₂/2.0/CH₄/2.0/He/0.7
R2	CH₄+O₂ $?$ CH₃+HO₂	1.04×10¹³	238228	[19]
R3	CH₄+OH $?$ CH₃+H₂O	4.13×10¹³	27011	[20]
R4	CH₃+OH $?$ CH₂+H₂O	1.96×10¹²	-7698	[21]
R5	CH₃+O₂ $?$ CH₂O+OH	6.38×10¹¹	56483	[22]
R6	CH₂+O₂ $?$ HCO+OH	8.06×10¹²	6275	[23]
R7	CH₃OH(+M) $?$ CH₂OH+H(+M)	2.92×10¹⁶	423994	[24,25]
Low pressure limit^c		1.20×10¹⁵	300541
R8	CH₃OH+O₂ $?$ CH₂OH+HO₂	2.00×10¹³	187999	[26]
R9	CH₃OH+HO₂ $?$ CH₂OH+H₂O₂	3.00×10¹³	81098	[27]
R10	CH₃OH+OH $?$ CH₂OH+H₂O	9.51×10¹²	13933	[26]
R11	CH₂OH+O₂ $?$ CH₂O+HO₂	7.22×10¹³	15606	[28]
R12	CH₂O+O₂ $?$ HCO+HO₂	7.07×10¹⁶	195476	[29]
R13	CH₂O+HO₂ $?$ HCO+H₂O₂	6.42×10¹²	75345	[30]
R14	HCO+O₂ $?$ CO+HO₂	3.70×10¹³	13012	[24]
R15	HCO+M $?$ H+CO+M	1.05×10¹⁴	54392	[24]
Third?body efficiencies		H₂/2.0/H₂O/6.0/CO/1.5/CO₂/2.0/CH₄/2.0
R16	CO+OH $?$ H+CO₂	9.72×10¹¹	11008	[31]

Table 2 Kinetic parameters for C1 combustion reaction with minimized reaction network

No.	Reaction	A^e	E_a/(J·mol^-1)	Ref.
R1	CH₄+M^a $?$ CH₃+H+M	3.00×10¹⁶	357732	[18]
Third?body efficiencies^b		H₂/2.0/H₂O/6.0/Ar/0.7/CO/1.5/CO₂/2.0/CH₄/2.0/He/0.7
R2	CH₄+O₂ $?$ CH₃+HO₂	1.04×10¹³	238228	[19]
R3	CH₄+OH $?$ CH₃+H₂O	4.13×10¹³	27011	[20]
R4	CH₃+OH $?$ CH₂+H₂O	1.96×10¹²	-7698	[21]
R5	CH₃+O₂ $?$ CH₂O+OH	6.38×10¹¹	56483	[22]
R6	CH₂+O₂ $?$ HCO+OH	8.06×10¹²	6275	[23]
R7	CH₃OH(+M) $?$ CH₂OH+H(+M)	2.92×10¹⁶	423994	[24,25]
Low pressure limit^c		1.20×10¹⁵	300541
R8	CH₃OH+O₂ $?$ CH₂OH+HO₂	2.00×10¹³	187999	[26]
R9	CH₃OH+HO₂ $?$ CH₂OH+H₂O₂	3.00×10¹³	81098	[27]
R10	CH₃OH+OH $?$ CH₂OH+H₂O	9.51×10¹²	13933	[26]
R11	CH₂OH+O₂ $?$ CH₂O+HO₂	7.22×10¹³	15606	[28]
R12	CH₂O+O₂ $?$ HCO+HO₂	7.07×10¹⁶	195476	[29]
R13	CH₂O+HO₂ $?$ HCO+H₂O₂	6.42×10¹²	75345	[30]
R14	HCO+O₂ $?$ CO+HO₂	3.70×10¹³	13012	[24]
R15	HCO+M $?$ H+CO+M	1.05×10¹⁴	54392	[24]
Third?body efficiencies		H₂/2.0/H₂O/6.0/CO/1.5/CO₂/2.0/CH₄/2.0
R16	CO+OH $?$ H+CO₂	9.72×10¹¹	11008	[31]

Fig.1 Ignition delay time for methane/O2/Ar mixtures predicted by different mechanisms compared with experiment data(A) Φ=0.5, 0.2 MPa; (B) Φ=0.5, 0.39 MPa; (C) Φ=1.0, 0.19 MPa; (D) Φ=2.0, 0.18 MPa.

Fig.2 Ignition delay time for methanol/O2/Ar mixtures predicted by different mechanisms compared with experimental data(A) Φ=0.5, 1.2 MPa; (B) Φ=1.0, 0.2 MPa; (C) Φ=1.0, 1.0 MPa; (D) Φ=2.0, 0.2 MPa.

Fig.3 Ignition delay time for formaldehyde/air mixtures predicted by different mechanisms(A) Φ=0.5, 0.5 MPa; (B) Φ=1.0, 0.5 MPa; (C) Φ=1.0, 1.0 MPa; (D) Φ=2.0, 0.5 MPa.

Fig.4 Laminar flame speed for methane/air mixtures at 298 K predicted by different mechanisms compared with experimental data(A) p=0.1 MPa; (B) p=0.2 MPa; (C) p=0.5 MPa; (D) p=1.0 MPa.

Fig.5 Laminar flame speed for methanol/air mixtures at 0.1 MPa predicted by different mechanisms compared with experimental data(A) T=318 K; (B) T=340 K; (C) T=368 K.

Fig.6 Laminar flame speed for methanol/air mixtures at 298 K predicted by different mechanisms(A) p=0.5 MPa; (B) p=1.0 MPa.

Fig.7 Suspended species in mechanism of methane combustion

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