文献综述
1 研究背景
能源是人类生存与社会发展的基础。当今社会的主要能源仍然是以石油、煤、天然气为主的化石能源。这些化石能源是动植物遗体在地底经过上百万年的演变形成的，虽储量巨大，但却有限。随着人类进入工业社会，全世界对于化石能源的需求量日益上升，化石能源日益枯竭。此外，化石燃料的燃烧将会产生大量的污染物，对人类赖以生存的环境造成影响。化石燃料中，天然气较为清洁，石油次之，燃煤产生的污染最大。而我国又是一个富煤贫油少气的国家，每年需要从国外进口大量石油，这对国家能源安全十分不利。因此，寻找清洁的石油替代燃料迫在眉睫。自20世纪70年代世界上发生第一次石油危机以来，各国都在积极开展石油替代燃料的研究[1]。生物燃料以其洁净可再生等优势成为了目前石油替代品的热门，甲醇就是其中的一种[2]。除了作为甲醇汽油、甲醇燃料直接燃烧之外，研究者常以甲醇作为燃料添加剂来探究甲醇对碳氢化合物燃烧过程的影响。
2 混合燃烧国外研究现状
早在1968年，Chakraborty等人[3]就研究了乙烯扩散火焰中添加甲醇时碳黑以及多环芳香烃的形成，并推测甲醇可能在燃料热解反应早期通过自身的氧化提供了一些物质，这些物质可以消除碳和多环芳香烃形成过程中的中间产物或者阻碍它们的产生。除了甲醇，国外学者对其他添加剂也做了大量研究：Boushaki等人[4] 就氢气和蒸汽添加剂对甲烷-空气预混火焰层流燃烧速度的影响做了实验和数值模拟，结果表明：氢气添加剂能提高层流火焰燃烧速度和绝热燃烧温度，蒸汽添加剂则恰好相反。Mazas等人[5]向甲烷的富氧燃烧火焰中添加水蒸气，来研究水蒸气添加剂对于层流燃烧速度的影响，发现火焰燃烧速度随水蒸气摩尔分数的增加而拟线性减少。Singh等人[6]将水作为添加剂加到合成气（一氧化碳和氢气）/空气预混火焰中，发现在低氢合成气中，水添加剂少于20%时，随着水分增加，火焰速度提高，超过20%时与之相反；而在高氢合成气中，火焰速度与水分含量一直呈负相关。Singh等人认为造成这个趋势的原因是化学作用与物理作用的相互竞争。Santner等人[7]将压力从1 atm升到10 atm，研究了添加水蒸汽对氢气、合成气以及乙烯火焰的影响。结果表明：水蒸气添加剂将降低燃烧速率，并且在高压时降低情况更加明显。 Liu等人[8]研究了水蒸气添加剂对于层流乙烯/空气预混火焰的影响，发现向氧化剂气流中添加水蒸汽会降低燃烧温度，抑制烟尘的形成；数值研究表明，水蒸气添加剂的稀释作用和化学作用很强，但是热作用比较弱。Richarda等人[9]向庚烷预混火焰中添加水蒸气，发现与添加惰性气体时相比，添加了水蒸气的庚烷火焰生成的碳粒和CO减少了，CO2增加了。
3 混合燃烧国内研究现状
近年来，国内对于混合燃烧的研究也开展了很多。Liu[10]就氢气添加剂对层流低压预混二甲醚火焰的化学影响做了动力学分析，发现氢气添加剂的化学作用促进了二甲醚的氧化，并且抑制了乙炔和乙烯的产生，促进了甲醛的形成，还使得H、O、OH等自由基的摩尔分数增加。Kan等人[11]研究了氢气添加剂对二甲醚喷射扩散燃烧火焰燃烧特性的影响，发现当氢气浓度低于60%时是二甲醚起主导作用，随着氢气的增加，火焰温度，自由基H、O、OH的浓度逐渐增加，中间产物（如CO、CH2、CH3）的浓度逐渐减少，NOx的排放指数逐渐增加，CO的排放指数逐渐减少。龚景松等人[12]对乙醇煤油混合燃料的热解特性做了研究。研究显示：相同条件下，乙醇热分解能够得到比煤油热分解更多的氢气和CO以及更少的甲烷和乙烯；添加了乙醇的煤油在高温下能够产生更多的氢气，与煤油相比具有更好的燃烧特性。龚景松等人指出：在煤油中添加一定量的含氧燃料(如甲醇和乙醇)来解决着火和稳定燃烧问题具有很好的潜在优势。具体到以甲醇做添加剂的研究，姚春德等人多年来研究甲醇柴油混合燃料，并将其成果总结在了文献[1]中。Xu等人[13]向正庚烷/甲苯火焰中分别添加甲醇和乙醇，研究其作用，发现燃料的分解产物不受酒精（甲醇或乙醇）添加的影响，其摩尔分数的降低主要是因为稀释作用；添加了甲醇或乙醇后，氧化产物甲醛和乙醛的浓度分别增加了；而中间产物中，大部分种类的多环芳香烃的摩尔分数也急剧增加。Chen等人[14]也对正庚烷火焰中甲醇添加剂的影响做了研究，指出随着甲醇的添加，中间产物氢气的峰值浓度降低了，甲醛的浓度也增加了很多。邹轲等人[15]对不同甲醇添加量下的柴油掺烧甲醇工况的燃烧和排放特性进行了试验研究。试验结果表明：掺烧甲醇能使发动机燃烧放热更集中，还会从散热系统回收一部分热量，使热效率得到大幅提高。但是随着甲醇含量不断增大，NOx排放量不断增大；CO排放量在一开始急剧增加，当甲醇含量超过30%时开始缓慢减小；甲醛排放量首先上升，最后在甲醇含量超过30%时保持稳定。倪培永等人[16]利用矩方法研究了层流甲醇/乙烯预混火焰中碳烟颗粒形成的化学反应动力学机理，指出甲醇能够有效减少碳烟和多环芳香烃以及其前体乙炔等物质的生成量。王文坤等人[17]用F-T柴油、甲醇和生物柴油配制成甲醇/生物柴油/F-T柴油混合燃料，并测试了燃烧特性和排放特性。测试发现，此种混合燃料燃烧的放热率峰值随生物柴油比例的增加而增加。燃烧排放的碳烟、氮氧化物、一氧化碳和甲醛都明显减少。
4 总结
本文总结了近年来国内外关于混合燃烧的研究。在碳氢燃料中加添加剂（碳氢燃料或含氧燃料）混合燃烧能够改变燃料的燃烧速度、燃烧热量、绝热燃烧温度等燃烧特性，同时也会影响碳烟、氮氧化物、多环芳香烃、一氧化碳等有害排放物的排放特性。
当今世界能源问题愈发严重，各国对于环境问题的重视程度也日益提高，寻找清洁的能源是各国发展面临的重要问题。选择合适的添加剂能够实现更清洁更高效的燃烧，是未来能源可持续清洁利用的有效途径。乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，是衡量一个国家石油工业水平的标准。在乙烯燃烧过程中，会产生多环芳香烃、醛、乙烯酮等中间产物，此中间产物具有一定污染性与毒性。通过以上文献可知使用燃料添加剂可以改变燃料的燃烧特性和排放特性，因此，向乙烯火焰中加入添加剂混合燃烧能够改变其中间产物的排放特性。本次研究将以甲醇作为添加剂加入乙烯火焰中，来探究甲醇对于乙烯燃烧的影响。
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