第四章 甲烷着火与燃烧特性的反应动力学分析
甲烷反应实验报告结论
一、实验目的本实验旨在通过甲烷的燃烧反应，验证甲烷中含有碳、氢元素，并探究其燃烧产物的性质。
二、实验原理甲烷（CH4）在氧气（O2）存在下燃烧，生成二氧化碳（CO2）和水（H2O）。
根据质量守恒定律，反应前后元素种类不变，因此，若能证明燃烧产物中含有二氧化碳和水，则可证明甲烷中含有碳、氢元素。
反应方程式如下：CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O三、实验用品1. 甲烷气瓶2. 火柴3. 干燥的烧杯4. 澄清石灰水5. 氧气瓶6. 气压计7. 计时器四、实验步骤1. 将甲烷气瓶打开，用气压计测量甲烷气压，记录数据。
2. 用火柴点燃甲烷，观察火焰颜色和燃烧情况。
3. 将干燥的烧杯罩在甲烷燃烧的火焰上方，观察烧杯内壁是否有水珠出现。
4. 将蘸有澄清石灰水的小烧杯罩在甲烷燃烧的火焰上方，观察石灰水是否变浑浊。
5. 记录实验现象，分析甲烷燃烧产物的性质。
五、实验现象1. 点燃甲烷时，火焰呈蓝色，燃烧情况稳定。
2. 将干燥的烧杯罩在甲烷燃烧的火焰上方，烧杯内壁出现水珠。
3. 将蘸有澄清石灰水的小烧杯罩在甲烷燃烧的火焰上方，石灰水变浑浊。
六、实验结论1. 甲烷燃烧时，火焰呈蓝色，说明甲烷燃烧反应放出大量热量。
2. 将干燥的烧杯罩在甲烷燃烧的火焰上方，烧杯内壁出现水珠，证明甲烷中含有氢元素。
3. 将蘸有澄清石灰水的小烧杯罩在甲烷燃烧的火焰上方，石灰水变浑浊，证明甲烷中含有碳元素。
4. 根据实验现象，甲烷燃烧生成二氧化碳和水，符合反应方程式：CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O。
七、实验讨论1. 甲烷燃烧反应为放热反应，放出的热量可用于供暖、发电等。
2. 甲烷燃烧生成的二氧化碳和水是温室气体，过量排放会导致全球气候变暖。
3. 在实验过程中，注意安全操作，避免甲烷泄漏和火灾事故。
八、实验总结本实验通过甲烷燃烧反应，成功验证了甲烷中含有碳、氢元素，并探究了其燃烧产物的性质。
实验结果表明，甲烷燃烧生成二氧化碳和水，符合质量守恒定律。
第四章 燃烧反应计算
实际燃烧时，由于n 1 ，因此就多了一 部分的空气未参与燃烧反应，这样就在燃烧产 物中增加了氧成分（O2’即VO2），且使得N2’ 含量增加，这时的实际燃烧产物生成量可以写 成：
Vn= Vco2+Vh2o+ VSO2+VN2+VO2
值得注意的是，这里的VN2与Vo中的VN2是不相等 的，要多（Ln-Lo）79% ！
燃料与燃烧学
燃烧反应计算
概述
燃烧反应的静力学计算，不涉及速度即动 力学 按燃烧反应式进行物质平衡及热平衡计算
目的
合理利用燃料 选择合理的风机 组织合理的燃烧 为炉子设计和管理提供必要的原始数据
假设条件
反应速度无限快，充分混合、接触，氧化剂允许过 剩，燃烧产物包括反应完成后生产物、剩余物 气体体积均为标准状态下体积（0℃，1kmol： 22.4m3） 空气成分：干成分 O2、N2，其中体积比例为：O2： 21%、N2：79%，重量：O2：23.2%、N2：76.8% 水蒸汽按饱和水蒸气计算 燃烧反应计算知道燃料成分，固、液体燃料为应用 成分，气体燃料为湿成分
79 N 2 LnX 100 + 100
因此
Vn=(CO+H2+ (n
m 1 )CnHm +2H S+CO +N +H O)X 2 2 2 2 2 100
+
+(n -0.21)L0+
当n = 1时
0.00124gLn
Vo=(CO+H2+ (n +0.79L0
m 1 )CnHm +2H S+CO +N +H O)X 2 2 2 2 2 100
甲烷完整PPT课件(2024)
实验操作规范流程介绍
实验前准备
检查实验器材完好性，阅读实验指导手册，了解实验步骤和注意 事项。
实验操作过程
按照实验指导手册逐步进行，记录实验数据，注意观察实验现象。
实验后处理
清理实验现场，处理废弃物，关闭实验器材，提交实验报告。
危险源识别及风险评估方法
危险源识别
甲烷易燃易爆，实验中可能产生泄漏、静电火花等危险因素。
甲烷燃料电池汽车
甲烷可作为燃料电池汽车的燃料，通过化学反应产生电能驱动汽 车行驶，具有零排放、高效率等优点。
甲烷重整制氢
甲烷可通过重整反应得到氢气，氢气是一种清洁能源，可用于氢燃 料电池汽车等领域。
甲烷直接利用
甲烷在高压下可液化为液态甲烷，可作为汽车燃料直接使用，具有 燃烧效率高、污染小等优点。
06
3
国际化合作
随着全球化进程的加速推进，国内外甲烷产业将 加强合作与交流，共同推动全球甲烷产业的健康 发展。
05
甲烷在工业生产和生活中应用案例
化工原料生产中应用
合成氨原料
甲烷是合成氨的主要原料之一，通过甲烷化反应 可得到合成气，进而生产氨。
生产甲醇
甲烷可通过氧化反应转化为甲醇，甲醇是一种重 要的化工原料和燃料。
工艺流程
生物质预处理、发酵反应 、气体净化与收集等步骤 。
工艺流程简介及关键设备
工艺流程简介
根据不同的制备方法，甲烷的生产工艺流程包括原料准备、反应过程、产品分 离与提纯等环节。
关键设备
包括反应器、分离器、压缩机、冷却器等设备，用于实现原料的转化、产品的 分离与提纯以及工艺过程的控制。
03
甲烷燃烧反应与能量转换原理
《燃烧学》课程笔记
《燃烧学》课程笔记第一章燃料与燃烧概述一、燃烧学发展简史1. 古代时期- 早期人类通过摩擦、打击等方法产生火，火的使用标志着人类文明的开始。
- 古埃及、古希腊和古罗马时期，人们开始使用火进行冶炼、烹饪和取暖。
2. 中世纪时期- 炼金术的兴起，炼金术士们试图通过燃烧和其他化学反应来转化金属。
- 罗杰·培根（Roger Bacon）在13世纪对火进行了研究，提出了火的三要素理论：燃料、空气和热。
3. 17世纪- 法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）通过实验证明了燃烧是物质与氧气的化学反应，推翻了燃素说。
- 拉瓦锡的氧化学说为现代燃烧理论奠定了基础。
4. 18世纪- 约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）和卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）分别独立发现了氧气。
- 拉瓦锡和普利斯特里的实验揭示了氧气在燃烧过程中的作用。
5. 19世纪- 热力学第一定律和第二定律的发展，为理解燃烧过程中的能量转换提供了理论基础。
- 化学反应动力学的发展，科学家们开始研究燃烧反应的速率和机理。
6. 20世纪- 燃烧学作为一门独立学科得到发展，研究内容包括火焰结构、燃烧污染物生成与控制等。
- 计算流体力学（CFD）的应用，使得燃烧过程的模拟和优化成为可能。
- 环保意识的提高，促进了清洁燃烧技术和低污染燃烧技术的发展。
二、常见的燃烧设备1. 炉子- 锅炉：用于发电和工业生产中的蒸汽供应。
- 炉灶：家用烹饪设备，使用天然气、液化石油气等作为燃料。
- 热水器：利用燃料燃烧产生的热量加热水。
2. 发动机- 内燃机：汽车、摩托车等交通工具的动力来源。
- 燃气轮机：用于飞机、发电厂等，具有较高的热效率。
3. 焚烧炉- 医疗废物焚烧炉：用于医院废物的无害化处理。
- 城市生活垃圾焚烧炉：用于垃圾减量和资源回收。
ch4 燃气燃烧的火焰传播
焰面的移动速度
气流的移动速度
可燃混合物的历程
➢冷态时——浓度为C0，温度为T0；
➢接近焰面时——被预热(温度逐渐升高)，但未发生
化学反应， C0近似不变。 ➢T0 Ti ——开始着火，经感应期后到达Ti ’，
进行剧烈燃烧，温度很快升高到Tth； 浓度从温度Ti时开始下降，燃烬时C=0。
第四章 燃气燃烧的火焰传播
(Flame Propagation)
第一节 火焰传播的理论基础 第二节 法向火焰传播速度的测定 第三节 影响火焰传播速度的因素 第四节 混合气体火焰传播速度的计算 第五节 紊流火焰传播 第六节 火焰传播浓度极限
意义：
火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性； 对火焰的稳定性、互换性有很大的影响；
Tm ;
y
0;
dT dx
0;
将火焰分为预热区和反应区，其交界处的温度为Ti
在预热区中忽略化学反应
0Sncp
dT dx
d
dx
dT dx
在反应区中忽略自身的能量变化 d dT Q 0
dx dx
从T0~Ti积分
从Ti~Tm积分
0Sncp
Ti
T0
dT dx
I
交界面上的热流量连
续
dT 2 Tm QdT
Sn
2
Tm QdT
T0
02C
2 p
Tm T0 2
为进一步简化；定义
Tm QdT T0
Q
Tm
dT
Q
Tm T0
T0 Tm T0
T0~Tm之间的平均反应速率
Sn
2Q
02C
2
甲烷催化燃烧技术基础研究
甲烷催化燃烧技术基础研究一、本文概述《甲烷催化燃烧技术基础研究》一文旨在对甲烷催化燃烧技术进行全面深入的基础研究探讨。
甲烷作为天然气的主要成分，具有清洁、高效、低碳排放等优点，因此，其在能源利用和环境保护领域具有广泛的应用前景。
然而，甲烷的催化燃烧过程涉及复杂的化学反应和动力学机制，因此，对其进行系统的基础研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文将首先介绍甲烷催化燃烧的基本原理和反应过程，包括催化剂的种类、活性位点的形成、反应路径的选择等方面。
然后，文章将重点探讨甲烷催化燃烧过程中的催化剂设计、制备和性能优化，以及反应动力学和反应机理的研究。
文章还将关注甲烷催化燃烧技术在不同领域的应用现状和发展趋势，包括能源、环保、化工等领域。
通过对甲烷催化燃烧技术的深入研究，本文旨在揭示其反应本质和规律，为催化剂的改进和优化提供理论基础，为甲烷的高效、清洁利用提供技术支撑。
本文的研究成果也将为相关领域的研究提供有益的参考和借鉴。
二、甲烷催化燃烧技术概述甲烷催化燃烧技术是一种高效、环保的能源利用方式，其基本原理是在催化剂的作用下，使甲烷在较低的温度下发生燃烧反应，生成二氧化碳和水。
相比于传统的火焰燃烧，催化燃烧具有更高的能量转化效率和更低的污染物排放，因此在能源、环保等领域具有广泛的应用前景。
甲烷催化燃烧的核心是催化剂的选择和设计。
催化剂需要具有高的催化活性、稳定性和选择性，以确保甲烷能够高效、安全地转化。
目前，常用的催化剂主要包括贵金属催化剂、过渡金属催化剂和复合催化剂等。
这些催化剂在催化燃烧过程中，通过提供活性位点和降低反应活化能，促进甲烷的分解和氧化，从而实现高效燃烧。
甲烷催化燃烧技术的应用范围广泛，包括家庭用燃气热水器、工业锅炉、燃气轮机、燃料电池等领域。
在这些应用中，催化燃烧技术不仅可以提高能源利用效率，减少能源浪费，还可以降低污染物排放，改善环境质量。
特别是在燃气轮机和燃料电池领域，催化燃烧技术是实现高效、清洁能源利用的关键。
甲烷、煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究.pdf
!第!"卷!第#期!$%%"年#月甲烷!煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究"陈东梁!孙金华""!刘!义!陈思凝!王青松中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室!合肥"&$$"’!"$$’($)(!)收稿!"$$’($*(!*收修改稿!"国家自然科学基金#批准号$+$+)’$*&%&中国科学院-百人计划.和国家重点基础研究发展计划#批准号$"$$!>?,$*’$’%资助项目!""通信作者!-(./01$3F 4[W !F 3O 5#B E F #54摘要!!利用高速摄像机"超细热电偶"离子电流探针"光电二极管等对管道内甲烷"煤尘复合体系中传播火焰进行了实验研究!对火焰传播特征和火焰结构进行了分析#结果表明!甲烷"煤尘复合体系中初期的火焰主要由甲烷(空气的气相火焰构成!随着传播过程的进行!煤粒逐步开始参与燃烧!形成甲烷"煤尘的复合火焰#复合火焰中!煤粒热解和燃烧过程持续时间较长!火焰区域在传播过程中不断被拉长!火焰在较大的区域存在#甲烷"煤尘复合火焰的预热区厚度大约为"#+)5.!预热区的后面是化学反应区!在这个区域中!化学反应强度迅速上升!温度也随着迅速升高!同时发出较强的光#对甲烷"煤尘复合体系火焰传播过程进行研究!可以为防止煤矿井下瓦斯"煤尘爆炸提供理论基础和技术支持#关键词!!甲烷!煤尘!复合火焰!燃烧特性!火焰结构!!近年来!煤矿井下不断发生的瓦斯&煤尘爆炸事故已经成为国家高度关注的问题之一!瓦斯&煤尘一旦发生爆炸!常常会造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失!严重地影响了正常的生产秩序和经济的发展#"$$+年我国煤矿企业发生事故&&,!起!死亡+*%’人#其中特大事故发生+%起!死亡!)&*人’!(#为了有效地防止矿井爆炸事故的发生!国内外专家学者对瓦斯&煤尘爆炸的基础现象&爆炸的作用后果等方面进行了广泛而深入的研究#关于瓦斯爆炸的研究大部分集中在障碍物对瓦斯火焰的加速作用&瓦斯火焰的加速成长过程和微观结构&外界条件#如瓦斯浓度&温度&点火能量等%对瓦斯爆炸特性和火焰传播特性的影响&新型瓦斯防爆&抑爆装置及方法等方面’")*(#关于可燃气和可燃粉尘混合体系的研究主要集中在激波对可燃粉尘的卷扬与点火&混合爆炸的特性参数#如爆炸下限!最小点火能!最大爆炸压力!最大压力上升速率%&瓦斯的存在对煤尘爆炸特性指标的影响规律以及煤尘的存在对瓦斯爆炸特性指标的影响规律等’!$)!+(#这些研究得到了一些具有理论价值和实用意义的结论!但对于瓦斯&煤尘混合体系中火焰传播特征和火焰结构的研究还比较少#本文利用高速摄像机&超细热电偶&离子电流探针&光电二极管等对管道内甲烷&煤尘复合体系中传播火焰进行了实验研究!对火焰传播特征和火焰结构进行了分析#%!实验装置及实验过程%&%!实验装置实验系统如图!所示!主要由燃烧管道&喷粉系统&点火系统&数据采集系统和控制系统+个部分组成#燃烧管道是一个截面为正方形的长方体容器!内部尺寸为+$$..i %$..i %$..!为了便,*,于观察燃烧管道内火焰的传播特性及火焰的加速成长过程!管道的两侧为有机玻璃!另外的两侧为不锈钢#为了使煤尘能够在燃烧管道内分散!燃烧管道的底部安装有不锈钢制的喷粉装置!喷粉装置是用一个锥形帽加在进气口上组成的!燃烧管道的底部是一个球面!甲烷&空气预混气体#甲烷e 空气f !e *%从进气口到达锥形帽后变成均匀的由燃烧管道底部中心向四周方向的气流!这个气流将底部球面上的煤尘向上吹起!使煤尘以竖直向上的方向进入燃烧管道!在向上运动的过程中甲烷&煤尘和管道中的空气混合形成了一个甲烷*煤尘*空气三者的混合体系#距离燃烧管道底部+5.处安装一对点火电极!利用高压放电点火#为了测试火焰的传播特征和火焰结构!在距离底部"$和&+5.的高度处分别安装了两对热电偶和离子探针!在/C /j 截面处安装了一个光电二极管#图"所示%#热电偶采用直径"+".的I O )I O *:W !&丝制作#离子探针主要用于测试传播火焰中化学反应区的反应特征!本实验所用的离子探针如图&所示!探针的电极及辅助电极使用耐高温&耐氧化&导电性好!直径为$#!..的铂丝!铂丝的外部用内径$#+..的陶瓷管套住!铂丝的前端露出长度为"..#光电二极管的响应时间为,#+i !$g %3#图%!实验系统示意图!#热电偶""#离子电流探针"&#燃烧管道",#点火系统"+#数据采集仪"’#高速摄像机")#控制器"%#计算机"*#气瓶"!$#混气瓶"!!#电磁阀图’!*/*S截面结构示意图图(!离子探针结构示意图%&’!实验过程及参数如图!所示!把电磁阀&点火装置&高速摄像机和数据采集仪和控制器连接起来!使实验系统的各个仪器处于正常的工作状态#在燃烧管道底部的球面处加入称量好的煤尘!使煤尘均匀地分布于喷气口的四周!把混气瓶的阀门打开!使气体通道仅受电磁阀的控制!调整好数据采集仪&高速摄像机以及点火系统的参数和状态!待一切处于准备状态后启动控制器!控制器将会按预先设置的时间序列启动各个仪器#具体的实验条件为$喷粉气流气压为$#,<I /!喷粉气流持续时间为$#+3!点火电压为&$J a !高速摄像机的拍摄速率为"$$$帧*3!曝光时间为!*"$$$3#燃烧管内甲烷浓度为"#,"c !煤尘浓度为&’H*.&#实验所用煤尘的组分和参数如表!所示#+*,!第!"卷!第#期!$%%"年#月表%!煤尘的组分和参数水分*c灰分*c干燥无灰基挥发分*c>*c D*c T*c8*c发热量*#^,J H g!%粒度*"."#*’*#’’,+#)’’)$#’,&#&%"#%,!#!""+#%%i!$’+!$$’!实验结果及分析图,为甲烷&煤尘复合火焰传播的典型图!由图,可以看出!在点火后开始的一段时间内#大约&$.3%几乎看不到明显的火焰!在,$.3时才开始出现明显的火焰!此后火焰基本上以恒定的速度#%#+).*3%向上传播!同时发出了黄色的亮光#由此可以推测!在点火后开始的&$.3中火焰可能以甲烷的气相火焰为主!由于其光强很弱!而高速摄像机的曝光时间又极短!所以表观上看不到火焰的存在#在,$.3时由于甲烷气相火焰的反应持续地进行!区域内的温度上升!煤粒热解并参与燃烧反应!煤粒的燃烧使温度的上升速率更大!温度的上升又进一步地导致了化学反应强度不断的增大#两者之间形成了一个正反馈!化学反应不断的持续下去!火焰不断加强#图)!甲烷$煤尘复合火焰的传播图!!火焰前锋传播过后!由于煤粒热解的持续进行!热解的气体继续反应!所以和单纯的甲烷)空气的气相火焰相比!复合火焰的持续时间要长的多#比较火焰区的上沿和下沿!可以发现!在,$) *$.3的时间中!火焰区上沿以较快的速度向上传播!而火焰区的下沿向上传播的速度则较慢!同时也可以看出在火焰区中存在大量的燃烧着的煤尘粒子#这主要是由于煤粒的参与燃烧造成的!当火焰前锋到达时!由于体系的温升!煤粒开始参与燃烧反应!但由于煤粒的热解和燃烧需要较长的时间!当火焰前锋过后!它持续的燃烧!所以火焰区域在传播的过程中不断被拉长!火焰在较大的长度内都存在#图+是安装在燃烧管道上的两个热电偶所测得的温度)时间曲线!可以看出!当火焰经过热电偶时!在几十毫秒内温度迅速升到最大值!说明化学反应过程很剧烈#下部热电偶在+&.3时开始上升!在初始的几个毫秒内以较慢的速度上升!此后以很快的速度上升!并且在!&’.3时达到最大值)"+d#此后!温度逐步的降低!从图中可以看出!在!""到!,).3间的约"+.3的时间段中!火焰都保持在较高的温度#上部热电偶在’).3时!开始上升!和下部热电偶相比!从一开始它便以较大的升温速率很快地上升#在!",.3时它达到’*$d!在!",到!,&.3之间的时间段中!存在一段的温度台阶# !,&.3之后温度又开始缓慢的上升!在!)+.3时达到最大值)+!d!此后持续的下降#对比曲线/和’*,!第!"卷!第#期!$%%"年#月曲线G!下部的温度曲线/在到达最大温度后逐步的降低!而上部的温度曲线G 在上升的过程中存在一个温度台阶!经过台阶之后才达到温度的最大值!之后逐步的下降#这可能是由于!经过甲烷&空气预混气体的气流吹起后!在管道的下部煤尘粒子的浓度较上部的浓度要小一些"所以下部的煤尘粒子的热解和燃烧过程比上部的煤尘粒子的热解燃烧过程要短一些!下部的燃烧过程和上部的相比要快一些!而上部的燃烧过程由于较多煤尘粒子的参与使得燃烧过程呈现一定的波动性#图+!甲烷$煤尘复合火焰的温度曲线为了得到更精确的温度数值!我们把热电偶的热惯性考虑进来!假定对流传热为导致热电偶温度变化的主导因素!这样!实测的温度可以通过以下的公式进行校正’!’!!)(#!A !.D %E !.E 1这里!.是热电偶测得的温度!%是热电偶的时间常数!可以表示为%A &&87"’J O 6H这里&和&8分别为I O )I O *:W !&接点的密度和比热!7为热电偶接点的直径!6H 为气体的热传导率!J O 为8F 33B 1O 数!这里可以表示为J O A "($D $(’$?-!*"L .!*&这里?-为:B 2461E 3数!L .为I @/4E O 1数(校正后的温度曲线如图’中的曲线G 所示!可以看出!校正温度和实测温度之间存在")!$.3的延时#在+&.3时!温度开始上升!并在!"".3时达到最大值!而对于处于同位置的离子电流来说!在+’.3时开始上升!并且上升的速率很大!在’).3达到最大值#此后!化学反应强度逐步下降!在下降过程中呈现出一定的震荡性#图9!*/*S截面的温度和离子电流曲线由图’可知化学反应开始于+’.3!在化学反应区中随着化学反应的进行!温度快速上升!由图中可以看出!当离子电流最大时!温度上升的速率最大#此后!化学反应强度有所降低!但反应的放热仍大于系统的热损失!所以温度持续上升!直到化学反应快结束时!温度在!"".3时达到最大值#此后!化学反应的放热量小于体系的热损失!火焰的温度逐步的下降#而温度开始上升的时间为+&.3!在+&到+’.3的区域内!燃烧化学反应还没有开始而温度开始上升!这里的温升主要是由于火焰阵面的燃烧反应放出的热量通过热传导和热辐射引起的!这个区域我们称之为预热区!通过温度开始上升的时间+&.3和离子电流开始上升的时间+’.3和火焰的传播速度%#+).*3!可以算出预热区的厚度约为"#+)5.#图)为甲烷&煤尘复合体系的火焰传播特征!分别为/C /B 截面处的校正温度曲线&光电流曲线和离子电流曲线(1!为光电流开始上升的时刻!1"为温度开始上升的时刻!1&为离子电流开始上升的时刻!1,为离子电流最大值的时刻!1+为光电流最大)*,!第!"卷!第#期!$%%"年#月的时刻!1’为温度最大的时刻(其中$1!A,*(+.3!1"A +&.3!1&A +’.3!1,A ’).3!1+A *).3!1’A !"".3(可以看出!1!时刻光电流开始有响应!此时并没有温升!从1!到1"时刻!光电流缓慢的上升!但幅值一直都很小!这可能是由于煤尘粒子的散射光引起的!这一区域的宽度为"(**5.(图;!甲烷$煤尘复合体系的火焰传播特征1"时刻开始温度曲线开始上升!在开始的几个毫秒内上升的比较缓慢!此后迅速的上升!直到1’时刻达到最大值!从1"到1&时刻!化学反应并没有开始!所以温度的上升主要是由于热辐射和传导造成的!这一区域为复合火焰的预热区!它的宽度大约为"(+)5.(1&时刻开始!离子电流开始上升!并且上升的速度很快!说明化学反应一旦开始就非常的迅速!随着化学反应的进行!体系的温度迅速上升!光电流也随之增大!表现为三条曲线都在较快的上升(由图中可以看出!光电流最大的时刻1+位于离子电流最大值时刻1,和温度最大值时刻1’之间!说明火焰的发光不单单是由于温升造成的!化学反应过程的发光也占据一个很重要的因素((!结论本研究利用高速摄像机&超细热电偶&离子电流探针&光电二极管等对管道内甲烷)煤尘复合火焰的传播特征和火焰阵面结构进行了研究!得到了如下结论$在甲烷)煤尘复合体系中传播火焰!点火初期的火焰主要由甲烷)空气的气相火焰构成!火焰发出的光很弱"随着化学反应的进行!体系的温度不断的上升!煤粒分解并开始燃烧!发出较亮的光#在复合火焰中!由于煤粒热解和燃烧过程持续较长时间!所以火焰区域在传播过程中不断被拉长!火焰在较大的区域都存在"在火焰阵面上!化学反应和温度的上升形成一个正反馈!化学反应速率最大的时候温度的上升速率最大#甲烷)煤尘复合体系传播火焰结构为$最前面为煤尘粒子散射光形成的一个区域!它的厚度大约为"#**5."跟随其后是预热区!它的厚度大约为"#+)5."预热区的后面是化学反应区!在这个区域中!化学反应强度迅速的上升!温度也跟着迅速的升高!同时发出较强的光#参!考!文!献!!W O O C $**A A A#3E C 5#H 6M #54*][H R *O "$$’$"$*2+*!+!#W O ."!林柏泉!周世宁#障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响#中国矿业大学学报!!***!"%#"%$!$,)!$)&!何学秋!杨!艺#障碍物对瓦斯爆炸火焰结构机火焰传播影响的研究#煤炭学报!"$$,!")#"%$&’),$,!>055/@B 110U !?65506^N !U 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%比例方面!与发达国家相比!中国仍然很低#我国现行的申请项目&研究所及科学家绩效评价系统还有待完善!现行的评价系统主要基于短期的产出!而不是基于长期的发现#对研究所和个人绩效评价而言!应逐步建立一个更加宽容&更加全面&鼓励科学冒险精神的的评价系统#发达国家广泛使用的独立的同行评议模式应该在中国各个层面上的科学评价系统中采用#文章指出!尽管面临着一些挑战!中国在推动实现科学事业现代化长远目标方面正阔步前进#改革&开放使中国科学家在科学研究国际化的大趋势中获益!中国科学院一些研究所已开始招聘外国籍的优秀人才在中国开展科学研究工作#由于中国的国情和农业的特殊重要性!中国生命科学和农业研究的经费将逐年继续增加!对农业应用科学技术和农业生物技术的投入亦将增加#增加资助经费仅是消除中国与发达工业化国家科学技术差距的一个重要方面!只有逐步解决上述科学发展面临的挑战!才能形成真正世界水平的研究环境#该文章是对中国目前植物生物学研究状况的一个比较客观的分析和评价!诚如文章中分析的那样!由于中国是一个农业大国!而植物学作为农业研究的基础!其发展受到了各级部门和领导的关注!科学基金在植物生物学人才和队伍的建设方面发挥了积极的作用!取得了丰硕的成果!近几年仅国家杰出青年科学基金获得者就有!*位!创新研究群体%个!但如何解决目前面临的挑战并将良好的发展势头变为优势是今后工作应该关注的重点!这涉及到观念&管理模式和资助模式等问题!同时也需要有一些大的研究计划参与到国际的激烈竞争中!形成竞争和创新的氛围!并能够以完全开放的态度吸引各国优秀的人才到中国国内从事科学研究!这样中国的植物生物学时代才能够真正到来7!供稿"冯!锋!闫章才!温明章#**,!第!"卷!第#期!$%%"年#月。
火灾化学—第四讲
• 可燃性气体：甲烷、乙烷、丙烷、 可燃性气体：甲烷、乙烷、丙烷、 乙烯等烯烃、甲醛、丙酮、 乙烯等烯烃、甲醛、丙酮、一氧化 碳及单体、二聚体等； 碳及单体、二聚体等； • 不燃性气体或低燃烧值气体：N2、 不燃性气体或低燃烧值气体： SO2、卤化氢、NH3等； 卤化氢、 • 液体：熔融聚合物、预聚体及焦 液体：熔融聚合物、 油等； 油等； • 固体：炭化物等； 固体：炭化物等；
材料的自燃
可燃物在没有外部明火等火源的作用下，因受热或自 身发热并蓄热所产生的自行燃烧现象称为“自燃”。 自燃的主要方式有7种： ① 氧化发热； ② 分解放热； ③ 聚合放热； ④ 吸附放热； ⑤ 发酵放热； ⑥ 活性物放热； ⑦ 可燃物与强氧化剂的混合。
常见物质的燃烧特点 （1）可燃液体的燃烧特点
（2）可燃固体的燃烧特点
固体可燃物必须经过受热、蒸发、热分解，使固 体上方可燃气体浓度达到燃烧极限，才能持续不 断地发生燃烧。 燃烧方式：蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧、阴 燃。
燃烧的过程
（1）可燃气体 可燃气体在火源作用下加热到着火点 （燃点）就能氧化分解燃烧，是最容易燃烧的物质状 态。如：
2C2H2 + 5O2 = 4CO2 + 2H2O + Q
炭化残渣
（热量反馈） 热量反馈）
聚合物燃烧的机理示意
燃烧是剧烈的氧化反应，高聚物燃烧时放出燃烧热，火焰产生的热量通过辐射、对 流、传导使聚合物温度升高，并使聚合物化学键裂解，向火焰不断提供燃料，使得燃烧 得以继续。热量使得聚合物表面结构破坏、鼓泡或开裂，使得暴露高温下的固体表面与 空气的接触面增大，使得更多的气体进入燃烧区。
黏流态：温度继续升高， 黏流态：温度继续升高，整个分子链发生互相
滑移， 滑移，这种流动同低分子液体流动相类似 。
fluent甲烷燃烧机理文件
fluent甲烷燃烧机理文件甲烷是一种碳氢化合物，由一个碳原子和四个氢原子组成。
它是天然气的主要成分，也是一种重要的燃料。
甲烷燃烧是一种常见的化学反应，当甲烷与氧气接触时，会发生燃烧反应，产生二氧化碳和水。
甲烷的燃烧机理是一个复杂的过程，涉及到多个步骤和中间产物。
甲烷的燃烧可以分为三个主要阶段：点火阶段、燃烧阶段和熄灭阶段。
在点火阶段，甲烷和氧气在高温下发生反应，产生一种称为自由基的中间产物。
这些自由基随后会与氧气反应，导致化学链反应的产生。
这些链反应会引发甲烷的燃烧，释放出大量的热能。
在燃烧阶段，甲烷和氧气的反应将进一步加剧，加热周围的物质。
同时，产生的热能会使甲烷分子和氧气分子分解，形成碳氢化合物和水蒸气。
这一过程是一个高温高压的化学反应，产生的热能会使周围的物质燃烧起来。
最后，在熄灭阶段，当氧气供给不足时，燃烧反应会停止。
这时，燃烧区域内的氧气已经被消耗殆尽，甲烷分子无法继续与氧气反应。
这时，燃烧区域内的温度会迅速下降，甲烷分子不再能够与氧气反应，导致燃烧停止。
甲烷燃烧的机理是一个复杂的过程，受到温度、压力、氧气浓度等多种因素的影响。
在工业生产和能源利用中，了解甲烷燃烧的机理对于提高能源利用效率、减少环境污染具有重要意义。
另外，甲烷燃烧也常常受到化学反应动力学的影响。
化学反应动力学研究了化学反应速率与反应条件（如温度和浓度）之间的关系。
在甲烷的燃烧过程中，由于燃烧反应涉及到多个步骤和中间产物，因此其反应速率会受到多种因素的影响。
总之，甲烷的燃烧机理是一个复杂的过程，涉及多个步骤和中间产物。
了解甲烷燃烧的机理对于优化工业生产和能源利用方式具有重要意义。
同时，化学反应动力学的研究也为我们深入理解甲烷燃烧提供了重要的理论基础。
甲烷燃烧反应类型
甲烷燃烧反应类型1. 引言甲烷燃烧反应是一种常见的化学反应，也是地球上一种重要的能量转化过程。
在本文中，我们将深入探讨甲烷燃烧反应的类型及其相关性质和应用。
本文分为以下几个部分进行讨论：1.甲烷的结构与性质2.甲烷燃烧的类型3.甲烷燃烧的反应机理4.甲烷燃烧的应用2. 甲烷的结构与性质甲烷（CH4）是一种由一个碳原子和四个氢原子组成的有机化合物。
碳原子的四个键与四个氢原子相连，形成一个四面体结构。
由于它只含有碳和氢两种元素，甲烷是一种非极性分子。
这种结构使得甲烷具有许多独特的性质，如低沸点和无色无味。
3. 甲烷燃烧的类型甲烷燃烧反应可以分为完全燃烧和不完全燃烧两种类型。
下面对这两种类型进行详细讨论。
3.1 完全燃烧完全燃烧是指甲烷与氧气在适当的条件下充分反应，生成二氧化碳和水。
这是一种高温反应，在足够的氧气存在下进行。
完全燃烧的化学方程式如下：CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O完全燃烧反应是一个放热反应，产生大量的热能。
这种能量转化使得甲烷成为一种重要的燃料，广泛应用于工业生产和家庭供暖等领域。
3.2 不完全燃烧不完全燃烧是指甲烷与氧气反应不充分，产生的产物中还包含一些未被氧化的碳和氢化合物。
不完全燃烧通常发生在氧气供应不足或燃烧温度低的情况下。
不完全燃烧的化学方程式如下：CH4 + O2 -> CO + 2H2O不完全燃烧产生的一氧化碳（CO）是一种有毒气体，对环境和人体健康都有一定的危害。
因此，确保甲烷燃烧进行到完全燃烧状态十分重要。
4. 甲烷燃烧的反应机理甲烷燃烧反应的具体机理是一个复杂的过程，可以分为以下几个步骤：1.初始阶段：甲烷分子与氧气分子发生碰撞，并在高能量作用下打破甲烷的碳-氢键。
2.进一步反应：碳-氢键断裂后，产生的游离碳原子与氧气分子再次发生碰撞，并形成碳氧化物（CO）。
3.完全氧化：CO与氧气继续反应，形成二氧化碳（CO2）。
4.氢的反应：未反应的氢原子与氧气形成水分子（H2O）。
甲烷燃烧的能量变化
甲烷燃烧的能量变化甲烷作为最常见的天然气体，其燃烧过程及其能量变化受到广泛关注。
甲烷燃烧在许多领域有着广泛的应用，如能源供应、工业生产以及农业生产等。
了解甲烷燃烧的能量变化，有助于我们更好地利用这一清洁能源，提高能源利用效率，降低环境污染。
一、甲烷的燃烧过程甲烷燃烧是指甲烷与氧气在一定条件下发生的氧化还原反应。
在燃烧过程中，甲烷分子中的碳氢键断裂，与氧气结合生成二氧化碳和水。
这一过程可以分为三个阶段：预热、燃烧、后燃烧。
二、甲烷燃烧的能量变化1.燃烧前后的能量状态在燃烧前，甲烷分子内的化学能以碳氢键的形式存在。
燃烧过程中，甲烷分子断裂，化学能转化为热能、光能和声能等形式。
燃烧后的产物二氧化碳和水分别具有不同的能量状态。
2.燃烧过程中的能量释放甲烷燃烧是一个放热反应，燃烧时会产生大量的热量。
这一热量来源于甲烷分子中化学能的释放。
此外，燃烧过程中还会产生光和声现象，这些都是能量释放的表现。
3.燃烧产物的能量含量燃烧产物二氧化碳和水的能量含量与甲烷燃烧过程密切相关。
在充分燃烧的情况下，二氧化碳和水的能量含量相对较低。
然而，在不充分燃烧的情况下，产生的燃烧产物能量含量会较高，同时还会产生一定量的有毒气体。
三、影响甲烷燃烧能量变化的因素1.燃烧条件燃烧条件对甲烷燃烧的能量变化具有重要影响。
例如，燃烧温度、氧气浓度、燃烧速率等都会影响燃烧过程中能量的释放。
优化燃烧条件，可以提高甲烷燃烧的能量利用率。
2.燃烧设备燃烧设备的选型和运行参数对甲烷燃烧能量变化也有很大影响。
先进的燃烧设备可以实现甲烷的高效燃烧，降低能源浪费。
同时，合理的燃烧设备设计和运行参数调整也有助于减少污染物排放。
3.燃烧效率燃烧效率是衡量甲烷燃烧能量变化的关键指标。
提高燃烧效率，可以有效降低能源损失，减少环境污染。
采用先进的燃烧技术和设备，优化燃烧过程，是提高燃烧效率的关键。
四、甲烷燃烧在实际应用中的能量利用1.清洁能源利用甲烷作为一种清洁高效的能源，其在能源供应方面的应用日益广泛。
第四章 甲烷着火与燃烧特性的反应动力学分析
第四章 甲烷着火与燃烧特性的反应动力学分析4.1化学反应动力学模型选择4.2着火特性的反应动力学分析4.3燃烧特性的反应动力学分析本节将采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应详细机理（Gri_mech 3.0、NUI Galway_Mech 、USC_Mech 2.0）对第三章中相同的实验工况下甲烷/空气混合气的层流燃烧速率进行数值计算，并将计算结果与实验数据进行对比分析。
4.3.1初始压力对l U -Φ的影响在初始温度u T 为K 290，初始压力u P 分别为Mpa 1.0、Mpa 2.0和Mpa 3.0时，采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应机理对其层流燃烧速率进行数值计算，将得到图3.24 T u =290K 时不同初始压力下层流燃烧速率随当量比变化趋势的计算结果与实验数据对比图当Mpa P u 1.0=时，采用Gri_2.1动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据吻合良好，另外两种动力学模型计算得到的结果则与实验数据存在一定偏差；当Mpa P u 2.0=时，在Φ值小于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据较为接近，另外两种动力学模型计算得到的结果则与实验数据有偏差，但在Φ值大于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型和USC_Mech 2.0动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率最接近实验值；当Mpa P u 3.0=时，三种动力学模型的计算结果均与实验数据有偏离。
经过综合分析，在三种压力工况下，Gri_2.1动力学模型能够较为准确的预测甲烷/空气混合气的层流燃烧速率。
4.3.2初始温度对l U -Φ的影响在初始压力u P 为Mpa 1.0，初始温度u T 分别为K 290、K 320和K 350时，采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应机理对其层流燃烧速率进行数值计算，将得到的计算结果与实验数据进行对比分析，如图3.25所示。
甲烷燃烧实验探究甲烷燃烧实验
甲烷燃烧实验探究甲烷燃烧实验
甲烷是是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯，可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料，最基本的氧化反应就是燃烧。
今天我们就通过实验的方式带大家一起学习一下甲烷燃烧的相关内容。
一、实验目的
认识甲烷的物理性质，学会检验生成物中的水和二氧化碳。
二、实验原理
CH4+2O2=点燃=CO2↑+2H2O
三、实验器材
烧杯、导管、试管、酒精灯、贮气装置、甲烷
四、实验步骤
1、为了防止甲烷中混有氧气，在点燃时发生爆炸，所以点燃前要验纯;其验纯的操作为：用排水法收集一小试管甲烷，然后靠近点燃的酒精灯，如果发出“噗”的声音则表明纯净，如果发出尖锐的爆鸣声则表明不纯净。
2、观察甲烷的颜色、状态，发现甲烷是无色无味的气体状态，家用的天然气通常会具有一种特殊的气味，那是为了安全而添加的人工气味，通常是使用甲硫醇或乙硫醇。
3、点燃从导管放出的甲烷，在火焰的上方罩一个冷而干燥的烧杯。
观察点然后的实验现象，会发现冷而干燥的烧杯杯壁上出现小水珠，说明生成了水。
4、迅速把烧杯倒过来，向烧杯内注入少量澄清石灰水，振荡。
观察实验现象会发现，澄清的石灰水变浑浊，说明生成了二氧化碳。
五、实验结论
甲烷能够被点燃，说明甲烷具有氧化性和可燃性，这种氧化性在能量变化方面表现为放热，因此在日常生活中可以用于做饭等等。
甲烷燃烧的化学方程式及性质
甲烷燃烧的化学方程式及性质
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甲烷燃烧的化学方程式
完全燃烧：CH4+2O2=CO2+2H2O
不完全燃烧：2CH4+3O2=2CO+4H2O
甲烷的性质
1.甲烷的物理性质
甲烷是无色无味、极难溶于水、密度比空气小的气体。
2.甲烷的化学性质
（1）具有稳定性
通常情况下，甲烷性质比较稳定，与强酸、强碱不反应，与高锰酸钾溶液等强氧化剂也不反应。
（2）氧化反应——可燃性
将甲烷在空气中点燃，观察燃烧现象并检验燃烧产物。
甲烷的存在与用途
（1）甲烷的存在
甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。
我国的天然气主要分布在中西部地区及海底。
（2）甲烷的主要用途
以甲烷为主要成分的天然气和沼气都是理想的清洁能源。
甲烷还可用作化工原料。
归纳总结：
甲烷分子空间构型为正四面体形，碳原子位于中心，4个氢原子位于顶点，4个C—H键的。
不同富氧氛围下甲烷燃烧特性及其综合分析
不同富氧氛围下甲烷燃烧特性及其综合分析
李树豪;王堃旗;席双惠;郭霄;李尚俊
【期刊名称】《郑州航空工业管理学院学报》
【年(卷),期】2024(42)3
【摘要】针对富氧氛围下甲烷燃烧特性及其最佳的富氧条件,分别在氧气含量为21%、24%、27%、30%、33%和36%条件下开展了甲烷点火延迟时间、绝热火焰温度、火焰传播速度、羟基生成率及氮氧化物排放等燃烧性能研究,并采用变异扰动法实现了不同富氧氛围对甲烷燃烧贡献的定量化表征和综合评估,同时基于敏感度分析和反应路径分析等途径揭示了富氧氛围对甲烷燃烧的关键反应和微观机制的影响规律。
结果表明:富氧氛围显著缩短了甲烷的点火延迟时间,有利于羟基的生成,且有效提高了绝热火焰温度和火焰传播速度,但其却增大了氮氧化物的排放;同时在本研究工况范围内确定了27%的含氧量是甲烷富氧燃烧的最佳氛围,动力学分析结果显示,富氧氛围对甲烷燃烧的重要路径影响不大,但会加快各通道的反应速率。
【总页数】11页(P65-74)
【作者】李树豪;王堃旗;席双惠;郭霄;李尚俊
【作者单位】郑州航空工业管理学院航空发动机学院;郑州航空工业管理学院材料学院;郑州航空工业管理学院机械工程学院;四川大学化学工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK16
【相关文献】
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3.不同燃烧压力下煤粉富氧燃烧特性试验研究
4.不同压力下富氧燃烧锅炉烟气换热特性的试验研究
5.甲烷／富氧扩散火焰燃烧区域的分层特性研究
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甲烷燃烧的现象和方程式
甲烷燃烧的现象和方程式
甲烷燃烧产生明亮的蓝色火焰,火焰上方的烧杯中有水珠出现,同时生成能使澄清石灰水变浑浊的气体。
甲烷，是一种碳氢化合物，我们俗称瓦斯，是Z简单的有机物，是沼气，天然气，坑气等的主要成分。
甲烷也是含碳量Z小（含氢量Z大）的烃，可用来作为燃料及制造炭黑、氢气、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。
甲烷分子式为CH4，由分子式我们就可以看出甲烷在空气或氧气中燃烧，会生成二氧化碳和水，反应的化学方程式为：
CH4+2O2==CO2+2H2O（记住碳氢、碳氢氧化合物燃烧生成物均为水和二氧化碳）放热（所有燃烧都放热），甲烷燃烧时产生淡蓝色火焰（H2燃烧火焰也一样），用蘸有澄清石灰水的烧杯罩在火焰上方，石灰水浑浊（CO2），用一干而冷的烧杯罩在火焰上方，烧杯内壁出现水雾（H2O），再提一下，标准的查水方法是用无水硫酸铜（CuSO4）甲烷被人们俗称为瓦斯，是最简单的有机物，也是人们所使用的天燃气与沼气的主要成分。
甲烷在氧气中燃烧会产生明亮的蓝色火焰并且火焰上方的烧杯中有水珠出现，同时生成能使澄清石灰水变浑浊的二氧化碳。
甲烷是一种无色无味的气体，也是造成温室效应的原因之一，更是人们生活中不可缺少的燃火用品。
甲烷还能作为化工原料来生产其它的化合物产品，如乙炔，三氯甲烷，二氯甲烷等。
自然界的甲烷主要来自于植物以及落叶，植物每年产生的甲烷大约占到世界甲烷生成量的10%到30%。
甲烷点燃反应
甲烷（化学式CH4）是一种无色、无臭的气体，也是天然气的主要成分之一。
当甲烷与氧气发生充分混合并达到一定的点燃条件时，可以发生燃烧反应。
甲烷的点燃反应方程式如下：
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + 热能
在点燃反应中，甲烷与氧气发生反应，生成二氧化碳（CO2）、水（H2O）和热能。
这是一个放热反应，释放的热能可以用于供能和加热等各种目的。
甲烷的点燃反应需要满足一定的点燃条件，即甲烷和氧气的组分和比例必须在可燃范围内。
甲烷的可燃范围是指甲烷浓度在5%到15%的气体混合物，在这个范围内，气体具有足够的燃烧性能。
此外，还需要提供足够的点燃能量，例如通过火焰、电火花等方式引发点燃反应。
需要注意的是，甲烷是一种易燃气体，在点燃时会产生明亮的火焰，并放出大量的热能。
因此，在进行甲烷点燃实验或使用甲烷作为能源时，应谨慎操作，并遵循相关的安全规定，避免发生火灾或其他安全事故。
同时，要确保良好的通风条件，避免甲烷积聚形成爆炸性混合物。
甲烷-T425混合物的着火动力学研究
甲烷-T425混合物的着火动力学研究戴文丹;李格升;张尊华;梁俊杰【摘要】基于CHEMKIN PRO软件研究了不同初始温度和甲烷掺混比例下甲烷-T425(摩尔比分别为57.5％,42.5％的正庚烷、甲苯混合物,简称T 425)混合物的着火特性,并进行了反应动力学分析.结果表明,甲烷-T 425混合物的着火延迟时间随甲烷掺混比例的变化规律因初始温度不同而存在一定的差异.在中温区(725～925 K),当甲烷掺混比例低于82.5％时,混合物的着火延迟时间存在NTC(negative temperature coefficient)现象,随着甲烷掺混比例的增加,NTC现象消失.此外,混合物的着火延迟时间与甲烷掺混比例之间呈现出非线性的关系.根据着火延迟时间的变化规律,对30 M Pa、当量比1.0条件下不同甲烷掺混比例的甲烷-T 425混合物着火过程进行了反应路径分析,结果表明,高甲烷掺混比例下,混合燃料着火延迟时间NTC现象的消失是正庚烷的负温度系数现象和甲烷、甲苯正温度系数现象综合作用的结果.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2019(043)001【总页数】6页(P86-91)【关键词】甲烷-T425混合物;着火特性;反应路径分析【作者】戴文丹;李格升;张尊华;梁俊杰【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063;武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063;武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063;武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】TK160 引言研究天然气-柴油双燃料的着火特性对深入理解双燃料着火过程、优化双燃料发动机缸内燃烧具有重要意义.甲烷是天然气的主要成分，经常被用作天然气的单组分替代燃料[1-4].柴油的成分主要分为直链烷烃、支链烷烃、芳香烃和环烷烃，其替代燃料可分为单组分替代物和多组分替代物.对于柴油单组分替代物，例如，正庚烷，由于其十六烷值(CN=56)与柴油(40～56)较为接近，被广泛作为柴油单组分替代物应用于燃烧研究.对于柴油多组分替代物，一般根据柴油的实际组成或与研究相关的物性参数来选取不同组分构建替代物.考虑到实际柴油中芳香烃的质量含量超过30%[5]，有学者提出用烷烃和芳香烃的混合物作为柴油的替代物.Corcione等[6]用正庚烷和甲苯来构建柴油替代物模型燃料，摩尔比为7∶3，结果发现，该替代物燃料与柴油的十六烷值、挥发特性，以及其他物化特性较接近，且能准确模拟出柴油碳烟的形成过程.Hernandez等[7]以质量比为1∶1的正庚烷-甲苯二元混合燃料作为柴油的替代物，对比了该替代物着火延迟时间的模拟值与HCCI单缸发动机的测试数据，结果表明，两者具有良好的一致性，即用正庚烷和甲苯混合可以准确地模拟柴油的着火过程.综上来看，可以用甲烷以及正庚烷-甲苯混合物分别作为天然气和柴油的替代物模型.关于甲烷的着火特性，Huang等[8]通过激波管试验装置对高压、中温、贫燃料条件下甲烷-空气混合物的着火特性进行了试验和模拟研究，结果表明，甲基的氧化反应是1 250 K条件下化学当量的甲烷-空气混合物提前点火的主要限速步骤.对于正庚烷-甲苯混合物的着火特性，国内外也开展了一些研究[9-10]，其中试验主要集中在中低温(600～1 200 K)、高压(1～5 MPa)条件下，结果表明，正庚烷氧化过程中产生的过氧氢基会显著促进甲苯的氧化速率，且正庚烷-甲苯混合物的着火特性与正庚烷-空气混合物类似，均呈现出NTC[11](negative temperature coefficient)现象.综上来看，对于甲烷、正庚烷-甲苯的着火特性研究主要集中在其各自的着火特性上，关于甲烷-正庚烷-甲苯三元混合物的着火特性研究较少，研究有待进一步深入.因此，本文基于CHEMKIN PRO软件，对甲烷-正庚烷-甲苯混合燃料的着火过程进行模拟分析，探索混合物着火延迟时间随初始温度和掺混比例的变化规律，进行着火过程的反应路径分析，揭示各组分燃料在着火过程中的相互关系.1 研究方法1.1 模型燃料构建分别以甲烷和正庚烷-甲苯混合物作为天然气和柴油的替代物模型.Poon等[12]指出，在开展燃料燃烧特性(反应热、局部空气/燃料化学计量位置、火焰温度和火焰速度等)的模拟研究时碳氢比具有重要作用，在构建柴油替代物模型时，需要特别注意碳氢比的一致性.因此，本文以碳氢比为目标参数，计算了柴油替代物模型燃料中正庚烷和甲苯的摩尔比例，分别为57.5%和42.5%(简称该模型燃料为T425).此外，根据Murphy等[13]提出的混合物十六烷值计算方法，本文也计算了所构建的柴油替代物模型的十六烷值以及最低热值和沸点参数.关于实际柴油及其替代物的燃料特性具体见表1.表1 柴油及其替代物模型燃料的特性物理参数柴油T425H/C 比1.8001.800化学式(摩尔分数)C3-C25Mn-heptane:Mtoluene = 0.575:0.425CN40～5639.98低热值/(MJ·kg-1)42.97543.010沸点/℃350.0371.5注：M-摩尔比.1.2 模拟方法利用化学动力学软件CHEMKIN PRO模拟了甲烷-T425混合物的定容绝热燃烧过程，获得了混合物的着火延迟时间模拟值，其中，以CH浓度最大值对应的时刻为着火时刻来计算着火延迟时间.甲烷是正庚烷和甲苯等高碳燃料燃烧过程中的中间组分之一，所以甲烷燃烧的化学动力学子机理也是正庚烷和甲苯燃烧化学动力学机理中不可缺少的组成部分,因此，理论上讲，可以使用正庚烷和甲苯二元燃料的化学动力学机理来模拟甲烷-正庚烷-甲苯混合物的燃烧过程.对于正庚烷-甲苯混合物，Mehl等[14-15]均提出了相关的机理以描述其燃烧过程，其中Mehl等人提出的机理包含1 389种组分、5 930个基元反应(简称MEHL机理)，Andrae等提出的机理包含1 121种组分、4 961个基元反应(简称ANDRAE机理).为验证上述机理的准确性，本文利用MEHL机理和ANDRAE机理分别预测了正庚烷-甲苯的着火延迟时间，并与文献[9]和Hartmann等[16]的试验数据进行了对比，结果见图1a)～1b).此外，本文也利用上述机理预测了甲烷的着火延迟时间，并与Petersen等[17]的试验数据进行对比，以验证该机理在甲烷着火延迟时间预测的准确性，见图1c)～1d).由图1a)～1b)可知，对于正庚烷-甲苯混合物，MEHL机理能准确预测出其着火延迟时间；而对于ANDRAE机理，在正庚烷体积比为90%时，其预测值与试验结果存在一定的差异，特别是在NTC区域，偏差较显著.由图1c)～1d)可知，对于甲烷，这两个机理均能准确预测其着火延迟时间.综上来看，MEHL机理对甲烷及正庚烷-甲苯混合物的着火延迟时间预测准确性较高，因此本文选择MEHL机理来模拟甲烷-T425混合物的着火过程.2 结果与讨论2.1 甲烷-T425混合物着火延迟时间本文基于MEHL机理预测了90%氩气稀释时甲烷-T425混合物在不同初始温度和甲烷掺混比例下的着火延迟时间，结果见图2a).由图2a)可知，甲烷-T425混合物的着火延迟时间随初始温度的变化与甲烷掺混比例有关：在低甲烷含量时，混合物的着火延迟时间随着初始温度的升高先下降后上升再下降，呈现出NTC现象；当甲烷掺混比例上升到一定值(82.5%)时，随着初始温度的提高，混合物的着火延迟时间持续下降，即NTC现象消失.整体来看，甲烷-T425混合物的着火延迟时间随初始温度的变化趋势可大致分为低温(<725 K)、中温(725～975 K)、高温(>975 K)三个区域，为了更详细地说明甲烷掺混比例对甲烷-T425混合物着火延迟时间的影响，本文利用MEHL机理预测了低温700 K、中温850 K、高温1 000 K条件下甲烷-T425混合物的着火延迟时间随甲烷掺混比例的变化，结果见图2b).图1 正庚烷-甲苯混合物/甲烷着火延迟时间试验值与模拟值比较图2 不同甲烷掺混比例下的混合物的着火延迟时间由图2b)可知，甲烷-T425混合物的着火延迟时间与甲烷掺混比例之间存在非线性的关系，即低甲烷掺混比例时，混合物的着火延迟时间变化不显著，在甲烷掺混比例上升到一定值后，混合物的着火延迟时间开始发生显著的变化.2.2 反应路径分析为了探究甲烷掺混比例提高时甲烷-T425混合物着火延迟时间NTC现象消失的原因，本文对甲烷-T425混合物着火过程的全局反应路径进行了分析，初始条件为中温850 K、压力3 MPa、当量比1.0，甲烷掺混比例分别为80%和85%，结果见图3，其中百分数表示某物质通过该通道消耗的量占其所有消耗量的比值.由图3a)可知，850 K时，在甲烷-T425混合物着火过程中，CH4主要通过与H,O,OH反应生成CH3，然后再逐步被氧化，其中以OH消耗的CH4量最多；当甲烷掺混比例从80%增至85%时，CH4的主要消耗途径基本没有变化.根据图3b)可知，在850 K时，甲苯(C6H5CH3)主要通过与HO2,OH,H发生脱氢反应，生成C6H5CH2，然后再加氧、脱氢生成苯甲醛(C6H5CHO)进一步氧化，部分C6H5CH3与OH反应脱去苯环上的氢，生成C6H4CH3，之后再经历加氧脱氢的过程.在不同甲烷掺混比例下，C6H5CH3氧化过程变化不显著，但其主要初始氧化产物C6H5CH2的反应路径发生了较大变化，见图3b)方框中所示，C6H5CH2与CH3反应生成了乙苯(C6H5C2H5)，当甲烷掺混比例提高时，该通道所消耗的量所占的比例由7.21%降到了0.93%.根据图3c)可知，与CH4的起始氧化反应类似，NC7H16主要通过与H,O,OH作用发生脱氢反应，且OH消耗的NC7H16最多；此外，HO2在NC7H16的氧化中也起到较大的作用.NC7H16脱氢后的产物主要为C7H15-2和C7H15-3，C7H15-1和C7H15-4都较少，这主要由于NC7H16分子结构中不同位置的C原子具有不同的C—H键能，伯碳的C—H键能大于仲碳的C—H键能[18]，即NC7H16分子结构中CH3的C—H键更不容易断开.NC7H16完成脱氢后，其主要经历一次加氧和二次加氧过程.图3 不同甲烷掺混比例下甲烷-T425混合物着火过程中各组分的反应路径(p=3 MPa，φ=1.0，T=850 K，90% Ar，白色背景：80%CH4，灰色背景：85%CH4) 对于甲烷、甲苯和正庚烷，只有正庚烷的着火延迟时间在中温存在NTC现象，因此，为进一步分析甲烷掺混比例提高时甲烷-T425混合物着火延迟时间NTC现象消失的原因，本文根据正庚烷的反应路径，分析了不同初始温度下NC7H16生成C7H15-2之后的反应路径随甲烷掺混比例的变化，结果见图4.由图4a)可知，低温700 K时，NC7H16经过一次加氧后先发生异构化反应，然后进行二次加氧反应，而中温850 K时，NC7H16一次加氧后参加分解反应的量增多，使得系统中OH生成量显著减少，从而抑制整个系统的活性，出现NTC现象.在图4b)中，随着甲烷掺混比例的增大，通道(3)和(4)的反应总量有所增加，即NC7H16氧化过程中中温链反应也增多，抑制了整个系统活性.综合来看，从低温升至中温，随着甲烷掺混比例的提高，正庚烷的中温氧化路径显示其着火过程中仍存在NTC现象，但是甲烷-T425混合物的着火延迟时间并不存在NTC现象，这从侧面说明此时甲烷和甲苯对混合物着火延迟时间的影响占据主导作用，即高甲烷含量下，甲烷-T425混合物着火延迟时间NTC现象的消失是正庚烷的负温度系数现象和甲烷、甲苯的正温度系数现象相互博弈的结果.图4 不同初始温度下NC7H16生成C7H15-2后的反应路径随甲烷掺混比例的变化(p=3 MPa，φ=1.0，90%Ar，白色背景：T=850 K；灰色背景：T=700 K)3 结论1) 甲烷-T425混合物的着火延迟时间随初始温度的变化规律可分为低温、中温、高温三个区域，在中温区域，混合物着火延迟时间存在NTC现象.但当甲烷掺混比例高于82.5%时，混合物着火延迟时间的NTC现象消失.2) 甲烷-T425混合物的着火延迟时间随着甲烷掺混比例的增大呈非线性增长，低甲烷含量时，混合物的着火延迟时间缓慢增长，在甲烷含量上升到一定量之后，混合物着火延迟时间显著增长.3) 3 MPa、当量比1.0条件下，当甲烷掺混比例高于82.5%时，虽然正庚烷的着火延迟时间仍存在NTC现象，但此时甲烷和甲苯对混合物着火延迟时间的影响占据主导作用，从而使得混合物的着火延迟时间不存在NTC现象.参考文献【相关文献】[1] TANG C, WEI L, ZHANG J, et al. 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甲烷乙醇燃烧实验报告
一、实验目的1. 观察甲烷和乙醇燃烧的现象。
2. 了解并比较甲烷和乙醇燃烧时的火焰颜色、温度和烟尘等特性。
3. 掌握燃烧实验的基本操作步骤和注意事项。
二、实验原理甲烷（CH4）和乙醇（C2H5OH）都是常见的有机化合物，它们在燃烧过程中与氧气（O2）反应，生成二氧化碳（CO2）和水（H2O），并释放出能量。
甲烷燃烧反应方程式：CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O乙醇燃烧反应方程式：C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O三、实验用品1. 甲烷气体瓶2. 乙醇液体3. 点火器4. 烧杯5. 火柴6. 温度计7. 烟尘检测仪8. 安全眼镜9. 实验记录本四、实验步骤1. 甲烷燃烧实验1.1 将甲烷气体瓶倒置，连接到点火器。
1.2 点燃点火器，将火焰引入甲烷气体瓶。
1.3 观察火焰颜色、温度和烟尘等特性。
1.4 记录实验现象。
2. 乙醇燃烧实验2.1 将乙醇液体倒入烧杯中。
2.2 点燃点火器，将火焰引入烧杯中的乙醇液体。
2.3 观察火焰颜色、温度和烟尘等特性。
2.4 记录实验现象。
五、实验现象1. 甲烷燃烧- 火焰颜色：蓝色- 温度：较高- 烟尘：较少2. 乙醇燃烧- 火焰颜色：黄色- 温度：较高- 烟尘：较多六、实验结论1. 甲烷和乙醇都能燃烧，释放出能量。
2. 甲烷燃烧时火焰颜色为蓝色，温度较高，烟尘较少；乙醇燃烧时火焰颜色为黄色，温度较高，烟尘较多。
3. 甲烷和乙醇的燃烧产物均为二氧化碳和水。
七、实验讨论1. 甲烷和乙醇的燃烧特性与其分子结构有关。
甲烷分子结构简单，燃烧时产物较为纯净；乙醇分子结构复杂，燃烧时产物中含有较多的杂质。
2. 在实际应用中，甲烷和乙醇的燃烧特性对其应用领域有重要影响。
例如，甲烷常用于燃气领域，乙醇常用于燃料领域。
八、实验注意事项1. 实验过程中应佩戴安全眼镜，以防火焰飞溅伤人。
2. 实验操作应严格按照实验步骤进行，确保实验安全。
3. 实验结束后，应将实验器材清洗干净，并存放在指定位置。
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第四章 甲烷着火与燃烧特性的反应动力学分析
4.1化学反应动力学模型选择
4.2着火特性的反应动力学分析
4.3燃烧特性的反应动力学分析
本节将采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应详细机理（Gri_mech 3.0、NUI Galway_Mech 、USC_Mech 2.0）对第三章中相同的实验工况下甲烷/空气混合气的层流燃烧速率进行数值计算，并将计算结果与实验数据进行对比分析。
4.3.1初始压力对l U -Φ的影响
在初始温度u T 为K 290，初始压力u P 分别为Mpa 1.0、Mpa 2.0和Mpa 3.0时，采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应机理对其层流燃烧速率进行数值计算，将得到
图3.24 T u =290K 时不同初始压力下层流燃烧速率随当量比变化趋势的计算结果与实验数据
对比图
当Mpa P u 1.0=时，采用Gri_2.1动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据吻合良好，另外两种动力学模型计算得到的结果则与实验数据存在一定偏差；当Mpa P u 2.0=时，在Φ值小于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据较为接近，另外两种动力学模型计算得到的结果则与实验数据有偏差，但在Φ值大于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型和USC_Mech 2.0动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率最接近实验值；当Mpa P u 3.0=时，三种动力学模型的计算结果均与实验数据有偏离。
经过综合分析，在三种压力工况下，Gri_2.1动力学模型能够较为准确的预测甲烷/空气混合气的层流燃烧速率。
4.3.2初始温度对l U -Φ的影响
在初始压力u P 为Mpa 1.0，初始温度u T 分别为K 290、K 320和K 350时，采用不同的甲烷燃料燃烧化学反应机理对其层流燃烧速率进行数值计算，将得到的计算结果与实验数据进行对比分析，如图3.25所示。
图3.25 P u =0.1Mpa 时不同初始温度下层流燃烧速率随当量比变化趋势的计算结果与实验数据
对比图
从图3.25可以看出，当初始温度从K 290逐渐升高到K 320和K 350时，在Φ值小于1的一侧，三种动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据都有偏差；在Φ值大于1的一侧，采用Gri_2.1动力学模型和USC_Mech 2.0动力学模型计算得到的甲烷/空气混合气的层流燃烧速率与实验数据最接近。
4.3.3结论
由图3.24、3.25可以看出，随着初始压力的升高，层流燃烧速度降低，而随着初始温度的升高，却有所增加。
这是由于链分支化学反应O OH O H +⇔+2是一个对温度敏感性较强的二元反应，当压力升高时，绝热火焰的温度升高不大，所以链分支化学反应速率基本保持不变。
而链终止化学反应是一个对温度敏感性很弱的三元反应，反应方程式为M HO M O H +⇔++22，随着压力的升高，链终止化学反应速率将得到很大增强。
由此可知，链终止化学反应的影响作用就会强于链分支化学反应，从而导致层流燃烧速度下降。
相反的，当初始温度逐渐升高后，链分支化学反应的增强作用将强于链终止化学反应，也就导致了层流燃烧速度的增加。