《Fuel》：Effect and mechanisms of ethanol addition on soot formation in high-pressure n-heptane laminar diffusion flames
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乙醇作为可再生燃料在汽油中掺混可减少碳排放并抑制烟灰生成，但其高压燃烧条件下对火焰结构及烟灰化学前体物的影响机制尚不明确。本研究通过激光诱导 incandescence（LII）技术测量1-3 bar压力下n-辛烷/乙醇共流扩散火焰的烟灰体积分数，结合详细化学反应动力学模拟，发现乙醇通过提高H和OH自由基浓度抑制乙炔、丙炔自由基及苯等烟灰前体物的形成，从而降低多环芳烃（PAHs）生成并促进氧化，烟灰体积分数峰值较纯n-辛烷降低38.7%（常压）和26.6%（3 bar）。高压下火焰高度略有下降，但乙醇仍通过类似机制抑制PAHs和烟灰生成，其抑制效果随压力升高 slightly减弱
杨旭东|李伟|杨振宇|史军|严辉|李进|雷振振|孟明珠
重庆科技大学机械与智能制造学院，中国重庆401331
摘要
在碳达峰和碳中和的背景下，乙醇作为一种可再生燃料，被广泛用作汽油和柴油的添加剂。乙醇的混合使用可以减少碳排放，并影响燃烧过程中的烟尘形成，但在加压条件下的具体机制仍不清楚，尤其是在压力对火焰结构和烟尘化学的耦合效应方面。本研究探讨了在1-3巴的中等压力条件下，乙醇对正庚烷共流扩散火焰中烟尘形成的影响。总碳流量固定在8.39克/小时，乙醇的添加量最多达到30%。使用激光诱导发光（LII）技术测量烟尘体积分数，并通过详细的动力学模拟分析了关键反应路径和自由基种类。实验结果表明，在常压下，当乙醇添加比例为30%时，火焰高度增加了14.5%。在较高压力（1.4巴）下，火焰高度略有下降；而在更高压力下几乎保持不变。同时，乙醇显著抑制了烟尘的形成，在常压下将烟尘体积分数峰值降低了38.7%，在3巴压力下降低了26.6%，与纯正庚烷扩散火焰相比。这种抑制机制归因于乙醇诱导的H和OH自由基浓度的增加，这些自由基抑制了关键烟尘前体的形成，包括乙炔、丙炔基自由基和苯。因此，多环芳烃（PAHs）的形成被延迟，其浓度降低，氧化作用增强，从而减少了烟尘的产生。在中等压力条件下，乙醇继续通过类似于常压下的机制抑制PAHs和烟尘的形成，尽管抑制效果略有减弱。这些发现为乙醇在加压条件下对碳氢燃料燃烧过程中烟尘形成的化学效应提供了基本的见解。
引言
能源短缺是人类社会可持续发展的主要挑战[1]。尽管全球能源利用正逐渐转向低碳和可再生替代品，但传统化石燃料仍主导着工业生产和日常生活。然而，化石燃料的不完全燃烧会产生烟尘颗粒，这是大气污染的主要来源[2]。细颗粒物可以进入人体呼吸道，对健康构成严重威胁[3][4]。此外，烟尘颗粒能强烈吸收太阳辐射，从而加剧全球变暖[5]。因此，减少化石燃料燃烧产生的烟尘排放一直是一个重要的研究课题。
乙醇作为一种碳中和且可再生的燃料，具有低碳排放的特点，可以通过成熟的工艺从广泛可获得的原料中生产。它被广泛用作汽油添加剂[6][7][8]。当乙醇与汽油在内燃机中混合时，可以提高燃烧效率，从而缓解能源短缺并减少污染物排放[9][10][11][12]。多项研究表明，较高的乙醇浓度可以减小发动机排放的颗粒物的大小和数量[13][14][15][16]。然而，也有报告指出乙醇的添加可能产生不利影响[17][18]。由于气缸内燃烧过程的复杂性，很难完全阐明乙醇对烟尘形成的影响及其背后的机制。
为了研究乙醇的影响，许多研究在受控条件下探索了乙醇-碳氢化合物混合火焰。华等人[19]通过数值模拟研究了富氧条件下汽油替代燃料的共流扩散火焰，发现增加乙醇含量可以通过氢抽取乙炔添加（HACA）机制降低峰值温度和烟尘体积分数。在湍流和层流火焰中也观察到了类似的抑制效应。杜等人[20]发现，在甲苯参考燃料（TRF）的湍流扩散火焰中，随着乙醇含量的增加，烟尘体积分数呈近似线性下降，但当乙醇比例超过40%时，这种趋势变得不那么明显。颜等人[21]报告称，在正庚烷/异辛烷共流扩散火焰中添加15%的乙醇使火焰高度增加了11.29%，同时降低了火焰亮度和烟尘浓度。含氧燃料显著抑制了烟尘的生长并促进了氧化作用，使初级颗粒物的尺寸减少了37.1%。Kalvakala等人[22]通过CFD模拟进一步表明，在单缸GCI发动机中混合45%的乙醇时，化学效应主导了烟尘的抑制。
然而，一些研究表明乙醇并不总是抑制烟尘的形成。Lee等人[23]发现，在甲烷/乙醇扩散火焰中，当乙醇添加量低于20%时，通过HACA和表面生长机制增加了烟尘体积分数；而较高的乙醇比例则增强了烟尘的氧化作用，但未能完全抵消这种增加。Yan等人[24]证明，20%的甲醇添加可使烟尘体积分数峰值降低68%，而乙醇表现出非单调行为：15%的乙醇促进了苯的形成，而在更高混合比例下则抑制了PAH和烟尘的形成。类似地，Tian等人[25]发现乙醇增加了前体物质的产生并降低了烟尘的氧化活性，特别是对于小颗粒物。当乙醇体积分数低于15%时，它促进了烟尘的形成。Zhou等人[26]进一步证明，乙醇在乙烯预混火焰中抑制了烟尘的形成，但在低混合比例的非预混火焰中则略微促进了烟尘的形成。
在实际的动力设备中，燃烧通常在较高压力下进行，这会加速燃料的热解，并显著影响烟尘的形成和氧化速率[27][28][29][30]。因此，了解乙醇在这种条件下的影响至关重要。然而，相关研究仍然有限，有时结果也不一致。Griffin等人[31]研究了在1-6巴压力下混合10%乙醇的甲烷扩散火焰，发现乙醇的添加显著增加了烟尘浓度。Yang等人[32][33]研究了乙烯扩散火焰，观察到当乙醇混合比例低于40%时烟尘产量增加，其中10%乙醇时的增幅最大；在5巴和8巴压力下这种效应更为明显，而在3巴和10巴压力下则较小。Lyu等人[34]研究了1.2-5巴压力下的乙醇/正庚烷层流扩散火焰，发现10%的乙醇增加了烟尘的形成，而在更高压力下这种效应加剧；而20-30%的乙醇则抑制了烟尘的形成。
根据上述讨论，很明显乙醇可以显著影响烟尘的形成；然而，现有研究并未对其促进或抑制作用得出一致结论，特别是在加压条件下。此外，乙醇影响烟尘形成的机制，包括其与火焰结构、PAH生长和自由基化学的相互作用，仍不完全清楚。因此，在本研究中，使用激光诱导发光（LII）技术测量了1-3巴中等压力下正庚烷/乙醇共流扩散火焰中的烟尘体积分数，并通过详细的化学动力学模拟分析了烟尘形成途径，阐明了乙醇在加压条件下影响烟尘形成的机制。
实验装置
实验装置
如图1所示，实验装置包括一个高压恒容燃烧弹、一个激光诱导发光（LII）诊断系统和一个燃料供应单元。不锈钢恒容燃烧弹配备了四个位于同一高度的正交光学窗口，以便进行光学观测和加压燃烧。燃烧弹顶部安装了安全阀、压力释放阀和机械压力表，用于调节和监测压力
火焰形态
图3显示了常压下纯正庚烷以及含有10-30%乙醇的正庚烷混合物的火焰形态。对于纯正庚烷（E00），火焰高度为55毫米，火焰上部呈亮黄色，下部透明，中间部分形成一个过渡区。随着乙醇含量的增加，整体火焰结构相似，但火焰高度分别增加到57毫米、60毫米和63毫米，对应于E10、E20和E30。
结论
本研究实验研究了1-3巴压力下正庚烷/乙醇共流火焰的烟尘形成特性，并进行了动力学模拟以阐明烟尘形成的机制。研究目的是探讨乙醇添加对加压条件下正庚烷扩散火焰中烟尘形成的影响。主要结论如下：
(1)在常压下，增加乙醇混合比例会导致火焰高度
作者贡献声明
杨旭东：撰写——初稿撰写、可视化处理、数据整理。李伟：实验研究、数据分析。杨振宇：可视化处理、数据分析。史军：撰写——审稿与编辑、方法论设计、资金申请、概念构思。严辉：资源提供、项目管理、方法论设计、实验研究。李进：可视化处理、实验研究、数据分析。雷振振：结果验证、资金申请。孟明珠：结果验证、软件使用。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作在重庆科技大学进行，并得到了重庆市自然科学基金（CSTC2021JCYJ-MSXMX0749; CSTB2024NSCQ-MSX1179）的支持
