Кинетика горения модельных биотоплив на основе сложных этиловых эфиров

Диссертационная работа посвящена экспериментальному и численному исследованию кинетики горения нескольких этиловых эфиров жирных кислот. Развитие кинетических механизмов горения для альтернативного углеводородного сырья имеет большое фундаментальное и практическое значение для технологий производства ингредиентов для синтетических топлив, для методов синтеза этих топлив и для развития новых камер сгорания силовых установок. Отсутствие достаточной информации по термокинетическим свойствам новых компонентов существенно повышает интервалы неопределённостей таких моделей, что значительно затрудняет возможности моделирования горения биотоплов для развития современных экологичных горелочных устройств. Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена современными запросами на повышение экологичности и эффективности горелочных аппаратов, что в свою очередь требует глубоких знаний о химии протекающих при горении процессов. В ходе работы была проведена серия экспериментов по измерению химической и тепловой структуры предварительно перемешанных ламинарных пламён этилацетата, этилбутаноата и этилпентаноата при низком (50 торр) и атмосферном давлении. Были получены профили концентраций реагентов, основных и большого количества промежуточных продуктов. Проведён анализ современных данных по кинетике окисления лёгких этиловых эфиров и механизмов окисления эфиров, представленных в литературе. На основе проведённого анализа предложен новый модернизированный механизм горения этилпентаноата, включающий в себя стадии окисления более лёгких этиловых эфиров жирных кислот. Проведены численные расчёты химической структуры исследованных пламён с использованием новой модели и представленных в литературе кинетических механизмов. Проведён сравнительный анализ результатов моделирования с полученными экспериментальными данными, определены преимущества и недостатки используемых моделей в предсказании химической структуры соответствующих эфиров. Показана в целом удовлетворительная описательная точность предложенного в работе механизма. В частности, отмечается более высокая точность описания профилей мольной доли лёгких углеводородов новым механизмом. Выполнен численный анализ первичных путей деструкции эфиров в изучаемых пламёнах. На основе анализа предложено объяснение наблюдаемых неточностей в описании экспериментальных данных моделями. Выявлено существенное перераспределение вкладов основных каналов деструкции этилпентаноата и этилбутаноата в новом механизме по сравнению с моделью, представленной в литературе. Отмечена важная роль реакций отрыва атома H от молекулы эфира в этильной группе и от ближайшего к эфирной группе атома углерода. Обсуждается роль реакций изомеризации топливных радикалов, также приводящая к перераспределению путей деструкции топлива и, как следствие, иному распределению более лёгких интермедиатов в пламени. Для смеси этилпентаноат/воздух при помощи разработанного механизма проведён численный расчёт скорости ламинарного горения в широком диапазоне давлений и соотношений топливо/окислитель. Полученные результаты проверены на экспериментальных данных, представленных в литературе. Показано очень хорошее согласие модельных расчётов с экспериментальными значениями, что также указывает на состоятельность предложенной кинетической модели. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для проверки разрабатываемых кинетических моделей горения новых альтернативных топлив. Особую ценность представляют данные, полученные при атмосферном давлении. Предложенный в работе детальный механизм горения этилпентаноата может быть использован в практических и исследовательских целях как механизм горения лёгких этиловых эфиров, так и в качестве составной части механизма горения более тяжёлых компонентов биотоплив. Дальнейшее развитие тематики требует проведения дополнительных экспериментов по изучению кинетики горения и окисления этилпентаноата и более тяжёлых этиловых эфиров. Другой важной задачей на ближайшее будущее должны стать теоретические работы по уточнению констант скорости отрыва атома водорода радикалами от исходного топлива. Особое внимание должно быть уделено определению точного соотношения вкладов соответствующих реакционных путей. Отдельным направлением исследований должно стать изучение низкотемпературной химии окисления компонентов биотоплив.