Speakers
Description
В последнее время одним из основных направлений развития энергетики является стремление к более высоким стандартам экологической безопасности. Всё большую актуальность приобретает использование энергетических установок с пониженным или нулевым уровнем выбросов загрязняющих веществ, что, в том числе, подразумевает применение технологичных видов углеродного биотоплива. Как следствие, интерес исследователей привлекают различные виды кислородсодержащих топлив, где полностью или частично отсутствуют C-C связи в скелете молекулы.
Одним из таких классов энергоносителей, способных в перспективе заменить дизельное топливо, являются полиоксиметилендиметиловые эфиры (оксиметиленовые эфиры, ОМЭn), которые представляют собой класс молекул с чередующимися атомами углерода и кислорода в основной цепи, насыщенной атомами водорода (структурная формула CH3-O-(CH2-O)n-CH3). Отсутствие углерод-углеродных связей в таких соединениях ведёт к замедлению образования сажи, вместе с тем обилие связей углерод-кислород приводит к более полному сгоранию, что также влияет на выход монооксида углерода и сажи.
Большинство олигомеров ОМЭ имеют физические, химические и топливные характеристики аналогичные свойствам дизельного топлива [1]. Эти сходства позволяют использовать традиционные схемы подачи дизельного топлива без существенных изменений, что положительно влияет на экономическую составляющую внедрения биотоплив в массовое пользование.
Несмотря на большой потенциал использования ОМЭ, понимание химии их окисления до сих пор остаётся весьма скудным, и на данный момент не существует общепринятой кинетической модели, охватывающей широкий диапазон экспериментальных условий. В связи с этим, особое внимание уделяют изучению окисления простейшего ОМЭ, диметоксиметана, также известного как ДММ, метилаль (структурная формула CH3-O-CH2-O-CH3). Хотя физические свойства ДММ далеки от свойств дизеля, именно он является исходным веществом для последующего исследования процессов окисления старших олигомеров ОМЭ [1]. В связи с этим, исследованию его окисления посвящён целый ряд работ [2–6]. Тем не менее, имеющиеся литературные данные по окислению и пиролизу ДММ всё ещё весьма ограничены, а для высоких температур и вовсе отсутствуют.
В данной работе кинетика высокотемпературного окисления диметоксиметана была экспериментально изучена с использованием прецизионного метода атомной резонансной абсорбционной спектроскопии (АРАС) на линии атома кислорода 130,5 нм. Исследование выполнено в смеси 10 ppm ДММ + 10 ppm N2O + Ar при температурах 1800–3200 К и давлениях 1,9–2,8 бар. Все эксперименты проведены за отражёнными ударными волнами на установке «НЕФРИТ», которая представляет собой высоковакуумную кинетическую ударную трубу диафрагменного типа. Благодаря возможности использования ультрамалых концентраций топливных компонентов, ударно-трубный эксперимент позволяет практически полностью исключить возможное влияние вторичных реакций между продуктами распада. В ходе проведения эксперимента были получены время-разрешённые абсорбционные профили атомарного кислорода, которые затем были переведены в соответствующие концентрационные профили с помощью разработанной ранее калибровочной зависимости.
Дополнительно было проведено кинетическое моделирование концентрационных профилей атомарного кислорода в пакете программ «Chemkin» с использованием одной из существующих современных моделей горения ДММ [6]. Результаты расчётов были сопоставлены с полученными экспериментальными данными в соответствующих условиях. Последующий анализ результатов сравнения позволил выделить ряд ключевых элементарных реакций, существенным образом влияющих на кинетику окисления ДММ в области высоких температур, что даёт возможность улучшить предсказательную способности всеобъемлющей модели горения оксиметиленовых эфиров.
- Fenard Y., Vanhove G. A Mini-Review on the Advances in the Kinetic Understanding of the Combustion of Linear and Cyclic Oxymethylene Ethers // Energy Fuels. 2021. V. 35(18). P. 14325–14342. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.1c01924.
- Marrodan L. [et al.]. High Pressure Oxidation of Dimethoxymethane // Energy Fuels. 2015. V. 29(5). P. 3507–3517. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.5b00459.
- Vermeire F.H. [et al.]. Experimental and modeling study of the pyrolysis and combustion of dimethoxymethane // Combust. Flame. 2018. V. 190. P. 270–283. DOI: 10.1016/j.combustflame.2017.12.001.
- Jacobs S. [et al.]. Detailed kinetic modeling of dimethoxymethane. Part II: Experimental and theoretical study of the kinetics and reaction mechanism // Combust. Flame. 2019. V. 205. P. 522–533. DOI: 10.1016/j.combustflame.2018.12.026.
- Eckart S. [et al.]. Determining the laminar burning velocity of nitrogen diluted dimethoxymethane (OME1) using the heat-flux burner method: Numerical and experimental investigations // Int. J. Energy Res. 2020. V. 45(2). P. 1–13. DOI: 10.1002/er.5978.
- Marrodan L. [et al.]. Experimental and Modeling Evaluation of Dimethoxymethane as an Additive for High-Pressure Acetylene Oxidation // J. Phys. Chem. A. 2022. V. 126(36). P. 6253–6263. DOI: 10.1021/acs.jpca.2c03130.
