Влияние ДМЭ на процесс сажеобразования в пламени ацетилен/воздух


Просмотр статьи
PDF, 1,6 МБ

Effect of DME on soot formation in acetylene/air flame

The paper presents the results of an experimental and numerical study of the effect of DME additives on the soot particles formation and growth in the acetylene/air flame. Soot particles produced in a flat, laminar, premixed acetylene/air flame with a content from 0 to 15.4% DME were studied in-situ by laser extinction (LE) method and ex-situ by transmission elec-tron microscopy (TEM). The method of laser extinction at wavelengths from 405 to 850 nm allowed to obtain data on the volume fraction of condensed phase in the flame, as well as on their optical band gap. The average soot particles size was extracted from the analysis of TEM exposures. Kinetic modeling was carried out using a modern kinetic mechanism of py-rolysis and oxidation of hydrocarbons, including a sectional model of the growth of soot par-ticles. As a result, it is shown that DME additives lead to a decrease in the soot yield, a de-crease in the average size of soot particles, as well as a change in their optical and electrical-ly conductive properties.

soot formation, soot particles, flat premixed flame, acetylene combustion, DME.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.7.1147

Александр Всеславович Дракон, Александр Викторович Еремин, Роман Николаевич Колотушкин, Алена Александровна Тимошенко, Егор Сергеевич Ходыко

Том 25, выпуск 7, 2024 год



В работе представлены результаты экспериментального и численного исследования влияния добавки ДМЭ на процесс образования и роста сажевых частиц в пламени ацетилен/воздух. Частицы сажи, синтезированные в плоском, ламинарном, предварительно-перемешанном пламени ацетилен/воздух с содержанием от 0 до 15,4% ДМЭ, были исследованы in-situ методом лазерной экстинкции (ЛЭ) и ex-situ методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Метод лазерной экстинкции на длинах волн от 405 до 850 нм позволил получить данные об объемной доле конденсированных частиц в пламени, а также об их оптической ширине запрещенной зоны. Из анализа фотографий просвечивающего электронного микроскопа получена информация о среднем размере частиц. Проведено численное моделирование с использованием современного кинетического механизма пиролиза и окисления углеводородов, включающего секционную модель роста сажевых частиц. В результате показано, что добавки ДМЭ приводят к снижению выхода сажи, уменьшению среднего размера сажевых частиц, а также изменению их оптических и электропроводных свойств.

сажеобразование, частицы сажи, плоское пламя, горение ацетилена, ДМЭ.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.7.1147

Александр Всеславович Дракон, Александр Викторович Еремин, Роман Николаевич Колотушкин, Алена Александровна Тимошенко, Егор Сергеевич Ходыко

Том 25, выпуск 7, 2024 год



1. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W., Forster P.M., Berntsen T., DeAngelo B.J., и др. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2013. Vol. 118. N. 11. P. 5380. DOI: 10.1002/jgrd.50171
2. Гуренцов Е.В., Еремин А.В., Колотушкин Р.Н. К вопросу о выборе оптических свойств частиц сажи для описания поглощения солнечного излучения в атмосфере и на поверхности Земли // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т.35. № 8. С. 626-631. DOI: 10.15372/AOO20220805
3. De Falco G., Colarusso C., Terlizzi M., Popolo A., Pecoraro M., Commodo M. Minutolo P., Sirignano M., D'Anna A., Aquino R.P., Pinto A., Molino A., Sorrentino R. Chronic Obstructive Pulmonary Disease-Derived Circulating Cells Release IL-18 and IL-33 under Ultrafine Particulate Matter Exposure in a Caspase-1/8-Independent Manner // Frontiers in Immunology. 2017. Vol. 8. P. 1415. DOI: 10.3389/fimmu.2017.01415
4. Mendiara T., Alzueta M.U., Millera A., Bilbao R. A Comparison of Acetylene Soot and Two Different Carbon Blacks: Reactivity to Oxygen and NO // International Journal of Chemical Reactor Engineering. 2007. Vol. 5. N. 1. DOI: 10.2202/1542-6580.1510
5. Singh M., Vander Wal R.L. Nanostructure Quantification of Carbon Blacks // C. 2018. Vol. 5. N. 1. P. 2. DOI: 10.3390/c5010002
6. Гуренцов Е.В., Дракон А.В., Еремин А.В., Колотушкин Р.Н., Михеева Е.Ю. Влияние размеров и структуры сажевых частиц, синтезированных при пиролизе и горении углеводородов, на их оптические свойства // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. № 3. С. 374-384. DOI: 10.31857/S0040364422020053
7. Sorenson S.C. Dimethyl Ether in Diesel Engines: Progress and Perspectives // Journal of Engineer-ing for Gas Turbines and Power. 2001. Vol. 123. N. 3. P. 652. DOI: 10.1115/1.1370373
8. Xu L., Wang Y., Liu D. Effects of oxygenated biofuel additives on soot formation: A comprehensive review of laboratory-scale studies // Fuel. 2022. Vol. 313. N. 122635. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122635
9. McEnally C.S., Köylü Ü.Ö., Pfefferle L.D., Rosner D.E. Soot volume fraction and temperature measurements in laminar nonpremixed flames using thermocouples // Combustion and Flame. 1997. Vol. 109. N. 4. P. 701. DOI: 10.1016/S0010-2180(97)00054-0
10. De Iuliis S., Maffi S., Cignoli F., Zizak G. Three-angle scattering/extinction versus TEM measurements on soot in premixed ethylene/air flame // Applied Physics B. 2011. Vol. 102. N. 4. P. 891. DOI: 10.1007/s00340-010-4344-8
11. Eremin A.V., Gurentsov E.V., Kolotushkin R.N., Mikheyeva E.Yu. Dependence of Soot Primary Particle Size on the Height above a Burner in Target Ethylene/air Premixed Flame // Combustion Science and Technology. 2022. Vol. 194. N. 14. P. 2847. DOI: 10.1080/00102202.2021.1894138
12. Goodwin D.G., Moffat H.K., Schoegl I., Speth R.L., Weber B.W. Cantera: An Object-oriented Software Toolkit for Chemical Kinetics, Thermodynamics, and Transport Processes // Zenodo. 2023. DOI: 10.5281/ZENODO.8137090
13. Ranzi E., Cavallotti C., Cuoci A., Frassoldati A., Pelucchi M., Faravelli T. New reaction classes in the kinetic modeling of low temperature oxidation of n-alkanes // Combustion and Flame. 2015. Vol. 162. N. 5. P. 1679. DOI: 10.1016/j.combustflame.2014.11.030
14. Saggese C., Ferrario S., Camacho J., Cuoci A., Frassoldati A., Ranzi E., Wang H., Faravelli T. Ki-netic modeling of particle size distribution of soot in a premixed burner-stabilized stagnation eth-ylene flame // Combustion and Flame. 2015. Vol. 162. N. 9. P. 3356. DOI: 10.1016/j.combustflame.2015.06.002
15. Burke U., Somers K.P., O’Toole P., Zinner C.M., Marquet N., Bourque G., Petersen E.L., Metcalfe W.K., Serinyel Z., Curran H.J. An ignition delay and kinetic modeling study of methane, dimethyl ether, and their mixtures at high pressures // Combustion and Flame. 2015. Vol. 162. N. 2. P. 315. DOI: 10.1016/j.combustflame.2014.08.014
16. Tauc J., Grigorovici R., Vancu A. Optical Properties and Electronic Structure of Amorphous Ger-manium // Physica Status Solidi B. 1966. Vol. 15. N. 2. P. 627. DOI: 10.1002/pssb.19660150224
17. Minutolo P., Gambi G., D’Alessio A. The optical band gap model in the interpretation of the UV-visible absorption spectra of rich premixed flames // Symp Int Combust. 1996. Vol. 26. N. 1. P. 951. DOI: 10.1016/S0082-0784(96)80307-9
18. Corbin J.C., Johnson T.J., Liu F., Sipkens T.A., Johnson M.P., Lobo P., Smallwood G.J. Size-dependent mass absorption cross-section of soot particles from various sources // Carbon. 2022. Vol. 192. P. 438. DOI: 10.1016/j.carbon.2022.02.037
19. Гуренцов Е.В., Дракон А.В., Еремин А.В., Колотушкин Р.Н., Михеева Е.Ю. Зависимость температуры сублимации образующихся в пламенах сажевых частиц от их размеров и структуры // Журнал технической физики. 2022. Т. 92. № 1. С. 76-83. DOI: 10.21883/JTF.2022.01.51855.206-21