燃料燃烧化学: 用耦合分子束质谱仪从大气高温流反应器中获得的定量形态数据

本实验的总体目标是了解燃烧过程中的反应性化学物质，并研究技术燃料和燃料成分的燃烧化学。这种方法可以帮助回答燃烧化学和污染物形成（例如烟灰形成）领域的问题。该技术的主要优点之一是可以了解化学物质的概况，甚至可以在没有先验知识的情况下检测高反应性自由基。

这种灵活的工具为我们提供了在良好控制条件下对化学气相动力学的观察。这些数据可用于动力学模型验证和燃料评估策略。这种层流反应器可用的大量作条件使燃烧应用成为可能，而火焰实验通常无法实现。

流动反应器系统示意图显示了所有主要组件。柱温箱与带有飞行时间或 TOF 检测系统的 MBMS 装置耦合，安装在采样方向和供气系统上。首先，将烘箱加热到指定的起始温度，这是指定测量系列中的最高温度。

准备用于中间物种检测的 TOF 光谱仪。现在，通过将四极杆光谱仪放置在 MBMS 系统的电离室中并启动软件来准备用于主要物种检测的四极杆光谱仪。要准备燃料供应系统，首先要准备一个用于燃料供应的金属注射器。

然后用 30 毫升燃料样品填充金属注射器。然后，通过打开阀门并向系统中添加加压空气，将金属注射器加压至 5 bar。然后加热蒸发器和燃料供应管线。

对于此实验设计，将水冷系统设置为 80 摄氏度，以便稀释的燃料不会在系统中最冷的位置重新冷凝，即通往烤箱的法兰中的温度。将柱温箱放置在接近柱温箱空间温度曲线的平台值的采样位置。接下来，通过向科里奥利质量流量计中添加气体来开始使用所选稀释剂。

单击 TOF 和四极杆软件中的开始按钮开始连续数据记录。通过设置科里奥利质量流量计软件的适当流动条件，添加氧气作为氧化剂。观察进入的氧化剂作为质谱中的新峰。

接下来，通过设置科里奥利质量流量计的适当流动条件来添加燃料。检查光谱以确认是否实现了完全氧化并观察到稳定的二氧化碳质量信号。稳定期后，对柱温箱施加每小时 200 开尔文的连续温度衰减斜坡，这导致每次运行的典型测量时间为 2 小时。

在升温过程中，在特定的卡氏炉温度下，观察到质谱的快速变化，唯一的燃烧产物消失，出现小的燃烧中间体。随着温度的进一步降低，可见的中间体变得越来越大。在低温箱温度下，只能观察到燃料化合物和氧气的信号。

当最终温度稳定后，关闭氧化剂。在没有氧化剂的条件下继续记录测量并获得燃料特性测量值。然后，通过将值设置为零来关闭科里奥利质量流量计软件中的燃料。

然后单击软件中的停止按钮停止数据记录。对于校准问题，请在采样锥前面安装一个封闭的腔室。然后打开泵的阀门以排空腔室。

使用二元混合物或商业校准气体进行校准。接下来，再次启动 TOF 软件，不要记录数据。通过针阀调节校准室中的压力，以获得高于信噪比和低于饱和限值的信号强度。

在此之后，开始校准测量并启用数据记录。在每个记录的温度下，根据相应的信号计算其摩尔分数。然后插入摩尔分数曲线与烘箱温度的关系。

此处显示了采样气体成分的典型质谱。对每个质荷比的峰进行积分，以评估未完全解析的信号。将信号与 2.5 开尔文区间的平均温度作图，得到典型的摩尔分数与烘箱温度的关系图。

从化学计量甲烷测量中获得的甲醛和乙炔的空间摩尔分数曲线显示，主要成分和中间物质的测量数据与动力学模型值之间存在一致性。这里描述了潜在的喷气燃料化合物对薄荷烷，具有主要物种特征。获得了乙烯和甲醛的化学计量依赖性，以及为化学计量条件选择的中间物种。

在流动反应器设置中，氧气和燃料分布在低温下开始达到最大值，并随着温度的升高而消耗。深入分析显示，烃类物质具有类似的衰变，而芳香族物质显示出明显的高原区域。与 Jet A-1 和法尼烷相比，对甲烷的烟尘前体、炔丙自由基和苯的摩尔分数更高，表明形成污染物的倾向更高。对于法呢烷，与 p-甲烷和 Jet A-1 燃料相比，测量的两种物质的摩尔分数较低。

开发后，这项技术为未来燃料设计策略领域的研究人员探索传统和替代燃料和成分的燃烧动力学和污染物形成铺平了道路。