Chemie der Verbrennung von Brennstoffen: Quantitative Speziationsdaten aus einer atmosphärischen Strömung der Hochtemperatur-Reaktor mit gekoppelt Molekularstrahl Massenspektrometer

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, einen Überblick über reaktive chemische Spezies in einem Verbrennungsprozess zu erhalten und die Verbrennungschemie von technischen Brennstoffen und Brennstoffkomponenten zu untersuchen. Diese Methode kann helfen, Fragen im Bereich der Verbrennungschemie und der Schadstoffbildung, wie z.B. der Rußbildung, zu beantworten. Einer der Hauptvorteile dieser Technik besteht darin, einen Überblick über die chemischen Spezies zu erhalten und auch hochreaktive Radikalspezies ohne Vorkenntnisse zu detektieren.

Dieses flexible Werkzeug bietet uns die Möglichkeit, die Kinetik der chemischen Gasphase unter gut kontrollierten Bedingungen zu beobachten. Die Daten können für die Validierung kinetischer Modelle und Strategien zur Kraftstoffbewertung verwendet werden. Die große Bandbreite an Betriebsbedingungen, die für einen solchen Laminar-Flow-Reaktor zur Verfügung stehen, ermöglicht den Zugang zu Verbrennungsanwendungen, die normalerweise durch Flammenexperimente nicht erreicht werden können.

Das Schema des Strömungsreaktorsystems zeigt alle wichtigen Komponenten. Der Ofen ist mit dem Time-of-Flight- oder TOF-Detektionssystem an das MBMS-Setup gekoppelt und an die Probenahmerichtung und an ein Gasversorgungssystem angeschlossen. Heizen Sie zunächst den Backofen auf die vorgesehene Starttemperatur vor, die die höchste Temperatur in der vorgesehenen Messreihe ist.

Bereiten Sie das TOF-Spektrometer für die intermediäre Speziesdetektion vor. Bereiten Sie nun das Quadrupol-Spektrometer für die Detektion der wichtigsten Spezies vor, indem Sie es in die Ionisationskammer des MBMS-Systems stellen und die Software starten. Um das Kraftstoffversorgungssystem vorzubereiten, bereiten Sie zunächst eine Metallspritze für die Kraftstoffzufuhr vor.

Füllen Sie dann die Metallspritze mit 30 Millilitern der Kraftstoffprobe. Anschließend setzen Sie die Metallspritze mit bis zu fünf bar unter Druck, indem Sie das Ventil öffnen und dem System Druckluft hinzufügen. Heizen Sie dann den Verdampfer und die Kraftstoffzuleitungen auf.

Stellen Sie für diese Versuchsplanung das Wasserkühlsystem auf 80 Grad Celsius ein, so dass der verdünnte Brennstoff an der kältesten Stelle im System, der Temperatur in diesem Flansch zum Ofen, nicht wieder kondensieren kann. Stellen Sie den Ofen an die Probenahmeposition, die nahe am Plateauwert des räumlichen Temperaturprofils des Ofens liegt. Starten Sie als Nächstes das Verdünnungsmittel Ihrer Wahl, indem Sie dem Coriolis-Massendurchflussmesser Gas hinzufügen.

Starten Sie die kontinuierliche Datenaufzeichnung, indem Sie auf die Start-Buttons in der TOF- und Quadrupol-Software klicken. Fügen Sie Sauerstoff als Oxidationsmittel hinzu, indem Sie die entsprechende Durchflussbedingung der Coriolis-Massendurchflussmesser-Software einstellen. Beobachten Sie das einströmende Oxidationsmittel als neuen Peak im Massenspektrum.

Füllen Sie anschließend Kraftstoff ein, indem Sie den entsprechenden Durchflusszustand des Coriolis-Massendurchflussmessers einstellen. Überprüfen Sie das Spektral, um zu bestätigen, dass eine vollständige Oxidation erreicht ist und ein stabiles Kohlendioxidmassensignal beobachtet wird. Nach der Stabilisierungsphase wird der Ofen mit einer kontinuierlichen Temperaturabfallrampe von 200 Kelvin pro Stunde versorgt, was zu typischen Messzeiten von zwei Stunden pro Lauf führt.

Bei einer bestimmten Ofentemperatur während der Rampe ist eine schnelle Änderung des Massenspektrums zu beobachten, wobei die reinen Verbrennungsprodukte verschwinden und kleine Verbrennungszwischenprodukte erscheinen. Mit weiter sinkender Temperatur werden die sichtbaren Zwischenprodukte immer größer. Bei kalten Ofentemperaturen kann nur das Signal von Brennstoffverbindungen und Sauerstoff beobachtet werden.

Wenn sich die Endtemperatur stabilisiert hat, schalten Sie das Oxidationsmittel aus. Setzen Sie die Aufzeichnung von Messungen fort und erhalten Sie Messungen zur Kraftstoffcharakterisierung unter Bedingungen ohne Oxidationsmittel. Schalten Sie anschließend den Kraftstoff in der Coriolis-Massendurchflussmesser-Software aus, indem Sie den Wert auf Null setzen.

Stoppen Sie dann die Datenaufzeichnung, indem Sie auf die Stopp-Schaltflächen in der Software klicken. Montieren Sie bei der Kalibrierung eine geschlossene Kammer vor dem Probenahmekegel. Öffnen Sie dann das Ventil zur Pumpe, um die Kammer zu evakuieren.

Verwenden Sie binäre Gemische oder handelsübliche Kalibriergase zur Kalibrierung. Starten Sie anschließend die TOF-Software erneut ohne Datenaufzeichnung. Der Druck in der Kalibrierkammer wird mit Hilfe eines Nadelventils eingestellt, um eine Signalintensität oberhalb des Signal-Rausch-Verhältnisses und unterhalb der Sättigungsgrenze zu erhalten.

Starten Sie anschließend die Kalibriermessungen und aktivieren Sie die Datenaufzeichnung. Berechnen Sie bei jeder aufgezeichneten Temperatur für jede ausgewählte Spezies ihren Molenbruch aus dem entsprechenden Signal. Setzen Sie dann die Molenbruchprofile in Abhängigkeit von der Ofentemperatur ein.

Hier ist ein typisches Massenspektrum der gemessenen Gaszusammensetzung dargestellt. Die Peaks sind für jedes Masse-Ladungs-Verhältnis integriert, um nicht vollständig aufgelöste Signale auszuwerten. Die Signale werden gegen die Durchschnittstemperatur des 2,5-Kelvin-Intervalls aufgetragen, was zu einem typischen Diagramm des Molenbruchs im Vergleich zur Ofentemperatur führt.

Die räumlichen Molenbruchprofile von Formaldehyd und Acetylen, die aus einer stöchiometrischen Methanmessung gewonnen wurden, zeigen eine Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und den kinetischen Modellwerten für die Hauptkomponenten und Zwischenspezies. Die potentielle Kerosinverbindung p-Menthan mit den wichtigsten Artenprofilen ist hier dargestellt. Es werden die stöchiometrische Abhängigkeit von Ethylen und Formaldehyd und die ausgewählten intermediären Spezies für stöchiometrische Bedingungen ermittelt.

Bei der Anlage des Strömungsreaktors beginnt das Sauerstoff- und Brennstoffprofil bei niedrigen Temperaturen mit einem Maximum und wird mit steigender Temperatur verbraucht. In der Tiefe zeigt die Analyse einen ähnlichen Zerfall für die Kohlenwasserstoffspezies, während aromatische Spezies eine deutliche Plateauregion aufweisen. Für p-Methan wird im Vergleich zu Jet A-1 und Farnesan ein höherer Molenbruch für Rußvorläufer, Propargylradikal und Benzol, gemessen. Für Farnesan werden für beide Spezies niedrigere Molenbrüche im Vergleich zu p-Methan und Jet A-1-Treibstoff gemessen.

Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet zukünftiger Kraftstoffdesignstrategien, um die Verbrennungskinetik und Schadstoffbildung für konventionelle und alternative Kraftstoffe und Komponenten zu erforschen.