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工程热物理所含氮燃料热解和低温氧化研究取得进展

文章来源: 工程热物理研究所       发布时间:2019-04-15

4月15日,记者了解到,中国科学院工程热物理研究所新技术实验室研究人员针对含氮燃料的低温氧化和热解过程进行了相关研究,使用了可调谐真空紫外光电离和分子束质谱技术研究了含氮燃料的模型分子,硝基甲烷和吡啶热解及低温氧化主要产物和中间组分,实验发现了新的中间产物,基于实验发展了硝基甲烷和吡啶的动力学模型。


生成速率分析表明,在硝基甲烷低温氧化过程中,由于碳氮键裂变和漫游介导异构化作用,硝基甲烷热解和氧化的主要分解途径不同;而在吡啶的低温氧化过程中,吡啶主要通过C5H5N→C5H4N→C5H4NO2→HCN +CO+ CH2CHCO和C5H5N→C5H5NO→C2H2+ HCN + CH2CO两条路径进行消耗。灵敏度分析表明,碳氮键断裂和漫游异构化作用在低温氧化及热解过程中均对硝基甲烷的消耗有促进作用;在吡啶的低温氧化过程中,C5H4N+O2=>C5H4NO2和C5H5N+OH=C5H4N+H2O反应对吡啶消耗有显著的促进作用,而C5H4N+HO2=C5H4NO+OH则起到较强的抑制作用。


化石燃料的高效清洁利用对解决日益严重的环境问题具有重要意义。燃烧过程中产生的氮氧化物(NOx)会引起酸雨、光化学烟雾等环境问题。因此,需要严格控制NOx的排放。目前,NOx的排放主要来源于含氮燃料的燃烧过程。通过建立含氮燃料燃烧动力学模型,可以掌握含氮燃料燃烧过程中氮的转移规律,为控制NOx排放具有重要的指导意义。


据了解,化石能源是目前全球消耗的最主要能源,2006年全球消耗的能源中化石能源占比高达87.9%,我国的比例高达93.8%。但随着人类的不断开采,化石能源的枯竭是不可避免的,大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。从另一方面看,由于化石能源的使用过程中会新增大量温室气体CO2,同时可能产生一些有污染的烟气,威胁全球生态。因而,开发更清洁的可再生能源是今后发展的方向。


上述研究得到国家自然科学基金重大研究计划、面上基金、科技部重点研发计划课题和中组部青年千人计划项目的支持。相关研究在Combustion and Flame(2019, 202: 394-404; 2019, 203: 247-254)发表论文2篇。

工程热物理所含氮燃料热解和低温氧化研究取得进展

图1 硝基甲烷在0K时分解的势能面

工程热物理所含氮燃料热解和低温氧化研究取得进展

图2 (a)吡啶和(b)氰化氢在950K时的灵敏度分析


作为人类生存和发展的重要物质基础,煤炭、石油、天然气等化石能源支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明的进步和经济社会发展。然而,化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗,使化石能源正在逐渐走向枯竭。


据美国地质局估计,全世界最终可采石油储量为3万亿桶。由此推算,世界石油产量的顶峰将在2030年出现。由于剩余储量开采难度增大,石油产量会快速下降。世界煤炭总可采储量大约为8475亿吨。长期来看,尽管世界煤炭可采储量相对稳定,但还是出现了下降的趋势。按当前的消费水平,最多也只能维持200年左右的时间。世界天然气储量大约为177万亿立方米。如果年开采量维持在2.3万亿立方米,则天然气将在80年内枯竭。


就我国而言,化石类能源探明储量约7500亿吨标准煤,总量较大,但人均能源拥有量却远远低于世界平均水平。煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量,分别只有世界平均水平的58.6%、7.69%和7.05%。近几年,我国的能源生产一直保持着快速增长势头。2006年,我国能源生产总量为20.6亿吨标准煤。其中,煤炭比重高达76.4%,原油比重下降为12.6%,天然气占3.3%。我国煤炭储量相对丰富,但从中长期来看,仍面临诸如赋存条件、勘探水平、运输条件、安全因素等多方面因素的限制,能被有效开发利用的煤炭资源量明显不足。

工程热物理所含氮燃料热解和低温氧化研究取得进展

化石能源的利用,也是造成环境变化与污染的关键因素。大量的化石能源消费,引起温室气体排放,使大气中温室气体浓度增加、温室效应增强,导致全球气候变暖。1860年以来,全球平均气温提高了0.4℃——0.8℃。IPCC(政府间气候变化专门委员会)所做的气候变化预估报告的结论是,CO2为温室气体的主要部分,其中约90%以上的人为CO2排放是化石能源消费活动产生的。化石能源,特别是煤炭的使用带来大量的二氧化硫和烟尘排放,也是造成我国大气污染的主要来源。尽管应对措施初步遏制了酸雨范围逐步扩大的趋势,但酸雨仍在局部地区加重;机动车尾气污染等问题日益严重,特别是在大城市,煤烟型空气污染已开始转向煤烟与尾气排放的混合型污染。随着化石能源储量的逐步降低,全球能源危机也日益迫近。以化石能源为主的能源结构,具有明显的不可持续性。


可再生能源,是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的能源资源总称。可再生能源的特点,恰恰是可再生性和环境友好性。按照技术种类,可再生能源可分为太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。过去30年间,全球可再生能源增长率,超过了一次能源的增长率。增长速度最快的分别是,风电、太阳能和地热。在1971年至2004年间,风电增长了48.1%,太阳能增长了28.1%,地热能增长了7.5%。小水电、生物质发电、地热、风电等可再生能源发电技术,在价格上已经具有了市场竞争力。我国自《可再生能源法》颁布实施以来,可再生能源产业也取得了高速发展。截至2008年底,我国有70多家风电设备整机生产企业,总生产能力已接近1000万千瓦。风电装机容量连续翻番,2008年当年完成装机容量620万千瓦,超过过去20年的总和,累计达到1217万千瓦,居世界第四位。


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