异戊烯醇对甲烷和乙烯的PAH和碳烟生成影响

刘 洋，徐义书，姚俊杰，覃龙江，李 煜，成晓北

异戊烯醇对甲烷和乙烯的PAH和碳烟生成影响

刘 洋，徐义书，姚俊杰，覃龙江，李 煜，成晓北

(华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074)

3-甲基-2-丁烯-1-醇特殊的“辛烷值超增”现象表明，其具有作为汽油添加剂的巨大潜质，然而尚无关于其污染物生成的相关研究．基于对冲扩散火焰，采用激光诱导炽光法(LII)和激光诱导荧光法(LIF)探究了3-甲基-2-丁烯-1-醇及其同分异构体3-甲基-3-丁烯-1-醇(统称异戊烯醇)掺混对甲烷、乙烯燃烧多环芳香烃(PAH)和碳烟生成的影响规律．结果表明，两种异戊烯醇均促进了甲烷和乙烯PAH和碳烟的生成，其作用大小既与异戊烯醇分子结构有关，也与基础燃料自身性质有关，不同的分子结构导致其生成PAH和碳烟的路径和倾向有很大差异，3-甲基-2-丁烯-1-醇可能与C2物质在成核反应上有更紧密的化学关联．

异戊烯醇；对冲扩散火焰；碳烟生成；多环芳香烃

随着碳减排压力的增加，以醇类燃料为代表的生物燃料因其具有清洁、可再生、碳中性等众多优势[1-2]，受到了越来越多的关注．Gautam等[3-4]的一系列研究表明，C1～C5醇燃料可以显著提升汽油辛烷值和抗爆震性能．发动机热效率与燃料辛烷值密切相关，提高燃料的辛烷值意味着可以提高汽油机的压缩比，从而提高热效率．然而，醇燃料随其分子量的增大，其辛烷值通常会降低，不利于压缩比和效率的提升，成为限制大分子醇类燃料利用的重要因素．

Monroe等[5]首次发现并报道了一种同时具有高热值和独特的辛烷值提升能力的C5类不饱和醇：3-甲基-2-丁烯-1-醇(prenol)，指出其具有作为新一代醇类燃料或汽柴油添加剂的潜力．3-甲基-2-丁烯-1-醇热值高达29600kJ/L，仅比汽油热值低约7%．尽管其辛烷值较低(RON：93.5)，但当将其与汽油燃料掺混后，掺混燃料辛烷值显著提高并超越3-甲基-2-丁烯-1-醇或汽油自身辛烷值，将这一独特现象定义为“辛烷值超增”现象(octane hyperboosting)．Monroe等[5]发现3-甲基-2-丁烯-1-醇与5种不同汽油燃料、一种汽油表征燃料和一种乙醇/汽油混合燃料中掺混均表现出这一特性；研究中同时对比了4种与之结构类似的C5类醇，发现包括其同分异构体3-甲基-3-丁烯-1-醇(iso-prenol，统称为异戊烯醇)在内的其他醇均不具备上述作用．3-甲基-2-丁烯-1-醇掺混时对混合燃料辛烷值的独特作用表明其在燃烧过程中存在独特的化学效应，然而目前对于异戊烯醇的燃烧机理及燃烧特性的相关研究极少．Welz等[6]研究了低温低压下氯原子引发异戊烯醇氧化的作用机制，发现相对于饱和醇，异戊烯醇这两种不饱和醇的链分支和链传播反应路径较少，导致其低温反应活性较低．De Bruycker等[7]基于搅拌反应器研究了异戊烯醇的热解和氧化性质，并建立了化学动力学模型进行验证.反应路径分析表明，分子中碳碳双键位置的不同影响了两者的主要反应途径：3-甲基-2-丁烯-1-醇的热解和氧化过程以脱氢形成共振稳定的自由基为主要转化途径；而3-甲基-3-丁烯-1-醇以单分子分解为甲醛和异丁烯的路径占主导地位．最近，Ninnemann等[8]测量了两种燃料的层流火焰速度、一氧化碳时程和点火延迟时间，并对De Bruycker等[7]发展的机理进行了验证．结果表明，该机理能够定性地描述部分实验结果，但是对CO产率和点火延迟时间的预测仍不准确．上述研究表明，异戊烯醇具有作为新一代汽油添加剂的巨大潜力，但对其燃烧特性的研究还不够完善，且目前尚无关于其污染物形成相关的研究．因此，有必要深入探究并理解异戊烯醇燃烧过程中污染物形成的规律．

碳烟是碳氢燃料不完全燃烧时生成的一种重要产物．现有研究[9]表明，燃烧过程中，燃料分子向碳烟的演化一般包括燃料热解、苯环及多环芳香烃(PAH)形成、碳烟成核、碰撞凝并、表面生长及氧化等过程．在混合燃料燃烧中，不同燃料组分在碳烟演化中会相互影响，其相互作用规律是燃烧现象中的重要问题．Hwang等[10]基于对冲扩散火焰对乙烯丙烷混合燃料进行了研究，发现混合燃料的PAH、碳烟体积分数随着丙烷掺混比的增加先增后减，表现出一种协同效应．在乙烯基火焰中掺混乙烷[11]、乙醇[12]、丙醇[13]、正丁烷[14]、异丁烷[14]、二甲醚[15-16]、正庚烷[17]等燃料也发现了类似现象．揭示协同效应中蕴含的化学机理对认识燃烧至关重要，探寻混合燃料间可能存在的协同优化减排策略同样具有现实意义．

异戊烯醇在提升辛烷值方面所表现出的协同优化作用引人注目，但异戊烯醇掺混对碳烟生成有何影响尚不清楚．因此，探究其对碳烟生成及演化的影响规律，不仅有助于获得该燃料的燃烧和排放特性的全方位认识，也将加快其作为汽油添加剂的应用．

本研究基于对冲扩散火焰，通过激光诱导炽光法(LII)和平面激光诱导荧光法(PLIF)分别检测火焰中碳烟和PAH体积分数，分析了异戊烯醇掺混对不同燃料燃烧中PAH和碳烟生成的影响规律．实验中采用两种不同分子结构的异戊烯醇；采用甲烷和乙烯作为基础燃料，分别代表C1类饱和烷烃和C2类不饱和烷烃，提供了两种不同的气相环境，用以对比互为异构体的两种异戊烯醇对碳烟演化影响的差异，进一步探究了掺混不同比例异戊烯醇对混合燃料PAH和碳烟生成特性的影响变化．

1 实验与模拟方法

1.1 实验系统及设置

本研究采用的实验系统如图1所示，其主要由对冲火焰燃烧器、供气供油系统、激光系统、ICCD信号采集系统组成．对冲火焰燃烧器由上、下两个结构一致的喷嘴构成，喷嘴内径为10mm，喷嘴距离为8mm．其中，下喷嘴(即下燃烧器主通道)供应纯燃料，即甲烷、乙烯、异戊烯醇和甲烷或乙烯的混合物．上喷嘴(即上燃烧器主通道)供应氮气和氧气的混合物，通过质量流量控制器控制氮气、氧气的摩尔分数分别为0.7和0.3．上、下喷嘴出口速度均设置为10cm/s．喷嘴截面采用收缩设计，以使出口速度分布更加均匀．喷嘴周围的氮气伴流通道可以避免周围空气对火焰的干扰．下燃烧器通道外部包覆加热带加热，出口温度稳定在150℃，避免液体燃料的冷凝．通过水冷保证上燃烧器温度稳定在室温，从而在燃烧器间形成稳定的准一维扩散火焰．

图1 对冲燃烧器及激光系统示意

实验中对比研究了两种分子结构的异戊烯醇，其性质如表1[8]所示．定义掺混比为异戊烯醇占燃料混合物的摩尔分数，对应两种异戊烯醇分别记作p(prenol)和i(iso-prenol)．本研究中，掺混比包括0(纯乙烯或甲烷)、0.05、0.1、0.15和0.2共5个比例.液体燃料的稳定蒸发通过一体式蒸汽发生器(vapour delivery modules)实现，其内部通过热式质量流量控制器确保携带气体的流量，通过科式力质量流量控制器精确控制液体燃料的流量．

实验中，采用LII和LIF系统实现火焰中碳烟和PAH的原位检测．LII和LIF系统主要由激光器(Nd：YAG)、倍频组件、片光源成型器、ICCD相机、滤波片以及数据采集和处理系统等构成．LII的原理[18]是：来自激光器的点光源，经片光器整形后转变为片光入射到火焰；火焰中的碳烟颗粒受激光照射被快速加热到极高温度并辐射出炽光信号，其发出的准黑体辐射信号强度与碳烟粒径有如下关系：

表1 异戊烯醇基本性质[8]

Tab.1 Basic properties of prenol isomers[8]

式中：为碳的比热；为总粒子数密度；()为直径为的粒子归一化概率密度；det为检测波长，单位为nm，本研究采用带宽为400～420nm的滤波片获得碳烟的炽光信号．可以看出，此时指数趋近于3，所以信号强度与碳烟体积分数成正比．

通过ICCD相机收集二维信号图像．其中Nd：YAG激光器最高频率为10Hz，波长为1064nm，通过二倍频组件产生波长为532nm的激光用于LII测量碳烟分布，激光能量设置为220mJ/cm2．

本文通过四倍频组件产生的266nm紫外光用于LIF测量PAH分布．激光能量采用40mJ/cm2，采用较小的激光能量以避免引发炽光信号，从而保证较高的信噪比．定量地说，荧光强度与探测物质的体积分数成正比[19-21]．实验中，采用带宽为350～400nm(记做350nm)和400～480nm(记做400nm)的滤波片获得的信号可以认为分别代表较小的多环芳烃如萘、菲(2环和3环芳烃A2、A3)和较大的多环芳烃如芘(4环芳烃A4)的荧光信号[22]．

1.2 模拟计算设置

本文借助CHEMKIN PRO[23]软件中的对冲火焰模块(OPPDIF)[24]模拟了甲烷、乙烯火焰结构．采用的气相机理为ARAMCO 1.3[25]，该机理包含对甲烷、乙烯等物质的准确动力学描述，并进行了广泛的验证．模拟考虑了Soret效应，采用了混合平均的方法计算物种的扩散．计算网格参数梯度和曲率分别设置为0.1和0.5．借助CHEMKIN PRO中的化学和相平衡模块计算了混合燃料的绝热火焰温度．相关的热力学数据来自文献[7]．

2 结果与讨论

2.1 基础燃料碳烟和PAH生成特性

本研究中采用甲烷和乙烯作为基础燃料，分别代表C1类饱和烷烃和C2类不饱和烷烃．为探究掺混异戊烯醇对碳烟和PAH生成的影响，首先需要了解甲烷和乙烯两种基准对冲扩散火焰的结构以及碳烟与PAH生成特性．图2(a)、(b)分别显示了乙烯、甲烷火焰中的LIF和LII信号强度分布图像，用以表征火焰中PAH和碳烟的生成特性．图3(a)、(b)分别显示了乙烯和甲烷火焰中轴线位置上LIF、LII信号随燃料出口距离的归一化分布曲线，用以表征A2、A3和A4类PAH、碳烟等不同产物的空间分布特征．图4显示了Chemkin模拟计算获得的两种基础燃料在实验条件下的火焰结构信息．

图2 乙烯和甲烷火焰中A2、A3和碳烟空间分布

图3 乙烯和甲烷火焰轴向归一化信号曲线

图4 乙烯和甲烷火焰轴向物质分布

由图2(a)、(b)可以看出，甲烷火焰中的LIF信号强度只有乙烯火焰的约1/6，最终的LII信号强度只有乙烯火焰的约1/13．这与已有研究结论一致，表明扩散火焰中不饱和烃的成烟倾向远高于饱和烃[26].同时，图3(a)、(b)中结果显示，乙烯火焰的碳烟LII信号强度峰值出现在燃烧器燃料出口约3.3mm处，而PAH的LIF信号强度峰值则分别出现在约2.7mm和2.8mm处．更大的LIF检测波长对应着更大分子结构的PAH，本研究中350nm和400nm 检测波长下的曲线分别可表征A2、A3和A4的分布．随着检测波长的增加，LIF信号曲线更加接近LII信号曲线，表明小分子PAH逐渐生长为大分子PAH，并最终生成碳烟，PAH是碳烟生成的重要前驱物．观察发现，PAH信号曲线在峰值两侧基本对称，而碳烟信号曲线则在燃料侧明显更加倾斜，表明乙烯火焰具有典型的SF火焰碳烟区域结构特征[27]．如图4所示，SF火焰中，其气相滞止面(轴向速度为零，以st,g表示)远离火焰面(温度最高，以Z,max表示)，富含氧化性物质如O2、OH的区域与富含C2H2、C3H3的碳烟成核生长区域在空间上是分开的，氧化剂侧的碳烟颗粒随气流运动远离高温氧化区，因此火焰中的碳烟氧化过程可以忽略．此外，碳烟成核发生在富含PAH的燃料侧，成核的初级碳烟随气流向滞止面运动，在此过程中继续生长；与气态组分不同，碳烟颗粒的扩散性很差，几乎不会沿轴向穿过滞止面，而是在滞止面的径向上溢出，所以导致碳烟体积分数的剧烈变化．

图3(b)表明，相比于乙烯火焰，甲烷火焰中各曲线的峰值位置都向燃料出口侧移动了约0.2mm，且甲烷火焰中LII信号曲线与LIF信号曲线均呈现基本对称的形态．如图4所示，采用甲烷燃料时，其燃空当量面比乙烯更接近燃料出口．燃空当量面的变化导致了火焰位置的变化，并最终导致了碳烟区域的偏移．同时，火焰结构模拟结果显示，甲烷火焰温度较低，且碳烟成核以及表面生长的关键物质如C2H2体积分数远低于乙烯，所以其滞止面附近只有极少量的初生颗粒，未表现出明显颗粒的溢出现象．

2.2 掺混异戊烯醇对甲烷和乙烯火焰碳烟和PAH生成的影响

显然，异戊烯醇的掺混会改变火焰的温度和化学结构．图5中各曲线峰值位置的变化表明，掺混异戊烯醇会使得火焰中燃空当量面向氧化剂侧偏移，从而导致碳烟区的偏移，甲烷火焰的偏移较为明显，但是两种异戊烯醇的掺混造成的影响是相当的，所以不影响关于燃料结构的相关结论．热力学平衡计算表明，当p及i(两者造成的温度差异相当)从0增加到0.2时，乙烯绝热火焰温度由2691K变为2666K，甲烷火焰温度则由2570K变为2595K．火焰中温度的升高会加强碳烟的成核和表面生长，然而尽管乙烯基准火焰温度随着异戊烯醇掺混而降低，其PAH和碳烟信号仍是增强的，这说明是燃料性质对碳烟生成特性的变化起了主导作用．

De Bruycker等[7]的研究表明，3-甲基-3-丁烯-1-醇热解的最主要步骤为图6中路径(a)，即：3-甲基-3-丁烯-1-醇主要发生单分子分解反应，转化为异丁烯和甲醛．其中，大部分甲醛将会转化为CO，其后被氧化为CO2，对碳烟体积分数影响不大；而异丁烯则是一种带有支链的不饱和烃，根据Wang等[28]的研究，异丁烯主要通过脱氢反应形成2-甲基烯丙基，该自由基主要通过路径(b)分解为丙二烯和甲基，2-甲基烯丙基与丙二烯的加成反应易于形成苯和甲苯，而苯环的形成是碳烟生成的重要限速步骤，所以促进了碳烟生成．而3-甲基-2-丁烯-1-醇主要通过路径(c)生成2-甲基-1，3-丁二烯，对于2-甲基-1，3-丁二烯的研究极少，其结构类似于1，3-丁二烯，其不饱和度高于异丁烯，所以3-甲基-2-丁烯-1-醇对甲烷、乙烯基准火焰的碳烟生成影响大于3-甲基-3-丁烯-1-醇. Moshammer等[29]的研究表明，1，3-丁二烯火焰中容易通过路径(d)、(e)、(f)生成苯环，从而促进碳烟生成．实验中，注意到在乙烯火焰中，由于3-甲基-2-丁烯-1-醇的掺混，PAH、碳烟增幅大于甲烷火焰，3-甲基-3-丁烯-1-醇则不存在这种现象．上述现象在图5中直观地表现为p＝0.1的乙烯火焰PAH和碳烟体积分数明显大于i＝0.2的乙烯火焰，而p＝0.1的甲烷火焰PAH和碳烟体积分数则小于i＝0.2的甲烷火焰．这说明3-甲基-2-丁烯-1-醇与C2物质之间存在重要的关联．上文的模拟表明，乙烯火焰中C2H2体积分数远远高于甲烷，所以推测2-甲基-1，3-丁二烯也易于通过类似的与乙炔等C2物质反应环化是合理的．具体的化学反应路径则需要今后的详细化学动力学建模进行验证和分析．

图6 主要反应路径示意

2.3 异戊烯醇掺混比例对碳烟和PAH生成的影响规律

图5中结果显示，两种异戊烯醇掺混对甲烷、乙烯火焰中碳烟以及PAH的生成均具有促进作用．为进一步探究不同异戊烯醇掺混比例的影响规律以及其对乙烯和甲烷火焰的作用差异，图7展示了归一化的PAH和碳烟峰值信号随着掺混比变化的曲线．

如图7中所示，增加异戊烯醇掺混比例对乙烯、甲烷火焰中碳烟和PAH的生成表现出不同的影响规律．在甲烷火焰中，两种异戊烯醇掺混比例增加(0～20%)后，其火焰中PAH、碳烟的信号强度均呈现线性升高趋势；而在乙烯火焰中，两种异戊烯醇掺混比例升高对碳烟和PAH生成的促进作用均是非线性的，且以3-甲基-2-丁烯-1-醇掺混对碳烟信号影响的非线性趋势最为明显．需要指出的是，掺混异戊烯醇后，甲烷基火焰的PAH和碳烟信号的相对增幅远大于乙烯基火焰，这是由于甲烷基准火焰的PAH和碳烟信号弱导致的，而绝对增幅则不然，相关结论在上节已经阐述过．

进一步比较说明，乙烯火焰中异戊烯醇掺混对PAH生成的促进作用比其对最终碳烟生成的促进作用更为显著，且随着掺混比的增加，两者差异越来越大．如图7(a)所示，乙烯中掺混5%的prenol，促使其PAH生成增加114%，其最终碳烟生成仅仅增加61%；乙烯中掺混20%的prenol，促使其PAH生成增加281%，其最终碳烟生成仅仅增加110%；该PAH增幅与碳烟增幅的差异，表明随着异戊烯醇掺混比例的增加，乙烯-异戊烯醇火焰中形成碳烟的速率限制步骤可能发生了改变．初始苯环的形成通常被认为是多数碳氢燃料碳烟生成中至关重要的环节，碳烟成核后的表面生长环节同样对最终的碳烟体积分数有巨大影响[9]．乙炔是苯环形成和表面生长过程中的重要物质[30]，也是甲烷、乙烯基础火焰中的差异所在．少量的异戊烯醇加入，使得乙烯火焰中苯环形成大大增强，促进了碳烟初始核的形成，从而增强了碳烟形成；而较大量的掺混虽然使得PAH形成仍有较大增强，但是碳烟表面生长相关的C2H2体积分数可能降低，此时后续的碳烟表面生长反应速率可能受到限制，所以最终碳烟的体积分数降低．而甲烷火焰中线性的变化说明甲烷火焰中并不存在这一转变，表明异戊烯醇碳烟生成的路径与C1类物质的化学关联不大．综上可见，异戊烯醇对小分子碳氢燃料燃烧中碳烟的生成具有促进作用，而其作用大小既与其掺混比例有关，也与基础燃料自身性质有关，而更加准确的分析依赖于异戊烯醇详细的化学反应机理和碳烟动力学模型的进一步发展，这也将是本研究下一步的工作重点．

3 结 论

本文基于对冲扩散火焰燃烧器，借助LIF和LII，研究了3-甲基-2-丁烯-1-醇和3-甲基-3-丁烯-1-醇不同掺混比对甲烷、乙烯火焰的PAH和碳烟生成特性的影响规律．

(1) 掺混3-甲基-2-丁烯-1-醇和3-甲基-3-丁烯-1-醇都会使得甲烷、乙烯火焰的PAH和碳烟生成增强，但3-甲基-2-丁烯-1-醇的作用效果更为明显，因为前者主要分解形成2-甲基-1，3-丁二烯，后者主要分解为异丁烯，2-甲基-1，3-丁二烯的成烟倾向高于异丁烯．

(2) 乙烯中掺混3-甲基-2-丁烯-1-醇导致的PAH和碳烟增强高于甲烷，因为3-甲基-2-丁烯-1-醇分解形成的2-甲基-1，3-丁二烯易于与C2物质如乙炔等发生化学反应成环．

(3) 甲烷中掺混不同比例的异戊烯醇会引起PAH和碳烟的线性变化，而乙烯中则显示出非线性的关系，这可能是由于乙烯中C2H2体积分数的下降导致碳烟演化的限速步骤由成核转变为表面生长引起的．

［1］ Koç M，Sekmen Y，Topgül T，et al. The effects of ethanol-unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-ignition engine[J].，2009，34(10)：2101-2106.

［2］ Sarathy S M，Oßwald P，Hansen N，et al. Alcohol combustion chemistry[J].，2014，44：40-102.

［3］ Gautam M，Martin II D W. Combustion characteristics of higher-alcohol/gasoline blends[J].：，2000，214(5)：497-511.

［4］ Gautam M，Martin II D W，Carder D. Emissions characteristics of higher alcohol/gasoline blends[J].：，2000，214(2)：165-182.

［5］ Monroe E，Gladden J，Albrecht K O，et al. Discovery of novel octane hyperboosting phenomenon in prenol biofuel/gasoline blends[J].，2019，239：1143-1148.

［6］ Welz O，Savee J D，Osborn D L，et al. Chlorine atom-initiated low-temperature oxidation of prenol and isopre-nol：The effect of C＝C double bonds on the peroxy radical chemistry in alcohol oxidation[J].，2015，35(1)：401-408.

［7］ De Bruycker R，Herbinet O，Carstensen H，et al. Un-derstanding the reactivity of unsaturated alcohols：Experimental and kinetic modeling study of the pyrolysis and oxidation of 3-methyl-2-butenol and 3-methyl-3-butenol[J].，2016，171：237-251.

［8］ Ninnemann E，Kim G，Laich A，et al. Co-optima fuels combustion：A comprehensive experimental investiga-tion of prenol isomers[J].，2019，254：115630.

［9］ Wang Y，Chung S H. Soot formation in laminar counter-flow flames[J].，2019，74：152-238.

［10］ Hwang J Y，Lee W，Kang H G，et al. Synergistic effect of ethylene-propane mixture on soot formation in laminar diffusion flames[J].，1998，114(3/4)：370-380.

［11］ Yoon S S，Lee S M，Chung S H. Effect of mixing methane，ethane，propane，and propene on the synergistic effect of PAH and soot formation in ethylene-base counterflow diffusion flames[J].，2005，30(1)：1417-1424.

［12］ Yan F，Xu L，Wang Y，et al. On the opposing effects of methanol and ethanol addition on PAH and soot formation in ethylene counterflow diffusion flames[J].，2019，202：228-242.

［13］ Park S，Wang Y，Chung S H，et al. A PAH growth mechanism and effect of alcohol addition on PAH formation in counterflow ethylene diffusion flames[C]// 7. Budapest，Hungary，2015.

［14］ Karataş A E，Commodo M，Gülder Ö L. Soot formation in co- and counter-flow laminar diffusion flames of binary mixtures of ethylene and butane isomers and synergistic effects[J].，2010，24(9)：4912-4918.

［15］ Yoon S S，Anh D H，Chung S H. Synergistic effect of mixing dimethyl ether with methane，ethane，propane，and ethylene fuels on polycyclic aromatic hydrocarbon and soot formation[J].，2008，154(3)：368-377.

［16］ Choi J H，Choi B C，Lee S M，et al. Effects of DME mixing on number density and size properties of soot par-ticles in counterflow non-premixed ethylene flames[J].，2015，29(5)：2259-2267.

［17］ 邱 亮，成晓北，魏文明，等. 乙烯-正庚烷混合燃料在碳烟生成中的协同效应[J]. 内燃机学报，2016，34(2)：147-155.

Qiu Liang，Cheng Xiaobei，Wei Wenming，et al. Synergistic effect of ethylene-heptane mixture on soot formation[J].，2016，34(2)：147-155(in Chinese).

［18］ Melton L A. Soot diagnostics based on laser heating[J].，1984，23(13)：2201-2208.

［19］ Singh P，Sung C. PAH formation in counterflow non-premixed flames of butane and butanol isomers[J].，2016，170：91-110.

［20］ de Andrade Oliveira M H，Olofsson N E，Johnsson J，et al. Soot，PAH and OH measurements in vaporized liquid fuel flames[J].，2013，112：145-152.

［21］ Choi B C，Choi S K，Chung S H. Soot formation characteristics of gasoline surrogate fuels in counterflow diffusion flames[J].，2011，33(1)：609-616.

［22］ Liu H，Zhang P，Liu X，et al. Laser diagnostics and chemical kinetic analysis of PAHs and soot in co-flow partially pre-mixed flames using diesel surrogate and oxygenated additives of-butanol and DMF[J].，2018，188：129-141.

［23］ Kee R J，Rupley F M，Meeks E，et al. CHEMKIN-III：A FORTRAN Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-phase Chemical and Plasma Kinetics[R]. USA：Sandia National Lab，1996.

［24］ Lutz A E，Kee R J，Grcar J F，et al. OPPDIF：A Fortran Program for Computing Opposed-flow Diffusion Flames[R]. USA：Sandia National Lab，1997.

［25］ Metcalfe W K，Burke S M，Ahmed S S，et al. A hierarchical and comparative kinetic modeling study of C1− C2hydrocarbon and oxygenated fuels[J].，2013，45(10)：638-675.

［26］ Yu W，Park S，Sarathy S M，et al. A comparative study on the sooting tendencies of various 1-alkene fuels in counterflow diffusion flames[J].，2018，192：71-85.

［27］ Kang K T，Hwang J Y，Chung S H，et al. Soot zone structure and sooting limit in diffusion flames：Comparison of counterflow and co-flow flames[J].，1997，109(1/2)：266-281.

［28］ Wang K，Villano S M，Dean A M. Experimental and kinetic modeling study of butene isomer pyrolysis：Part II. Isobutene[J].，2017，176：23-37.

［29］ Moshammer K，Seidel L，Wang Y，et al. Aromatic ring formation in opposed-flow diffusive 1，3-butadiene flames[J].，2017，36(1)：947-955.

［30］ Frenklach M，Clary D W，Gardiner W C，et al. De-tailed kinetic modeling of soot formation in shock-tube pyrolysis of acetylene[J].()，1985，20(1)：887-901.

Effect of Prenol Isomers Addition on PAH and Soot Formation in Methane and Ethylene Counterflow Diffusion Flames

Liu Yang，Xu Yishu，Yao Junjie，Qin Longjiang，Li Yu，Cheng Xiaobei

(School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

The special phenomenon of octane hyperboosting of 3-methyl-2-buten-1-ol(prenol) shows that it has great potential as a gasoline additive. However，emissions testing on prenol and prenol blends is limited. Based on the counterflow diffusion flame，the effects of 3-methyl-2-buten-1-ol and its isomer 3-methyl-3-buten-1-ol(iso-prenol)addition on polycyclic aromatic hydrocarbons(PAH)and soot formation in methane and ethylene flames were explored using laser-induced incandescence(LII)and laser-induced fluorescence(LIF). Results show that prenol isomers promoted the production of PAH and soot in methane and ethylene flames，and the effect was related to the molecular structure of prenol isomers and the nature of the basic fuel itself. Different molecular structures led to great differences in the path and tendency of PAH and soot formation. It is possible that 3-methyl-2-buten-1-ol has a closer chemical relationship with C2species in the nucleation reaction.

prenol isomers；counterflow diffusion flame；soot formation；polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)

TK421

A

1006-8740(2022)02-0149-08

10.11715/rskxjs.R202202018

2021-03-02．

国家自然科学基金资助项目(51576083；51806075).

刘 洋（1994—  ），男，博士研究生，liuyangcombustion@163.com.

成晓北，男，博士，教授，xbcheng@hust.edu.cn.

(责任编辑：武立有)