【摘 要】
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甲烷（CH4）是一种理想的化石燃料替代品,但存在气相燃烧性能不理想的问题,容易产生燃烧不完全的现象,所以在CH4中掺混不同添加剂以提高燃烧效率,减少其不完全燃烧显得尤为重要。因此,本论文以CH4与不同介质掺混为主要研究对象,采用分子动力学模拟的方法,分别研究了在CH4中掺混氢气（H2）、臭氧（O3）以及铝纳米颗粒的影响,并在纯气相反应中考察了燃烧产物二氧化碳对不同掺混燃料系统的影响。研究结果表明:
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甲烷（CH4）是一种理想的化石燃料替代品,但存在气相燃烧性能不理想的问题,容易产生燃烧不完全的现象,所以在CH4中掺混不同添加剂以提高燃烧效率,减少其不完全燃烧显得尤为重要。因此,本论文以CH4与不同介质掺混为主要研究对象,采用分子动力学模拟的方法,分别研究了在CH4中掺混氢气（H2）、臭氧（O3）以及铝纳米颗粒的影响,并在纯气相反应中考察了燃烧产物二氧化碳对不同掺混燃料系统的影响。研究结果表明:（1）加入H2可以促进CH4的燃烧,使CH4的消耗速率加快,CH4开始参与反应的时间提前。与纯CH4燃烧相比,H2的加入使预混气的活化能显著降低了50%,但随着H2加入量的增加,对预混气发生反应的活化作用逐渐减弱。（2）当系统中存在H2时,OH自由基的生成加快,燃烧初期OH自由基的浓度较高,从而通过CH4+OH→CH3+H2O反应促进了CH4的初始反应。此外,OH自由基的生成还促进了CH3+OH→CH2O+H2和CH2O+OH→CHO+H2反应中CH3→CH2O→CHO的转化,从而影响CO和CO2的生成。因此,H2的加入不仅促进了CH4燃烧,而且还影响了CH4燃烧的中间产物和最终产物。（3）相比于掺混H2,由于O3→O2+O反应使系统中存在更多的O自由基,O自由基可以直接与CH4反应CH4+O→CH3+OH,加速CH4的消耗,也可以通过O+OH2?2OH、O+CH4?CH3+OH、O+CH2O?OH+HCO等反应生成OH自由基。OH自由基的活性最强,更容易与碳氢基团发生反应,间接促进了CH4的消耗,使得反应提前且剧烈,因此,掺混O3的系统更有利于CH4燃烧,加快了整个反应进程。（4）在产物方面,O2/O3气氛下生成物中绝大部分的CO都是通过CHO生成,但CHO的生成路径却存在一些差异,在O2/H2气氛下,CHO可以由CH3和CH2O两条反应路径得到,而在O2/O3气氛下,CHO只能由CH2O生成。（5）在CH4/H2及CH4/O3混合燃烧系统中掺混CO2对CH4的消耗速率有影响,主要表现在温度和相对浓度较低的情况下,混合燃烧系统中掺混CO2能够促进CH4的消耗,当温度升高,相对浓度较高时,CO2的加入能够一定程度上抑制CH4的消耗速率。当系统中存在CO2时,CO2主要通过CO2+H→CO+OH反应改变系统中CO、OH自由基和H自由基的数量,而系统中的碳氢基团会与OH自由基和H自由基反应分别生成H2和H2O,从而改变系统中H2和H2O的数量。（6）加入铝纳米颗粒能够使CH4参与反应的初始时间提前,降低其初始反应温度。在不同氧化层系统中,铝纳米颗粒表面对O2的吸附量不同,0.7 nm氧化层系统中铝纳米颗粒表面对O2的吸附量较小,能够为CH4在铝纳米颗粒表面的反应提供更多的活性位点,因此0.7 nm氧化层厚度的铝纳米颗粒对CH4的燃烧促进效果更好。CH4在铝纳米颗粒上的反应过程可以概括为:铝纳米颗粒表面吸附O2,直到得到饱和;吸附的O2随温度升高而解离;高温下CH4进行解离吸附;最后生成CO2、H2O等,并解离回气相。CH4在铝纳米颗粒上CO2的主要生成路径为CH4→CH3→CH2O→CHO→CO→CO2,这与纯CH4燃烧系统的结果是一致的,说明铝纳米颗粒的加入不会改变CO2的生成路径。
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