Effects of Methanol on Species Concentrations in N-Heptane Flames

Abstract

Fuel oxygenate additives have been used as an alternative method to reduce the combustion emissions. The effects of methanol addition on n-heptane oxidation were investigated for one-dimensional, atmospheric pressure, laminar, premixed, fuel-rich flame at an equivalence ratio of 2.10. The Detailed Chemical Kinetic Modeling approach has been used to obtain information about the combustion characteristics of n-heptane and n-heptane/methanol flames. A detailed chemical kinetic mechanism was generated by merging two mechanisms of n-heptane (with the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)) and methanol. The Master Mechanism consists of 4480 reactions and 945 species. Model validation was carried out using the experimental data available in the literature for different combustion systems. The Master Mechanism was investigated for the combustion of n-heptane and n-heptane/methanol flames using reaction sensitivity, rate of production, and reaction pathway analyses. The mole fraction profiles of low-molecular-weight stable species, single ring aromatics, and PAHs have been predicted by the model. Good agreements between the modeling and experimental results of species mole fractions for both flames have been achieved. The mole fractions of low-molecular-weight species, aromatics, and PAHs were reduced as the methanol was added to n-heptane flame. Acetylene, propargyl radical, and vinylacetylene have been found as important species for the formation of the first aromatic ring and PAH species. Model reduction was also carried out using directed relation graph method. The Reduced Mechanism consists of 1113 reactions and 156 species. The Reduced Mechanism was in a good agreement with the Master Mechanism in terms of the species mole fraction predictions of the n-heptane/methanol flame.

Oksijenli yakıt katkı maddeleri, yanma süreçlerinden kaynaklanan emisyonları azaltmak için alternatif bir yöntem olarak kullanılmaktadır. Metanol ilavesinin n-heptan oksidasyonuna etkileri 2.10 eşdeğerilk oranında, bir boyutlu, atmosferik basınç, laminer, önceden karıştırılmış, yakıt bakımından zengin alev için araştırılmıştır. Detaylı Kimyasal Kinetik Modelleme yaklaşımı, n-heptan ve n-heptan/metanol karışımının yanma özellikleri hakkında bilgi edinmek için kullanılmıştır. Detaylı kimyasal kinetik mekanizmada, n-heptan oksidasyonunu (polisiklik aromatik hidrokarbonların (PAH) oluşumu ile birlikte) ve metanol oksidasyonunu içeren literatürdeki iki farklı mekanizma kullanıldı. Geliştirilen Detaylı kimyasal Kinetik Mekanizma, 4480 reaksiyon ve 945 bileşikten oluşmaktadır. Modelin doğrulanması, literatürdeki farklı yanma sistemleri (laminer, önceden karıştırılmış, alev ve hızlı sıkıştırma makinesi) için mevcut deneysel veriler kullanılarak yapılmıştır. Geliştirilen ayrıntılı kimyasal kinetik model, n-heptan ve n-heptan/metanol alevlerinin yanması için reaksiyon hassasiyeti, üretim hızı ve reaksiyon yolu analizleri kullanılarak incelenmiştir. Düşük moleküler ağırlıklı kararlı bileşiklerin, tek halka aromatiklerin ve PAH’ların alev içerisindeki konsantrasyon (mol fraksiyon) profilleri model tarafından tahmin edilmiştir. n-Heptan/Metanol alevi için detaylı mekanizmanın bileşiklerin mol fraksiyonu tahminleri ile deneysel veriler arasında uyum vardır. Hem deneysel hem de modelleme sonuçlarına göre kararlı yapıdaki düşük moleküler ağırlıklı öncül bileşiklerin, aromatikler ve PAH'ların mol fraksiyonları, n-heptan alevine eklenen metanol katkısı ile azaldı. Asetilen, propargil radikali ve vinilasetilen, ilk aromatik halkanın ve PAH bileşiklerinin oluşumu için önemli öncül olarak bulunmuştur. Ayrıca, indirgenmiş mekanizma, yönlendirilmiş ilişki grafiği yöntemi kullanılarak üretildi. Geliştirilen İndirgendirmiş Mekanizma, 1113 reaksiyon ve 156 bileşikten oluşmaktadır. İndirgendirmiş Mekanizma, n-heptan/metanol alevi sırasında oluşan bileşiklerin mol fraksiyonu tahminleri açısından Detaylı Mekanizma ile iyi bir uyum göstermiştir.