纳米AL粉在CO2气氛中燃烧特性及动力学研究;冶金与资源

共78页第页1纳米Al粉在CO2气氛中燃烧特性及动力学研究热能与动力工程专业杨渐志（079014027）指导老师：孙运兰副教授摘要铝/二氧化碳反应具有较高的比冲，是实现载人登火星探测的理想燃料。火星大气中含有95%的二氧化碳气体，采用铝/二氧化碳作为燃料可以实现“就地资源利用（ISRU）”。但目前，铝/二氧化碳反应所遇到的“瓶颈”问题是：点火困难燃烧效率低。纳米铝粉有许多优良的特性，将其应用于铝/二氧化碳推进剂中，将有可能降低铝/二氧化碳的点火阈值，提高其燃烧效率。本论文采用热分析技术，对纳米铝粉在二氧化碳气氛中燃烧过程及燃烧反应动力学过程进行了研究，并对反应机理进行了推测。同时本文还对纳米铝粉在氮气中燃烧特性及动力学进行了研究。为进一步提高铝在二氧化碳中点火能力，降低点火温度，本文采用聚丙烯酰胺（PAM）对铝颗粒进行包覆处理，并对包覆PAM的纳米铝粉在二氧化碳中的燃烧特性进行了研究。最后，本文还利用VisualBasic编程语言开发动力学模型辅助计算程序，以简化繁复的数据处理。具体的研究结果如下：1.纳米铝粉在二氧化碳中燃烧分为四个阶段：初始阶段(~500℃)、剧烈燃烧阶段（500~700℃）、较剧烈燃烧阶段(700~1000℃)及燃尽阶段(1000~1200℃)。纳米铝粉在氮气中燃烧分为初始阶段(~500℃)、氮化阶段(500~1000℃)及燃尽阶段(1000~1200℃)，氮化过程又可分为三个阶段：表层氮化阶段(500~660℃)、铝熔化阶段(660℃)及液态铝氮化阶段（660~1000℃）。2.纳米铝粉在二氧化碳中着火点为533~600℃左右，在氮气中为536~560℃左右。说明纳米铝粉在二氧化碳、氮气中的燃烧着火点相近。纳米铝粉在这两种气氛中的燃共78页第页2尽温度也相近，都在1000~1200℃左右。3.反应级数n=2模型能很好地描述纳米铝粉在二氧化碳中剧烈燃烧阶段动力学，即该阶段的反应机理函数2()1f；反应级数n=2.8模型能很好地描述较剧烈燃烧阶段动力学，即该阶段的反应机理函数2.8()1f。纳米铝粉在氮气中反应动力学模型选反应级数n=1.5模型非常合适，即铝氮化反应机理函数1.5()1f。4.纳米铝粉在二氧化碳中剧烈燃烧阶段活化能为249~350kJ/mol左右，较剧烈燃烧阶段活化能为163~205kJ/mol左右，说明剧烈燃烧阶段反应要比较剧烈燃烧阶段反应更难发生。纳米铝粉的表面氮化过程活化能E=319kJ/mol，而液态氮化过程活化能E=136kJ/mol，前者约为后者的2.4倍，说明液态铝较易发生氮化。5.根据燃烧反应阶段的质量变化，并结合铝在二氧化碳中可能发生的化学反应，对各阶段反应机理进行推测，并从反应活化能大小上得以验证。剧烈燃烧阶段：2AlCOAlOCO2232AlOCOAlOCO较剧烈燃烧阶段：222AlCOAlOCO222322AlOCOAlOCO关键词：铝/二氧化碳；热分析；燃烧特性；反应动力学共78页第页3AbstactAluminum/carbondioxidecanbeusedastheidealfuelforrocketstoMars,asthereactionofAluminumwithcarbondioxidecanattainhighspecificimpulse.As95%oftheatmosphereonMarsiscarbondioxidegas,aluminum/carbondioxideasafuelcanachievethegoal,whichiscalledinsituresourceutilization(ISRU).Butnow,therecationofAluminumwithcarbondioxideencounteredabottleneckproblem:inefficientignitionandcombustionproblems.Withlotsofexcellentcharacteristics,Nano-aluminumshouldbeappliedinaluminum/carbondioxidepropellant,whichwouldlowertheignitionthresholdandimproveitscombustionperformance.Inthiswork,thermalanalysistechniqueisusedtostudythecombustionofnano-aluminumpowderincarbondioxideandrecationkinetics.Thereactionmechanismisaslosuggested.Inaddition,thecombustionofnano-aluminumpowderinnitrogenisaslostudied.Tofurtherenhancetheignitionabilityofaluminumincarbondioxideandlowertheignitiontemperature,aluminumparticlesarecoatedbythepolyacrylamide(PAM).Intheend,asimplecomputerprogramisdevelopedtosimplifycomplexdataprocessing.Specificresultsareasfollows:1.Thecombustionofnano-aluminumpowderincarbondioxidecanbedividedintofourstages:initialstage(~500℃),severeburningstage(500~700℃),lesssevereburningstage(700~1000℃)andburnoutstage(1000~1200℃).Combustionofnano-aluminumpowderinnitrogencanalsobedividedintothreestages:theinitialstage(~500℃),nitridestage(500~1000℃)andburnoutstage(1000~1200℃),andthenitridestagecanbealsodividedintothreespecificstages:thesurfacenitridestage(500~660℃),meltingofaluminumstage(660℃)andtheliquidaluminumnitridestage(660~1000℃).2.TheignitiontemperatureofNano-aluminumincarbondioxideisabout533~600℃,whileinnitrogenisabout536~560℃.Inboththetwoatmospheres,theburnouttemperatureisaround1000~1200℃.3.Reactionorder(n=2)modelcanbewellusedtodescribethekineticsofsevereburningstageofnano-aluminumpowderincarbondioxide.Reactionorder(n=2.8)modelisbetterforthelesssevereburningstage.Reactionorder(n=1.5)modelisisveryappropriatetodescribethekineticsofnitridestage.4.Theactivationenergyofthesevereburningstageisabout249~350kJ/mol,whiletheactivationenergyoflessseverburningstageisabout163~205kJ/mol,indicatingthatthe共78页第页4reactionofsevereburningstageishardertohappen.Theactivationenergyofsurfacenitrideprocessisabout319kJ/mol,whiletheactivationenergyoftheliquidnitrogenprocessisabout136kJ/mol.Theformerisabout2.4timesthelatter,indicatingthatliquidaluminumiseasiertoreactionwithnitrogen.5.Accordingtothemasschangeofeachcombustionstage,combinedwiththepossiblerecationofaluminumincarbondioxide,wepredictthemechanismoftheprocess.Inthesevereburningprocess,themechanismmaybe:2AlCOAlOCO2232AlOCOAlOCO,Whileinthelessburningprocess,themechanismmaybe:222AlCOAlOCO222322AlOCOAlOCO.共78页第页5第一章绪论1.1Al/CO2燃烧反应的研究背景化石燃料因燃烧时排放温室气体，破坏生态环境，已成为影响气候变化，引发极端气象灾害的元凶，严重威胁人类的生存安全。寻求新能源是世界各国的共同目标，金属燃料或将作为化石能源的替代而引起研究人员的关注。金属燃料较化石燃料有很多优势：一是金属燃料在燃烧时不会释放二氧化碳、二氧化硫等温室气体及有害物质；二是金属能量密度高，方便运输、使用和储存；三是可重复利用性，经加工处理可多次重复使用；四是安全性好[1]。镁铝是地球上含量最为丰富的金属元素，加之用电解法制镁铝工艺简单、技术相当成熟，因而镁铝的燃烧得到广泛研究。但由于镁的能量密度较铝低，因而采用高能量密度铝作为推进剂的重要组成部分是一种更佳选择。金属推进剂被认为是传统推进剂的代替品，但仍有诸如点火困难、难以维持燃烧、燃烧效率不高等大量问题存在，因此，有待进一步加强对金属燃料燃烧领域的研究。尤其，CO2作为氧化剂的金属燃烧颇受青睐。CO2是许多含金属的推进剂和固体炸药的主要燃烧产物。此外，CO2是主要的温室气体，其大量排放引起全球气候变暖，已经影响到多数人的生活和少数人的生存。自哥本哈根会议召开后，各国都承诺了相应的CO2减排目标，节能减排及寻求新型理想能源迫在眉睫。而且，Al/CO2近来被提出用来发展喷气式飞机和探测火星任务的火箭发动机的推进剂，该发动机能够利用火星上的CO2作为氧化剂并使用铝作为燃料。因为在火星上CO2是唯一可以用作氧化剂的物质，火星上95.32%的气体都是CO2[2]。如果该推进剂能实现的话，探测火星的火箭就可以利用火星上的CO2将宇航员返回地球，而不必携带返程燃料，可以大大减小火箭的体积和重量。这对实现人类探测火星的梦想意义很大[3-5]。因此，Al/CO2的燃烧近年来得到研究者的重视，国外已经开始了一定的实验研究，包括美国国家航空航天局喷气推进实验室、格伦研究中心、约翰逊航天中心等在共78页第页6内的多家单位对利用火星二氧化碳制取飞船发动机燃料的可行性进行了广泛的研究[6-8]。这些研究包括利用从地球上带去的氢，与火星大气中的二氧化碳进行化学反应，生成甲烷和水，再将水电解又可得到氢和氧。甲烷/氧是比较好的燃料，不仅可供返航飞船用，还可供火星车及可移动仪器设备用。生产推进剂所需电能由从地球带去的核电站供给。这些方法的缺点是必须从地球上把生产推进剂的工厂运到火星上，虽然这对从火星表面上单次发射是可行的，但对在火星上必须巡视探测的飞船上升飞行器是不合适的。飞船上升飞行器每