吸热型碳氢燃料高温结焦抑制方法研究进展

姬亚军， 杨鸿辉， 刘朝晖， 毕勤成

(1.信阳师范学院 地理科学学院 河南省水土环境污染协同防治重点实验室，河南 信阳 464000；2.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

以吸热型碳氢燃料为冷却剂，为高超音速飞行器提供热防护是一种具有发展前景的主动热防护方法。其过程主要是通过碳氢燃料在反应管内以对流换热的方式对飞行器高温表面进行冷却，碳氢燃料发生吸热裂解反应，生成小分子烃类，从而实现热防护。然而，吸热型碳氢燃料在高温下易结焦并沉积在管壁，造成管径减小、燃料流速加快，从而缩短了燃料在反应管内的停留时间，导致燃料裂解转化率下降、吸热量减少、热防护能力下降。同时，结焦阻碍了反应管与燃料间的热传递，降低传热效率，甚至堵塞反应管，使管壁快速升温，造成反应管压力升高、管壁爆裂[1]。因此，抑制碳氢燃料高温结焦对主动热防护技术发展至关重要[2]。

碳氢燃料高温结焦的途径主要有3种(见图1)。第一种为金属催化产生丝状焦：碳氢燃料吸附于金属管壁Fe、Ni等活性位点，在其催化下发生脱氢缩合反应，形成金属碳化物；金属碳化物分解成碳颗粒和金属颗粒，位于焦炭顶部的金属颗粒不断与焦炭前身物反应，产生丝状焦。第二种为自由基聚合结焦：活泼自由基(甲基、乙基、丙基和苯基等)与低碳烯烃聚合产生芳烃自由基；芳烃自由基进一步脱氢、环化产生多环芳烃，最终形成焦炭。第三种为芳烃聚合结焦：芳烃发生缩合、环化和脱氢反应生成稠环芳烃，进而结焦；……