基于光谱诊断的烃类火焰碳烟形成机理研究综述

碳烟主要是烃类燃料不完全燃烧生成的产物,其对人类健康、空气质量以及燃烧装置的使用寿命都会产生有害影响。碳烟生成是一个复杂的物理化学过程,控制碳烟排放,需要克服碳烟生成和燃烧过程中物理和化学演化的巨大差异,这些差异表现为对碳烟纳观结构和表面官能团随碳烟氧化活性反应变化的深入探索研究。近些年,研究人员对碳烟的生成机理开展了系列研究,对碳烟生成各个物理化学反应阶段有了一定认识。结合光谱诊断技术可深入了解燃烧系统碳烟形成过程,确定碳烟颗粒分子组成、精细结构、浓度分布等特征,也可从碳烟结构变化、黑体辐射强度等方面详细了解碳烟形成过程。该文旨在阐述光谱诊断技术对烃类火焰碳烟表征的研究进展和发展趋势,探讨LIBS, LII和LIF等作为诊断工具在包含背景辐射的火焰中检测碳烟生成过程产生辐射强度准确性等问题。主要介绍了烃类火焰碳烟的形成机理(从前驱体产生、生长到颗粒生成、凝聚,最后进行颗粒氧化)。总结了探测碳烟性质光谱诊断方法的应用以及光谱诊断技术对燃烧过程中碳烟表征的研究现状,包括对碳烟体积分数、温度和基于图像处理的碳烟结构表征,反应碳烟前驱体(多环芳烃)、反应气氛、温度等对碳烟颗粒物生成的影响。最...     

煤粉燃烧火焰区域内形成的亚微米颗粒电镜研究

煤粉燃烧火焰区域是燃烧过程中温度最高的区域,同时也是温度梯度、组分浓度梯度最高的地方,以及还原和氧化气氛交错存在等复杂环境,这种环境对亚微米颗粒初始形成阶段有着重要的影响,对该区域形成的PM1进行研究有助于深入理解PM1的形成机理.本文基于25 kW一维下行炉内对自维持燃烧的煤粉火焰区域,通过两级稀释水冷等速取样系统和ELPI(荷电低压撞击分离器)系统对颗粒物进行分级收集,以及电镜分析技术,获得PM1的质量和数浓度粒径分布,以及各粒径主要成分分布,并进行单颗粒分析.结果表明火焰区域中形成的亚微米颗粒以含碳物质为主,碳烟、碱金属和硫对超细颗粒有富集的趋势.该区域的亚微米颗粒同时存在多种复杂的形成机理.     

煤燃烧亚微米颗粒数浓度特性实验研究和理论分析

煤粉燃烧过程中亚微米颗粒数浓度的准确采样和测量是一个颇具挑战性的问题,本文基于清华大学高温-维炉实验系统产生的亚微米颗粒物,发展了适用于气溶胶扫描电迁移率颗粒粒径谱仪(SMPS)的两级氮气稀释水冷等速取样技术.为得到炉膛内亚微米颗粒的真实数浓度粒径分布,本文探索了不同稀释比对测量结果的影响,最后发展了基于成核、团聚和表...     

褐煤O2/CO2燃烧时可吸入颗粒物中碱性金属分布特性

通过沉降炉燃烧实验,研究了褐煤O2/CO2燃烧时可吸入颗粒物的生成和碱性金属元素在颗粒物中的分布特性.结果表明,燃烧气氛由O2/N2燃烧转变为O2/CO2燃烧时,亚微米颗粒物的生成量减少,但超细颗粒量增加.气氛对碱性金属元素分布的影响主要体现在亚微米颗粒范围内.与O2/N2燃烧相比,相同氧浓度下O2/CO2燃烧时所生成亚微米颗粒物中碱性金属向小粒径颗粒中富集.O2/CO2气氛下,低氧浓度燃烧时碱性金属元素对亚微米颗粒物的生成贡献大,而增加氧浓度其在亚微米颗粒物中质量份额则减小.     

煤粉燃烧初期碱金属与碳烟相互作用的研究

研究碱金属与碳烟的相互作用对于深入了解煤燃烧初期的细颗粒物生成与演化机制是非常重要的。本文采用Hencken燃烧器与ELPI+分级采样系统,对准东煤和其酸洗煤在不同气氛下30 ms停留时间处所取样的细颗粒物进行测试分析。研究发现准东煤产生的碳烟存在明显的Na元素掺杂,在20%O_2条件下几乎完全氧化并被矿物质颗粒物替代。酸洗之后准东煤碳烟产量增加40%,并且碳烟的氧化速度明显降低,导致在20%O_2条件下碳烟大量存在于细颗粒物中。使用HRTEM研究了掺杂Na的碳烟的微观结构,结果表明在挥发分的二次反应中碱金属与高分子烃存在多种相互作用机制。     

激光消光法测量RP-3航空煤油富油燃烧的碳烟产率

利用由He-Ne激光器、单色仪、光电倍增管(PMT)和数字示波器等组成的光学平台,采用激光消光法测量了RP-3航空煤油高温裂解和富油燃烧的碳烟产率。实验条件:RP-3航油摩尔浓度0.25%和0.5%,压力约2和4atm,高温裂解和当量比20.0,10.0,5.0,温度1 700~2 273K。结果显示裂解条件下碳烟产率随温度变化呈高斯分布,随着压力或浓度的增大,碳烟产率增大;富油燃烧条件下当量比越低,碳烟产率越低。本文结果为研究发动机内碳烟颗粒物排放及碳烟形成机理提供了实验依据。     

后喷时刻对柴油机燃烧影响的可视化研究

后喷可改善柴油机的颗粒物排放特性。在光学发动机上,保持总喷油量不变,变换不同主、后喷间隔时刻,对缸内燃烧过程进行高速摄影,研究后喷时刻变化对柴油机缸内燃烧特性的影响。将获取的缸内燃烧火焰图像,利用双色法计算得出缸内温度场和表征碳烟浓度的KL因子分布情况,并分析缸内燃烧温度和碳烟生成特性。研究表明,随主、后喷间隔角增加,温度分布及KL因子总量呈双峰分布,KL因子总量后期减少速度增加,即碳烟氧化速度加快。     

O2/CO2煤粉燃烧时细灰颗粒中痕量元素分布特性的实验研究

通过三个煤种在沉降炉中的燃烧实验,采用X-射线荧光光谱仪对实验收集的细灰颗粒物的元素组成进行定量测定,研究了O2/CO2煤粉燃烧对痕量元素行为的影响.结果表明,与O2/N2燃烧相比,O2/CO2燃烧对LPI颗粒物中Cu、Zn和Mn元素的分布形式没有影响,但显著增加了Cu、Zn元素在亚微米颗粒中的富集程度, Mn元素住细灰颗粒上没有出现富集,但O2/CO2燃烧时Mn在亚微米和超微米颗粒中的含量均显著减少.     

煤粉燃烧过程碳烟生成的激光测量研究

燃煤锅炉生成的碳烟不仅会增强火焰辐射、影响燃烧外,还排放到大气环境中带来严重危害。为了进一步了解其生成机理从而更好地对其生成量及特性进行控制,对煤粉燃烧过程中颗粒周围碳烟的分布规律进行定量的研究十分必要。本文自行设计了注射式微量给粉装置,成功实现了0.1 g/h量级给粉率下的连续给粉,并通过改进多元扩散燃烧器和以及结合激光诱导白炽光(Laser Induced Incandescence)技术,首次实现了对单颗粒煤粉燃烧过程中碳烟分布的定量测量,发现对于70μm左右的煤粉颗粒,碳烟分布直径约为1 mm。此外还通过控制气氛,研究了含氧量对碳烟生成的影响,发现随着氧含量的上升,碳烟总浓度下降并且峰值出现更早的规律。     

乙醇柴油混合燃料碳烟特性可视化研究

在一台电控共轨光学发动机上,采用高速摄影法,对不同掺混比例的乙醇柴油混合燃料进行研究,获取了缸内燃烧火焰图像,通过双色法得到表征碳烟总体分布的KL因子,分析了乙醇这种含氧生物质燃料对缸内燃烧过程和碳烟生成特性的影响。研究结果表明,随着乙醇掺入比例的增加,滞燃期相对延长,燃烧持续期缩短,火焰的亮度和分布面积都随之下降。KL因子的最高浓度降低,碳烟浓区的分布区域减小,碳烟的氧化进程加快。     

润滑油对颗粒物粒径分布及形貌的影响

本文对润滑油对柴油机颗粒物的粒径分布、形貌特征进行了实验研究。通过透射电镜(TEM)技术研究颗粒物形貌特征的变化。利用快速颗粒物光谱仪对颗粒物粒径分布和数量浓度进行分析。结果表明,润滑油参与燃烧增大了基本碳粒子的直径,尤其是低负荷工况更明显。润滑油的燃烧程度对颗粒物的结构有较大影响,燃烧越充分颗粒物结构越疏松,相反则紧凑。润滑油对核模态颗粒物的排放贡献较大,而对积聚态颗粒物数量浓度影响相对较小。     

不同前驱体模型对航空煤油扩散火焰碳烟颗粒生成的影响研究

采用不同的航空煤油化学反应机理和碳烟成核模型对气态航空煤油扩散火焰中碳烟颗粒的质量浓度和数量浓度进行预测.分别采用航空煤油详细化学反应机理和简化化学反应机理,结合非预混稳态扩散火焰面模型模拟燃烧反应.分别采用C2H2成核模型(基于乙炔浓度)和PAH成核模型(基于多环芳香烃浓度)预测碳烟颗粒浓度分布.研究结果表明,采用详细化学反应机理和PAH成核模型对碳烟体积分数的预测值与试验值吻合很好.相比于C2H2成核模型,采用PAH成核模型对碳烟体积分数的预测精度显著提升.     

滞止平板对乙烯射流扩散火焰碳烟特性影响

利用高分辨透射电镜和热重分析仪,研究了滞止平板对乙烯射流扩散火焰中生成的碳烟颗粒微观结构和氧化活性的影响.结果表明,壁面作用(Flame-wall interaction)使碳烟颗粒在滞止平板表面呈同心圆分布.内圈为初生碳烟颗粒,为无定形片层结构,外圈碳烟颗粒较为成熟,形成核壳结构,且有明显的同心片层组织.内圈碳烟颗粒的氧化活性高于外圈碳烟颗粒,随着高度增加,壁面作用使内圈颗粒氧化特性减弱,外圈颗粒的氧化特性增强,内圈颗粒的氧化特性始终强于外圈颗粒.     

灰对煤焦燃烧的动力学研究

基于表观动力学灰膜缩核模型,本文发展并利用耦合的灰膜与灰渗透本征动力学模型,详细研究焦炭颗粒燃烧特性。氧化反应与气化反应耦合能够高精度预测煤焦颗粒燃烧特性。随灰膜形成比例下降,焦炭颗粒燃烧温度升高,碳燃尽时间缩短;当碳转化率低于80%时,碳转化率主要受灰膜影响,灰渗透影响甚微;但当碳转化率大于80%时,灰膜与灰渗透同时起作用。     

石灰石对煤燃烧产生颗粒物及重金属影响实验研究

研究0.5 MW循环流化床实验台在混煤稳定燃烧条件下,烟尘颗粒分布规律及炉内投放石灰石对重金属排放的影响。加入石灰石后烟尘浓度从2.98增至5.04 g/Nm3,烟尘颗粒中位径从6.2增至10.1 μm。重金属在颗粒物上的分布规律显示半挥发性元素Pb和cd在小颗粒中的含量随粒径减小而增加,有在亚微米颗粒上富集的趋势。炉内高温燃烧过程中投放石灰石对重金属Hg,Cd,Pb,Ni,Cu有一定的吸附作用。     

煤粉燃烧过程中灰膜形成比例实验研究

煤焦颗粒燃烧过程中,灰膜形成显著影响其燃烧特性。因此,本文借助高温沉降炉研究了61~75,75~90和90~125μm三种粒径黄陵烟煤在1273和1673 K温度下的燃烧特性与灰膜形成比例;借助扫描电镜(SEM)详细观测空心微珠颗粒内部结构,提出灰膜比例计算公式,并分析温度,粒径和碳转化率对灰膜比例的影响。结果表明,高温下大部分灰分在焦炭烧尽阶段以灰膜形式存在。灰膜比例随温度和碳转化率增加而增加,随煤粉粒径增大而减小。高温下灰分用于形成灰膜比例相对较高,这为煤焦燃尽阶段的低反应性提供了合理的解释。煤焦颗粒动态燃烧过程中灰膜形成比例随燃烧工况变化而变化。该研究为煤焦颗粒燃烧动力学模拟灰膜比例选择提供了关键数据支撑。     

亚微米颗粒湍流团聚特性的实验研究

燃煤电厂亚微米颗粒物排放是造成大气环境污染和影响人体健康的重要因素。本文搭建亚微米颗粒湍流团聚实验平台,通过场发射扫描电镜(FESEM)对亚微米颗粒的团聚形貌进行微观表征以及扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)对亚微米颗粒团聚前后的粒径分布特性进行宏观测量。结果表明:亚微米颗粒湍流团聚形成多分叉颗粒树聚团结构,进口流速为0.8?5.3m/s条件下,PM1和PM0.1的脱除效率分别为5.6%?18.6%和7.0%?21.4%,且PM1和PM0.1的脱除效率曲线随速度变化呈现二次函数规律。     

激光消光法测量甲苯高温裂解的碳烟产率

建立了碳氢燃料在反射激波作用下高温裂解碳烟生成的检测系统,利用激光消光法测量了甲苯/氩气在高温条件下裂解生成碳烟的产率。实验条件：甲苯摩尔浓度0.25%和0.5%,压力约2和4 atm,温度1 630～2 273 K。获得了碳烟产率随温度、压力和燃料浓度的变化规律。碳烟产率随温度变化呈高斯分布,随着压力或浓度的增大,碳烟产率增大,碳烟产率最大达55%。产率的峰值温度随压力变化不大,但甲苯摩尔浓度从0.25%增大到0.5%时,峰值温度从1 852变为1 921 K。对比了压力为4 atm,燃料摩尔浓度为0.5%的甲基环己烷和甲苯的碳烟产率,甲基环己烷裂解碳烟产率峰值对应的温度为2 045 K,比甲苯约高135 K,但其最大碳烟产率仅有甲苯的1/8。结果为研究发动机内碳烟颗粒物排放及碳烟形成机理提供了实验依据。     

煤粉燃烧过程磷在亚微米颗粒中的转化

亚微米颗粒(PM1)中的磷由于对环境和SCR催化剂活性的影响而受到越来越多的关注.本文在一台25 kW的一维下行炉实验装置上,利用两级N2稀释高温水冷等速取样系统,通过PM2.5切割器和ELPI获取代表着煤粉燃烧主要阶段生成的粗颗粒(PM2.5+)和PM1,并进行元素成分和颗粒形貌的测试.研究结果表明,在燃烧过程中,磷主要富集在PM1中,磷在PM1中的质量浓度粒径分布存在双模态结构,Na、K、Mg、Ca和Fe的磷酸盐化影响着P在燃烧中的转移,Fe、K和Ca是影响P在中间模态颗粒中分布主要因素,而超细颗粒模态中燃烧条件控制着蒸发凝并的过程,从而最终影响到P在超细颗粒模态中的质量浓度分布的剧烈变化,同时也影响磷酸盐化的元素种类及相关度.     

类球状微米金刚石聚晶膜场发射的稳定性

在覆盖金属钛层的陶瓷上,利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备出类球状微米金刚石聚晶膜。通过二极管结构测试了聚晶膜的场致电子发射特性,利用扫描电子显微镜、拉曼光谱、XRD分析了场发射前后薄膜的结构和表面形貌的变化。发现在高场、大电流密度的场发射中,对类球状微米金刚石聚晶薄膜中的金刚石聚晶颗粒影响很小,而对金刚石聚晶颗粒间的非晶碳层影响很大。对类球状微米金刚石聚晶变化机理进行了研究。