复杂燃烧环境中含碳颗粒的激光诱导炽光光谱测量实验研究

发布时间：2020-05-25 00:30

【摘要】：在燃烧过程中形成的碳烟对人类健康,空气质量以及气候都有不利影响。根据激光诱导炽光技术(LII)非介入、能够进行定量场测量等优点,本文设计并搭建了激光诱导炽光光谱测量实验系统,对乙烯、煤粉火焰中含碳颗粒的演变过程展开了研究,并研究了CO_2掺混、煤粉种类以及煤粉粒径对火焰中碳烟颗粒生长过程的影响,为合理组织燃烧条件提供参考,主要内容如下:1.激光诱导炽光光谱测量实验系统及方法的建立搭建了火焰燃烧系统、激光测量系统以及碳烟颗粒采样平台。验证了煤粉燃烧器给粉的可靠性以及煤粉火焰的稳定性,并通过合理设置一、二次风工况使煤粉燃烧环境接近炉膛内的燃烧环境。建立了LII测量碳烟颗粒浓度及粒径的实验方法,并对实验方法的适用范围和准确性进行了分析。利用热泳取样装置和透射电镜(TEM)测量了碳烟颗粒的粒径,与LII模型计算得到的粒径进行对比,验证了本文LII模型的可靠性。2.乙烯火焰中碳烟颗粒的LII测量研究从碳烟颗粒吸收系数、碳烟颗粒的粒径与浓度等方面对乙烯/空气层流扩散火焰进行了实验研究。随着测量高度的上升,碳烟颗粒变得更加成熟、吸收性更强,其浓度与粒径都经历了先增长后衰减的过程,表明碳烟颗粒在火焰中经历了成核、生长及氧化的过程。随着燃料侧CO_2掺混比例的增加,火焰照片中黄色发光高度降低,暗色区域高度增加,表明在燃料侧添加CO_2可减慢碳烟颗粒的成核速率,抑制初生碳烟颗粒的形成。应用LII技术测量得到碳烟的激光能量曲线及碳烟粒径、浓度在火焰轴线上的分布,发现CO_2的掺混使碳烟颗粒的吸收性下降,表明CO_2稀释使煤烟颗粒成熟度降低。碳烟粒径、浓度的测量结果表明在燃料侧添加CO_2可减小碳烟颗粒粒径,改变火焰表面生长区和氧化区之间的边界,而对碳烟的氧化过程没有明显影响。3.煤粉火焰中含碳颗粒的LII测量研究从火焰形态、颗粒激光能量曲线及LII信号强度分布三方面研究了煤粉火焰中含碳颗粒的演变过程。单反相机的拍摄结果显示层流小粒径的烟煤火焰有典型的单颗粒均相着火阶段、群燃火焰阶段以及焦炭非均相着火阶段。小粒径烟煤火焰的激光能量曲线测量结果表明,由于碳烟颗粒的吸收性远强于煤粉颗粒及焦炭颗粒,随着激光能量的升高,LII信号强度出现了先上升、再略微下降、最后再次上升的趋势。研究了煤粉种类、粒径对煤粉火焰中碳烟颗粒生成的影响,结果表明煤粉粒径越大,煤粉火焰碳烟浓度越低,且煤粉火焰的着火方式越趋向于单颗粒着火。烟煤、褐煤、无烟煤三种煤粉火焰中,烟煤火焰的碳烟浓度最高,测量结果中出现了显著的碳烟颗粒的LII信号;褐煤煤粉颗粒脱挥发分后倾向于生成小分子气体,不易于生成碳烟,因此碳烟颗粒浓度较低;无烟煤由于挥发分含量低,其火焰生成的碳烟浓度低,煤粉颗粒的LII信号占无烟煤火焰LII信号的主导地位。
【图文】：

火焰,暗色,碳烟颗粒,百分比

1-1 (a)火焰总高度(b)火焰暗色区域高度所占比例与氢气体积百分比的关系气体火焰中碳烟颗粒的演化过程如图 1-2 所示，碳烟颗粒的生长过程分烟颗粒的成核、生长、氧化三大步骤[10]。具体而言，碳烟颗粒的生长过程下几个阶段[11]：碳烟颗粒前体物的生成碳烟颗粒的前体物一般被认为是相对分子质量在 500-1000 之间的 PAHs。以乙炔为主的小分子向 PAHs 自由基的添加以及芳香族化合物之间的反应，了从 C6H6等小分子到分子量更大的 PAHs 的生长。不同燃料火焰中，前体生成方式也有所不同。使用芳香族燃料时，乙炔等活跃的反应物在燃料分解大量生成，而使用脂肪烃类燃料时这些反应物的浓度较低。因此从烷烃到单烃、双烯烃、苯类直至萘类，碳烟的生成潜能依次变强。碳烟颗粒的成核

气体燃料,火焰,演化过程,碳烟颗粒

的较长停留时间内，刚形成的碳烟颗粒以及环融合的过程。这个过程使得最初致碳烟颗粒的质量下降而数浓度不变。粒的氧化会阻碍其自身的形成过程，从而火焰中，，氧化过程与生长过程是同时发氧化过程发生在生长过程之后。氧化过 OH 在燃料充足时占主导作用而 O2在燃
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK16

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