甲烷/空气扩散火焰中碳烟颗粒的三维形貌演变
发布时间：2021-06-07 14:00
采用热泳取样技术获取了甲烷/空气扩散火焰中不同高度的碳烟颗粒,并通过原子力显微镜研究了碳烟颗粒的三维形貌随火焰高度变化的演变规律.研究所选高度下碳烟微粒的三维形貌反映出了碳烟微粒在扩散火焰中形成的各个过程,即成核、表面生长、团聚和氧化.当火焰高度HAB从30,mm增加到45,mm时,单碳烟粒子平均粒径从8.72,nm增加到11.36,nm;当HAB>45,nm时,单碳烟粒子平均粒径逐渐降低;单碳烟粒子的球度比主要分布在0.010.30之间,表明这些碳烟粒子的碳化程度较低,呈类液态;球度比随着颗粒体积当量直径的增加而增加,且随着HAB的增加球度比随体积当量直径的增加速率变快,说明单碳烟粒子碳化程度与颗粒大小和火焰高度相关.
【文章来源】：燃烧科学与技术. 2016,22(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
实验系统示意
一个样品的扫描，将原子力探针浸泡于无水乙醇中，以去除探针尖端污染物，避免探针尖端污染物对下一个样品扫描造成的形貌偏差．虽然放大倍数越高的测试图片清晰度越高，能够显示更加细小的微观形貌细节，但是电机噪声和电子反馈又对放大倍数有所限制；同时，为了增加样本统计结果的可信度又需要使扫描范围更大，以使更多的样品得到扫描分析，因此，本文选择的扫描范围为1,000,nm×1,000,nm[11]．碳烟颗粒的三维微观结构参数是通过图像处理软件(SPIP，ImageMetrology)来获得的．2试验结果与讨论2.1三维形貌图3是不同火焰高度下通过热泳取样装置获得的碳烟颗粒三维微观形貌图．这些不同火焰高度下的碳烟颗粒三维形貌能够反映出甲烷/空气扩散火焰中火焰温度和颗粒成熟程度对碳烟颗粒三维微观结构和形貌的影响．从图3(a)和图3(b)可以看出，当HAB从30,mm增加到38,mm时，绝大部分碳烟颗粒的三维结构均表现为孤立的扁平状单粒子，并且，随HAB的增加，碳烟颗粒明显长大，说明碳烟颗粒在这个阶段以单粒（a）火焰高度为30mm（b）火焰高度为38mm（c）火焰高度为45mm（d）火焰高度为50mm（e）火焰高度为60mm图3不同火焰高度碳烟颗粒AFM三维形貌
挥τ迷谔佳炭帕５奈⒐坌蚊惭?究中[12-13]．本文基于McKenna扩散燃烧器产生特定燃烧反应条件下的甲烷扩散火焰，运用自行开发的热泳探针取样系统对不同火焰高度处的碳烟微粒进行取样，并结合AFM分析了甲烷/空气扩散火焰高度对碳烟微粒微观立体结构及三维形貌的影响规律．本文的研究结果将为燃烧反应中碳烟微粒演化机理的认知及燃烧源排放颗粒物控制技术的发展提供有益的参考．1实验装置与方法1.1取样系统研究是在课题组已建立的McKenna平面扩散火焰燃烧分析系统上进行的，该系统能够产生稳定的扩散火焰，如图1所示．实验中甲烷、空气和氮气的进气流量分别设定为0.42,L/min、36,L/min和20,L/min，由CS200A质量流量控制器进行流量控制．燃烧器出口温度由恒温水箱进行冷却，恒定在25,℃．光学位移台用来调节燃烧器的垂直高度(定位精度为±0.02,mm)，实现对火焰不同高度处碳烟颗粒的取样，火焰高度(heightabovetheburner，HAB)是指取样位置到燃烧器出口处的垂直距离．图1实验系统示意碳烟颗粒的取样是基于热泳取样原理[14]来完成的．如图1所示，云母基片由探针固定，通过直线电缸来控制镊子进入、滞留和退出火焰的时间．如果取样系统在火焰中的滞留时间过长，将会导致云母片表面碳烟颗粒的化学反应难以瞬间淬熄；过短则难以取到足够多的碳烟颗粒，因此本研究根据文献[14]提出的公式计算来决定云母片在火焰中的滞留时间．1.2温度测量火焰不同高度处的温度是采用B型铂铑热电偶来测量的，结合温度显示仪表，可以实时地显示和记录被测量位置处的火焰温度．其中热电偶丝直径约为0.3,mm，焊点直径约为0.5,mm．通过直线电缸进给装置控制热电偶快速插入、离开火焰，以降低热电偶在火焰中的曝光时间，减少碳烟积聚．同
【参考文献】：
期刊论文
[1]CH4-O2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响[J]. 宋崇林,洪亮,汪晓伟,李政,陈男,张仲荣. 燃烧科学与技术. 2013(02)
本文编号：3216709
【文章来源】：燃烧科学与技术. 2016,22(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
实验系统示意
一个样品的扫描，将原子力探针浸泡于无水乙醇中，以去除探针尖端污染物，避免探针尖端污染物对下一个样品扫描造成的形貌偏差．虽然放大倍数越高的测试图片清晰度越高，能够显示更加细小的微观形貌细节，但是电机噪声和电子反馈又对放大倍数有所限制；同时，为了增加样本统计结果的可信度又需要使扫描范围更大，以使更多的样品得到扫描分析，因此，本文选择的扫描范围为1,000,nm×1,000,nm[11]．碳烟颗粒的三维微观结构参数是通过图像处理软件(SPIP，ImageMetrology)来获得的．2试验结果与讨论2.1三维形貌图3是不同火焰高度下通过热泳取样装置获得的碳烟颗粒三维微观形貌图．这些不同火焰高度下的碳烟颗粒三维形貌能够反映出甲烷/空气扩散火焰中火焰温度和颗粒成熟程度对碳烟颗粒三维微观结构和形貌的影响．从图3(a)和图3(b)可以看出，当HAB从30,mm增加到38,mm时，绝大部分碳烟颗粒的三维结构均表现为孤立的扁平状单粒子，并且，随HAB的增加，碳烟颗粒明显长大，说明碳烟颗粒在这个阶段以单粒（a）火焰高度为30mm（b）火焰高度为38mm（c）火焰高度为45mm（d）火焰高度为50mm（e）火焰高度为60mm图3不同火焰高度碳烟颗粒AFM三维形貌
挥τ迷谔佳炭帕５奈⒐坌蚊惭?究中[12-13]．本文基于McKenna扩散燃烧器产生特定燃烧反应条件下的甲烷扩散火焰，运用自行开发的热泳探针取样系统对不同火焰高度处的碳烟微粒进行取样，并结合AFM分析了甲烷/空气扩散火焰高度对碳烟微粒微观立体结构及三维形貌的影响规律．本文的研究结果将为燃烧反应中碳烟微粒演化机理的认知及燃烧源排放颗粒物控制技术的发展提供有益的参考．1实验装置与方法1.1取样系统研究是在课题组已建立的McKenna平面扩散火焰燃烧分析系统上进行的，该系统能够产生稳定的扩散火焰，如图1所示．实验中甲烷、空气和氮气的进气流量分别设定为0.42,L/min、36,L/min和20,L/min，由CS200A质量流量控制器进行流量控制．燃烧器出口温度由恒温水箱进行冷却，恒定在25,℃．光学位移台用来调节燃烧器的垂直高度(定位精度为±0.02,mm)，实现对火焰不同高度处碳烟颗粒的取样，火焰高度(heightabovetheburner，HAB)是指取样位置到燃烧器出口处的垂直距离．图1实验系统示意碳烟颗粒的取样是基于热泳取样原理[14]来完成的．如图1所示，云母基片由探针固定，通过直线电缸来控制镊子进入、滞留和退出火焰的时间．如果取样系统在火焰中的滞留时间过长，将会导致云母片表面碳烟颗粒的化学反应难以瞬间淬熄；过短则难以取到足够多的碳烟颗粒，因此本研究根据文献[14]提出的公式计算来决定云母片在火焰中的滞留时间．1.2温度测量火焰不同高度处的温度是采用B型铂铑热电偶来测量的，结合温度显示仪表，可以实时地显示和记录被测量位置处的火焰温度．其中热电偶丝直径约为0.3,mm，焊点直径约为0.5,mm．通过直线电缸进给装置控制热电偶快速插入、离开火焰，以降低热电偶在火焰中的曝光时间，减少碳烟积聚．同
【参考文献】：
期刊论文
[1]CH4-O2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响[J]. 宋崇林,洪亮,汪晓伟,李政,陈男,张仲荣. 燃烧科学与技术. 2013(02)
本文编号：3216709
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