甲烷-氧氣預混火焰溫度及碳煙顆粒特性研究.pdf

1、碳煙顆粒是碳氫燃料在不完全燃燒過程的主要固態(tài)產(chǎn)物，對燃燒設備、氣候環(huán)境及人體健康有著不同程度的危害;然而碳煙顆粒自身特有的光學輻射特性及材質(zhì)結(jié)構(gòu)對工業(yè)生產(chǎn)有著積極作用。為對碳煙顆粒的有效控制與利用，研究者們需要深入研究不同含碳煙火焰的燃燒過程與現(xiàn)象。本文從碳煙檢測技術著手，最終選擇接觸式測量中的熱電偶顆粒密度法(TPD)及熱泳力探針取樣法(TSPD)為主要的實驗方法，以實驗室中的甲烷/氧氣預混火焰為研究對象，針對不同火焰工況、不同火焰空

2、間位置處進行火焰溫度測量與碳煙顆粒體積分數(shù)的計算;同時觀察并處理透射電子顯微鏡(TEM)采集的二維圖像，量化各工況下的碳煙的微觀結(jié)構(gòu)及形貌特征。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴建立了以McKenna燃燒器為主的燃燒系統(tǒng)，實現(xiàn)燃燒工況的可控及火焰高度的可控;建立TPD系統(tǒng)，實現(xiàn)火焰溫度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集及記錄，同時可利用其溫度數(shù)據(jù)進行火焰溫度修正及碳煙體積分數(shù)計算;建立TSPD系統(tǒng)，實現(xiàn)對含碳煙火焰的定時、定位取樣功能，且對于取樣的空間位置

3、及取樣時間靈活可調(diào)；⑵TPD系統(tǒng)中，根據(jù)熱電偶在預混反饋可將火焰分為無碳煙區(qū)域與含碳煙區(qū)域;TPD技術能夠在含碳煙大部分區(qū)域進行碳煙濃度檢測，并在全域內(nèi)進行反饋溫度信息;在含碳煙區(qū)域內(nèi)，熱電偶溫度變化曲線在結(jié)束傳統(tǒng)的三個階段（“溫度響應階段”、“變發(fā)射率階段”及“變直徑階段”）之后，存在全新的“直徑穩(wěn)定階段”；⑶對比LE測量結(jié)果，在碳煙初生區(qū)域(HAB=3～7mm)內(nèi)TPD測量僮會由于“直徑穩(wěn)定階段”導致測量誤差加劇;在高于碳煙初生區(qū)域

4、(HAB＞7mm)后，TPD測量值與LE值吻合較好;C/O比與出口流速共同影響著影響“直徑穩(wěn)定階段”的出現(xiàn)時間，在碳煙初生區(qū)域內(nèi)，“直徑穩(wěn)定階段”的出現(xiàn)時間主要由C/O比主導；⑷TSPD法的實驗結(jié)果表明，在燃燒過程初期，基本碳煙顆粒的表面增長速率大于其氧化速率，基本碳煙顆粒粒徑由20nm(HAB=10mm)增長至29nm(HAB=25mm);隨著燃燒過程的進行，其表面增長速率與氧化速率差異縮小，平均顆粒粒徑增長率由28.83％降至5.6