碳煙是燃料燃燒不完全的產(chǎn)物,是造成能源損耗和環(huán)境污染的重要因素。同時,煙氣亦是多數(shù)火災(zāi)事故中造成人員傷亡的罪魁禍?zhǔn)?煙氣會造成火場能見度的降低,導(dǎo)致人員疏散困難,碳煙顆粒也會被直接吸入人的呼吸道,造成窒息傷亡。故對燃料燃燒過程中的碳煙含量進行準(zhǔn)確測定,以及對碳煙生成特性和影響因素進行研究,對實現(xiàn)降低燃燒過程的碳煙排放量以提高能源利用率、降低環(huán)境污染、減少火災(zāi)事故中的人員傷亡具有重要的社會應(yīng)用價值�？焖贉�(zhǔn)確地獲取火焰中的碳煙顆粒含量,是對碳煙形成特性和發(fā)煙量控制方法進行深入研究的前提。綜合比較現(xiàn)有的碳煙檢測方法,選擇精度較高且實驗成本相對較低的消光法作為本次研究的基本技術(shù)手段,通過對消光法求解算法的深入研究,基于Matlab平臺開發(fā)了一套可以實現(xiàn)圖像處理和消光法算法求解的軟件程序,并自主搭建了一套消光法的實驗平臺,以獲取激光火焰圖像、火焰圖像、激光圖像和背景圖像四張圖像作為消光法計算求解的原始數(shù)據(jù)。為了驗證算法程序和實驗平臺的可靠性,分別以乙烯/空氣和丙烷/空氣層流擴散火焰為實驗對象開展測試實驗,將測試結(jié)果與前人的實驗結(jié)果的進行對比,結(jié)果顯示:乙烯火焰和丙烷火焰的測試結(jié)果均與前人的實驗結(jié)果體現(xiàn)較高的一致性,其不同高度的峰值相對誤差基本控制在8.13%以內(nèi),且主要誤差來源于火焰根部和火焰尖部受火焰形態(tài)影響較高的區(qū)域,在火焰中部區(qū)域,同一高度的碳煙體積分?jǐn)?shù)在徑向方向上的峰值相對誤差基本控制3.84%以內(nèi)。綜上所述,本次研究中搭建的消光法實驗平臺和自主編寫的算法程序?qū)μ細浠鹧嬷刑紵熀康臏y定具有較高的可靠性和適用性。為進一步探討水蒸氣含量對碳氫火焰中碳煙生成特性的影響,在消光法實驗系統(tǒng)中增設(shè)了一套霧化加濕裝置,分別展開對乙烯和丙烷火焰在不同水蒸氣含量下的碳煙濃度測定試驗。通過對0%、5%、8%、12%和15%水蒸氣含量的5工況進行實驗,結(jié)果顯示:在火焰形態(tài)上,水蒸氣含量的增加會導(dǎo)致火焰亮度的變暗,并對火焰形成拉伸作用。在碳煙含量上,水蒸氣含量的增加,會導(dǎo)致火焰中碳煙含量整體水平的下降,但抑制效應(yīng)呈現(xiàn)隨著火焰高度的增加而逐漸減弱的特征。另外,通過對前人在水蒸氣對火焰碳煙生成特性影響機理提出的溫度效應(yīng)、氧氣稀釋效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)3種作用形式進行詳細的討論,發(fā)現(xiàn)該結(jié)論在本研究的實驗結(jié)果中具有高度的適用性,論證了該結(jié)論可靠性的同時,說明了本次實驗結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和適用性。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X932
【部分圖文】：

3圖 1-1 碳煙顆粒的生長和團聚過程[11]（1）顆粒前驅(qū)物的形成。這個過程主要是指碳氫燃料經(jīng)過高溫?zé)峤庑纬勺颖江h(huán)芳烴開始，通過與其他芳烴或者較小烴基反應(yīng)形成環(huán)芳烴，并進一長形成較大的多環(huán)芳烴（PAH）的過程，這一部分依然屬于分子形成的化學(xué)過程。（2）碳煙顆粒成核過程。關(guān)于從大分子多環(huán)芳烴向直徑約為 1~2nm 的最辨識碳煙顆粒轉(zhuǎn)變的成核過程，目前依然未形成一致的認(rèn)識，主要分歧在于部分學(xué)者認(rèn)為成核主要依靠 C3H3+等離子作用的離子成核理論[12]，還有一部者則認(rèn)為主要是通過不荷電自由基的分子成核理論[13-14]。（3）凝聚和表面生長過程。相較于成核過程存在的分歧，對于碳煙顆粒

3.1接觸測量方法（一）稀釋抽取法稀釋抽取法的原理是將探針插入火焰中，抽取火焰中的燃燒物質(zhì)，并加釋，然后用顯微鏡顆粒物質(zhì)的形態(tài)外貌的觀察，如圖 1-3 所示。稀釋的目的了在將燃燒物質(zhì)抽出火焰外時，迅速減少其化學(xué)反應(yīng)速率，使得碳煙顆粒原來的形態(tài)特征。作為一種系統(tǒng)集成度高、工業(yè)應(yīng)用方便的碳煙顆粒離線檢測技術(shù)，稀釋法在汽車尾氣檢測及大型鍋爐工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較多，福特汽車公司aricq 先生應(yīng)用基于稀釋抽取法的可拆分移動分析儀（Differential Mobalyzer，DMA）對汽車引擎燃燒尾氣中的碳煙顆粒數(shù)量和荷點特性開展了的科學(xué)研究。該方法的局限性體現(xiàn)在其稀釋效果上，雖然及時對抽出的碳粒進行了稀釋，但依然無法還原其原來的外貌特征，這也是該方法多年來個技術(shù)難點[3]。

圖 1-3 DMA 顆粒采集系統(tǒng)示意圖[3]（二）纖維采集法上世紀(jì) 80 年代，纖維采集法最初由美國航天局（NASA）用來測量微火焰溫度，根據(jù)硅質(zhì)纖維在火焰中發(fā)出的光亮，計算出火焰溫度，纖見圖 1-4[28]。由于在纖維在火焰中會沉積燃燒過程中形成的碳煙顆粒長短并不會影響沉積煙黑顆粒的尺寸特征，通過顯微鏡可以良好的展粒的形態(tài)特征，因此被后來學(xué)者應(yīng)用于碳煙顆粒形成特性的研究當(dāng)中好的避免實驗材料對火焰形態(tài)的干擾，Vilimpoc 等人[29]于 1988 年發(fā)明徑為 15um 的 SiC 細絲纖維的細絲高溫計（Thin Filament Pyrometry，，并成功應(yīng)用于火焰的溫度和煙黑形態(tài)特征的研究中，韓國科技大學(xué)的[30]亦利用纖維采集法對火焰不同位置的碳煙顆粒形態(tài)開展了大量研究不同高度的碳煙顆粒形態(tài)特征。
【參考文獻】

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本文編號：2864287