【摘要】：在燃燒過程中形成的碳煙對人類健康,空氣質(zhì)量以及氣候都有不利影響。根據(jù)激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)(LII)非介入、能夠進(jìn)行定量場測量等優(yōu)點(diǎn),本文設(shè)計(jì)并搭建了激光誘導(dǎo)熾光光譜測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對乙烯、煤粉火焰中含碳顆粒的演變過程展開了研究,并研究了CO_2摻混、煤粉種類以及煤粉粒徑對火焰中碳煙顆粒生長過程的影響,為合理組織燃燒條件提供參考,主要內(nèi)容如下:1.激光誘導(dǎo)熾光光譜測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法的建立搭建了火焰燃燒系統(tǒng)、激光測量系統(tǒng)以及碳煙顆粒采樣平臺。驗(yàn)證了煤粉燃燒器給粉的可靠性以及煤粉火焰的穩(wěn)定性,并通過合理設(shè)置一、二次風(fēng)工況使煤粉燃燒環(huán)境接近爐膛內(nèi)的燃燒環(huán)境。建立了LII測量碳煙顆粒濃度及粒徑的實(shí)驗(yàn)方法,并對實(shí)驗(yàn)方法的適用范圍和準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析。利用熱泳取樣裝置和透射電鏡(TEM)測量了碳煙顆粒的粒徑,與LII模型計(jì)算得到的粒徑進(jìn)行對比,驗(yàn)證了本文LII模型的可靠性。2.乙烯火焰中碳煙顆粒的LII測量研究從碳煙顆粒吸收系數(shù)、碳煙顆粒的粒徑與濃度等方面對乙烯/空氣層流擴(kuò)散火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。隨著測量高度的上升,碳煙顆粒變得更加成熟、吸收性更強(qiáng),其濃度與粒徑都經(jīng)歷了先增長后衰減的過程,表明碳煙顆粒在火焰中經(jīng)歷了成核、生長及氧化的過程。隨著燃料側(cè)CO_2摻混比例的增加,火焰照片中黃色發(fā)光高度降低,暗色區(qū)域高度增加,表明在燃料側(cè)添加CO_2可減慢碳煙顆粒的成核速率,抑制初生碳煙顆粒的形成。應(yīng)用LII技術(shù)測量得到碳煙的激光能量曲線及碳煙粒徑、濃度在火焰軸線上的分布,發(fā)現(xiàn)CO_2的摻混使碳煙顆粒的吸收性下降,表明CO_2稀釋使煤煙顆粒成熟度降低。碳煙粒徑、濃度的測量結(jié)果表明在燃料側(cè)添加CO_2可減小碳煙顆粒粒徑,改變火焰表面生長區(qū)和氧化區(qū)之間的邊界,而對碳煙的氧化過程沒有明顯影響。3.煤粉火焰中含碳顆粒的LII測量研究從火焰形態(tài)、顆粒激光能量曲線及LII信號強(qiáng)度分布三方面研究了煤粉火焰中含碳顆粒的演變過程。單反相機(jī)的拍攝結(jié)果顯示層流小粒徑的煙煤火焰有典型的單顆粒均相著火階段、群燃火焰階段以及焦炭非均相著火階段。小粒徑煙煤火焰的激光能量曲線測量結(jié)果表明,由于碳煙顆粒的吸收性遠(yuǎn)強(qiáng)于煤粉顆粒及焦炭顆粒,隨著激光能量的升高,LII信號強(qiáng)度出現(xiàn)了先上升、再略微下降、最后再次上升的趨勢。研究了煤粉種類、粒徑對煤粉火焰中碳煙顆粒生成的影響,結(jié)果表明煤粉粒徑越大,煤粉火焰碳煙濃度越低,且煤粉火焰的著火方式越趨向于單顆粒著火。煙煤、褐煤、無煙煤三種煤粉火焰中,煙煤火焰的碳煙濃度最高,測量結(jié)果中出現(xiàn)了顯著的碳煙顆粒的LII信號;褐煤煤粉顆粒脫揮發(fā)分后傾向于生成小分子氣體,不易于生成碳煙,因此碳煙顆粒濃度較低;無煙煤由于揮發(fā)分含量低,其火焰生成的碳煙濃度低,煤粉顆粒的LII信號占無煙煤火焰LII信號的主導(dǎo)地位。
【圖文】：

1-1 (a)火焰總高度(b)火焰暗色區(qū)域高度所占比例與氫氣體積百分比的關(guān)系氣體火焰中碳煙顆粒的演化過程如圖 1-2 所示，碳煙顆粒的生長過程分煙顆粒的成核、生長、氧化三大步驟[10]。具體而言，碳煙顆粒的生長過程下幾個階段[11]：碳煙顆粒前體物的生成碳煙顆粒的前體物一般被認(rèn)為是相對分子質(zhì)量在 500-1000 之間的 PAHs。以乙炔為主的小分子向 PAHs 自由基的添加以及芳香族化合物之間的反應(yīng)，了從 C6H6等小分子到分子量更大的 PAHs 的生長。不同燃料火焰中，前體生成方式也有所不同。使用芳香族燃料時，乙炔等活躍的反應(yīng)物在燃料分解大量生成，而使用脂肪烴類燃料時這些反應(yīng)物的濃度較低。因此從烷烴到單烴、雙烯烴、苯類直至萘類，碳煙的生成潛能依次變強(qiáng)。 碳煙顆粒的成核

的較長停留時間內(nèi)，剛形成的碳煙顆粒以及環(huán)融合的過程。這個過程使得最初致碳煙顆粒的質(zhì)量下降而數(shù)濃度不變。粒的氧化會阻礙其自身的形成過程，從而火焰中，，氧化過程與生長過程是同時發(fā)氧化過程發(fā)生在生長過程之后。氧化過 OH 在燃料充足時占主導(dǎo)作用而 O2在燃
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK16

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