甲烷/氧气预混火焰中燃空当量比对碳烟微观结构和氧化活性的影响

基于甲烷/氧气预混火焰燃烧系统及毛细管取样装置和热泳取样装置,结合高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱仪(RS)及热重分析仪(TGA),研究了燃空当量比对碳烟的微观结构及氧化活性的影响规律,并对微晶长度、石墨化程度与表观活化能之间的关联性进行了分析.结果表明:随着燃空当量比的增大,碳烟颗粒的微晶尺寸增大,而微晶曲率和层间距均减小,AG/AD1的值增大,表明随着燃空当量比的增大,碳烟的微观结构变得更加有序,石墨化程度更高;碳烟的氧化特征温度和表观活化能均随着燃空当量比增大而增大,表明碳烟的氧化活性随着燃空当量比增大而降低;碳烟的微晶长度、石墨化程度与表观活化能呈现较好的线性关系,碳烟的微观结构越有序,石墨化程度越高,氧化活性越低.     

乙烯/氧气预混火焰中燃空当量比对碳烟表面官能团和氧化活性的影响

采用乙烯/氧气/氩气预混燃烧系统和毛细管取样系统并结合多种先进分析技术,研究了预混火焰燃空当量比对碳烟颗粒表面官能团及其氧化活性的影响.结果表明,随燃空当量比的增加,碳烟颗粒表面脂肪族C—H官能团和含氧官能团(C—OH和C=O官能团)的摩尔分数均呈下降趋势;而碳烟颗粒的氧化反应特征温度和表观活化能呈增大趋势,表明在较大燃空当量比下所生成碳烟颗粒的氧化活性较低;碳烟颗粒表面官能团对氧化活性有着直接作用,表面官能团含量越多,其氧化反应活性越高.碳烟颗粒表面脂肪族C—H官能团对其氧化活性影响相对较大,而含氧官能团影响相对较小.     

正庚烷/正丁醇扩散火焰中碳烟微观结构的演变

基于层流扩散火焰研究了碳烟颗粒的形貌和纳米结构的演变过程.研究的燃料包括正庚烷、正丁醇以及二者的等体积混合物(H50B50).采用热泳探针法采样并使用透射电子显微镜TEM进行样本观测.总体来说,正丁醇火焰中产生的碳烟颗粒尺寸最小,数量也最少,其次是H50B50和正庚烷火焰;在碳烟发展过程中积聚颗粒的分形维数呈现单调递增的趋势.在碳烟生长阶段,微晶长度和曲率会减小,层间距会增大;随后,碳烟石墨化程度增大,微晶长度增大,微晶曲率和层间距减小;在碳烟发展后期,外层大量微晶被氧化,微晶曲率会增大.另外,正丁醇火焰尖端中成熟的碳烟具有最大的微晶长度和曲率以及最小的层间距.     

热老化温度对碳烟氧化活性的影响

由于炽热尾气长时间冲击,柴油机微粒捕集器(DPF)中的沉积碳烟颗粒会发生热老化.本文通过改变惰性气氛下的温度,研究热老化对柴油机碳烟颗粒微观物理化学特性和氧化活性的作用规律.结果表明,随热老化温度的升高,氧化反应特征温度和表观活化能表征的碳烟颗粒氧化活性逐渐降低;氧化活性的降低来源于碳烟颗粒物理化学特性的改变,即微晶尺寸增大,微晶曲率和层间距减小,以A_D1/A_G值表征的石墨化程度提高,而以I_C—H/I_C=C峰高比表征的脂肪族C—H表面官能团相对含量降低.此外,柴油机碳烟颗粒微观结构、表面C—H官能团相对含量与碳烟氧化活性具有良好的相关性,其中微晶曲率对氧化活性影响最大.     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

预混火焰中温度对碳烟表面官能团和氧化活性的影响

基于甲烷/氧气预混火焰燃烧系统及毛细管取样技术,采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和热重分析技术(TGA),研究了火焰温度对碳烟颗粒表面官能团相对含量和氧化反应活性的影响规律.结果表明:随着火焰温度的升高,碳烟颗粒表面脂肪族碳氢官能小(aliphatic C—H)的当量峰高比IC—H/IC=C减小,含氧官能团(C—OH和C=O)的摩尔分数也减小,表明碳烟颗粒表面官能团的相对含量随火焰温度的升高而降低;碳烟颗粒氧化反应特征温度和表观活化能都随火焰温度的升高而增大,表明较高的火焰温度产生的碳烟颗粒的氧化反应活性较低;碳烟颗粒表面官能团的含量与其氧化反应活性有直接关系,表面官能团含量越少,其氧化反应活性越低.     

二聚环戊二烯掺混对正庚烷扩散火焰碳烟特性的影响

为研究二聚环戊二烯(DCPD)燃料添加剂对碳烟颗粒生成演化的影响，采集掺混不同比例DCPD的正庚烷反扩散(IDF)及正扩散(NDF)火焰中的碳烟颗粒，使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(RS)和热重分析仪(TGA)分析碳烟颗粒的微观结构、石墨化程度和氧化活性．结果表明：在反扩散火焰中，随着DCPD掺混比例从0%增加到20%，颗粒中类液状物质显著减少，碳烟颗粒平均微晶尺寸增长，且平均微晶曲率降低，石墨化程度提高，氧化活性降低，表明在反扩散火焰中DCPD对初生碳烟具有促进其生长的作用．而在正扩散火焰中，随着DCPD掺混比例从0%增加到20%，碳烟颗粒粒径显著增加，微晶尺寸降低，微晶曲率升高，石墨化程度降低，氧化活性升高，表明正扩散火焰中DCPD可以通过改变碳烟颗粒的微观结构来增加其氧化活性．     

碳烟颗粒生长演变历程环境因素的影响

基于颗粒群平衡方程和包含有多环芳香烃分子生成的详细化学反应机理,构建了详细的碳烟生长数学模型,模型包含颗粒的成核、凝聚、表面生长和氧化等过程;采用Lagrange内插值的矩方法,导出了颗粒尺寸分布函数各阶矩的微分方程;与均匀搅拌器燃烧模型相耦合,应用Fortran语言编程,搭建了碳烟颗粒动力学演变历程的计算平台.探讨了温度、压力和燃空当量比等环境因素对碳烟颗粒生长演变历程的影响,计算结果表明:碳烟颗粒的数密度在某一温度下达到峰值,在温度相对较低、当量比和压力相对较高的环境下,碳烟的生成质量也较大;碳烟颗粒的最终质量是颗粒生长与氧化共同作用的结果.     

柴油机碳烟缸内氧化特性的研究

测量了缸内碳烟基本粒子粒径分布、纳观结构参数,计算了柴油机燃烧过程中碳烟颗粒氧化速率．采用拉曼光谱分析了碳烟颗粒石墨化程度与纳观结构参数的关系．结果显示,基本粒子纳观结构参数与发动机运行工况有关,且在燃烧过程中是变化的,并对碳烟颗粒的氧化活性存在影响,其中主要是微晶长度的影响．缸内碳烟实测氧化速率与Nagle／Stri...     

CH4-O2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响

采用热泳取样、高分辨率透射电镜和原子力显微镜,研究了CH4-O2预混火焰中火焰温度对碳烟颗粒纳观结构的影响规律.结果表明,低温火焰中生成的碳烟颗粒的微晶长度短,微晶片层杂乱无序,没有明确的中心,而高温火焰生成的碳烟颗粒的微晶片层明显增大,微晶尺寸变长,边缘更为清晰,有明显的同心片层组织结构.基本粒子平均粒径都随火焰高度(height above burner,HAB)的增加而增加,而随着火焰温度升高而减小.初生碳烟颗粒呈扁平状,随着HAB增加,碳烟颗粒由于生长渐趋成熟,并呈现为球形或椭球形,基本粒子粒径分布变宽且出现双峰分布.     

NTP再生DPF孔道内沉积颗粒物的理化特性

利用低温等离子体(NTP)喷射系统对已捕集颗粒物(PM)的柴油机颗粒捕集器(DPF)进行了低温(100℃)再生试验，并对DPF孔道内不同再生阶段的颗粒沉积物取样分析，通过热重分析仪(TGA)、透射电子显微镜(TEM)及拉曼光谱分析仪探究了DPF孔道内颗粒沉积物的氧化特性、纳米结构及石墨化程度的理化特性变化规律．结果表明：随着NTP再生DPF阶段的推进，DPF孔道内颗粒沉积物中元素碳(EC)组分的最大氧化速率温度(T_max)和燃尽温度(T_e)均明显降低．颗粒物团絮结构中较为薄弱的部分在NTP氧化作用下先断裂，分解成链状结构；初级碳颗粒的平均微晶长度减小，平均微晶层面间距增大．由于NTP活性物质O不断键入PM中，在PM微晶边缘处生成新的含氧官能团，使得PM样品的无序程度及无定型碳含量增加，PM的氧化活性提高．     

柴油喷雾火焰中碳烟颗粒形貌及纳观结构特性

在定容燃烧弹内模拟柴油机上止点工作环境,进行喷雾燃烧试验.在环境氧体积分数为15%和21%时,用热泳探针在喷雾火焰不同轴向位置进行碳烟采样,用高分辨透射电镜(HRTEM)对样本进行观测和分析,研究不同环境氧体积分数对柴油碳烟颗粒形貌与纳观结构的影响.结果表明:环境氧体积分数从21%降低到15%,碳烟基元颗粒的氧化过程受到抑制,基元颗粒平均直径和团聚物回转半径增大,微晶碳层片段长度减小,扭曲度增加,基元颗粒石墨化程度降低;在同一氧体积分数下,随着采样位置远离喷孔,基元颗粒直径和团聚物回转半径减小,微晶碳层片段长度增加,扭曲度降低,基元颗粒石墨化程度增加.     

柴油机颗粒的微观结构和成分对其氧化活性的影响

在一台电控高压共轨增压中冷柴油机上收集了分别燃用国Ⅳ和国Ⅴ两种燃料时的颗粒.利用差热热重联合测定仪、HRTEM、EDS和元素分析仪对颗粒进行了分析.结果表明:柴油机燃用国Ⅳ柴油时产生的颗粒的活性比燃用国Ⅴ柴油时稍高;DOC可以提高颗粒的挥发分比例,使组成颗粒的基本粒子的微晶尺寸变大,碳层的排列更有序,但经DOC后颗粒的氧化活性有所增强.说明颗粒氧化活性不仅与其微观结构有关,还与其m(O)/m(C)、比表面积和金属含量有关.颗粒的氧化是一个基本粒子内核氧化、外壳重整,从而在后氧化阶段形成中空胶囊状结构,最后胶囊溃灭的过程.     

现代柴油机燃烧过程中微粒质量的变化规律

利用全气缸取样技术,对不同工况下的柴油机燃烧过程中微粒组分质量生成历程进行了研究.实验结果表明,燃烧形成的干碳烟质量曲线呈单峰状,峰值出现在上止点后10~15°CA之间,在燃烧后期,约有81%~92%的干碳烟被氧化.随着燃空当量比从=0.41增大到=0.53,缸内干碳烟质量峰值增加了4.57%~45.42%;喷油压力升高,虽然干碳烟质量峰值增大,但氧化比例也明显提高.此外,在燃烧初期,微粒中可溶有机物SOF的含量超过80%.     

进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒微观形貌的影响

采用全气缸取样系统获取不同进气条件下柴油机燃烧过程中的缸内碳烟颗粒,运用透射电子显微镜(TEM)测量碳烟样品在微观尺度下的二维形貌,并计算碳烟颗粒的分形维数和碳烟基本粒子直径,进而研究不同进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒物微观形貌的影响.结果表明:在碳烟生成主导阶段,进气压力的升高会增大生成的碳烟基本粒子的平均直径;而在碳...     

仲丁醇-空气预混层流燃烧速度的研究

基于定容燃烧弹,利用纹影法和球型火焰扩散法研究了不同燃空当量比、环境温度和环境压力下仲丁醇-空气预混层流燃烧速度.通过对仲丁醇-空气拉伸层流火焰传播速度与拉伸率之间关系的分析,获得了无拉伸火焰层流燃烧速度和马克斯坦长度.研究结果表明:随着环境压力的上升,仲丁醇-空气层流燃烧速度降低,马克斯坦长度降低,火焰不稳定性增加;随着环境温度的增加,无拉伸层流燃烧速度增加,马克斯坦长度减小,表明燃烧火焰不稳定性增加;随着燃空当量比的增加,马克斯坦长度减小,火焰不稳定性增加;燃空当量比Φ=1.1左右时,火焰传播速度和无拉伸层流燃烧速度达到最大值.     

不同粒度煤粉的表面结构与燃烧特性研究

制备了4种不同粒度的平三煤和大友煤煤粉,分别采用低温饱和氮气吸附的方法和热天平研究了煤粉的表面结构特性和煤粉的燃烧特性。实验结果表明:随着煤粉粒度的减小,煤粉的孔隙结构发生变化,比表面积和孔容积均增大,表面结构复杂,致使分形维数增大,有利于煤粉颗粒的燃烧,因此,平三煤的着火温度降低了14℃,表观活化能均降低了12.3kJ/mol,燃尽率提高了9.81%,大友煤的燃烧特性变化规律相似。此外,煤粉颗粒的分形维数还能在一定程度上表述煤粉的燃烧特性,因此,分形维数可为煤粉燃烧特性的评价提供一种新的途径。     

柴油机运行工况对排气管内碳烟尺寸的影响

改变柴油机运行工况,采集排气管内碳烟颗粒,通过透射电镜对碳烟颗粒进行观测,拍摄碳烟颗粒形貌图片,采用Image-ProPlus软件统计分析碳烟颗粒的平均投影面积(A)、平均回转半径(R_g)、包含基本碳粒子的平均数(N_p)以及基本碳粒子的平均粒径(d_p)等特征参数,得到碳烟颗粒的分形维数.研究发现:改变柴油机负荷对排气管内的碳烟颗粒尺寸的影响要远大于改变转速带来的影响.转速不变时,随着负荷的增大,A、Rg、N_p和d_p均呈"v"型变化趋势,分形维数呈上升趋势;负荷不变时,随着转速的增大,A、R_g、N_p、d_p小幅度上升,分形维数基本不变.     

H_2-O_2对柴油机颗粒形貌特征的影响

针对柴油机掺烧H2-O2气体(布朗气)前后颗粒排放的变化情况,采用颗粒分级采样装置,对186,F柴油机标定工况下的排气颗粒进行采集.采用扫描电镜(SEM)对等效面积径以及颗粒形貌进行了分析.采用透射电镜(TEM)对颗粒的层面间距、颗粒微晶尺寸等微观结构进行分析,探讨了掺烧H2-O2气体前后颗粒微观结构的变化规律和H2-O2气体对颗粒的作用机理.结果表明:颗粒物的表面形貌主要呈团状、链状、枝状等状态分布;与原机相比,掺烧H2-O2气体后,颗粒多呈链状、枝状分布,颗粒表面的可溶性有机物减少,单位面积内的颗粒数量减少.掺烧H2-O2气体后,颗粒的平均等效面积径有明显降低,降低约71.9%,,颗粒粒径向小粒径方向移动;基本碳粒子层面间距有所增加,说明微晶碳层的面积增大,有利于颗粒氧化过程的进行;颗粒的微晶尺寸有所减小,弯曲度增大,表面微晶结构的有序性减弱.掺烧H2-O2前后颗粒分形维数分别为1.58和1.37,表明掺烧H2-O2气体后,使颗粒的结构紧密程度有所降低.     

220MW燃煤机组飞灰对汞的吸附特性研究

用氮气(N2)等温吸附(77.35 K)测量了一座220 MW燃煤电站静电除尘器4个电场飞灰的比表面积、孔径、孔容积、孔分布和分形维数,采用扫描电镜(SEM)分析了飞灰颗粒表观形貌特征.结果表明,颗粒粒径减小,比表面积增大,飞灰的汞含量增高;飞灰碳含量与汞含量呈正相关关系;锅炉负荷越大,汞吸附越弱;存在一个合适的分形维数值使得飞灰对汞的物理吸附和化学吸附最为充分.孔分布越宽和孔容积有效利用率越大越有利于对汞的吸附,亚微米级颗粒物对汞的吸附能力取决于它的堆积形态和其比表面积的可利用率.