复杂燃烧环境中含碳颗粒的激光诱导炽光光谱测量实验研究

摘要

在燃烧过程中形成的碳烟对人类健康，空气质量以及气候都有不利影响。根据激光诱导炽光技术（LⅡ）非介入、能够进行定量场测量等优点，本文设计并搭建了激光诱导炽光光谱测量实验系统，对乙烯、煤粉火焰中含碳颗粒的演变过程展开了研究，并研究了CO2掺混、煤粉种类以及煤粉粒径对火焰中碳烟颗粒生长过程的影响，为合理组织燃烧条件提供参考，主要内容如下： 1.激光诱导炽光光谱测量实验系统及方法的建立 搭建了火焰燃烧系统、激光测量系统以及碳烟颗粒采样平台。验证了煤粉燃烧器给粉的可靠性以及煤粉火焰的稳定性，并通过合理设置一、二次风工况使煤粉燃烧环境接近炉膛内的燃烧环境。建立了LⅡ测量碳烟颗粒浓度及粒径的实验方法，并对实验方法的适用范围和准确性进行了分析。利用热泳取样装置和透射电镜（TEM）测量了碳烟颗粒的粒径，与LⅡ模型计算得到的粒径进行对比，验证了本文LⅡ模型的可靠性。 2.乙烯火焰中碳烟颗粒的LⅡ测量研究 从碳烟颗粒吸收系数、碳烟颗粒的粒径与浓度等方面对乙烯/空气层流扩散火焰进行了实验研究。随着测量高度的上升，碳烟颗粒变得更加成熟、吸收性更强，其浓度与粒径都经历了先增长后衰减的过程，表明碳烟颗粒在火焰中经历了成核、生长及氧化的过程。随着燃料侧CO2掺混比例的增加，火焰照片中黄色发光高度降低，暗色区域高度增加，表明在燃料侧添加CO2可减慢碳烟颗粒的成核速率，抑制初生碳烟颗粒的形成。应用LII技术测量得到碳烟的激光能量曲线及碳烟粒径、浓度在火焰轴线上的分布，发现CO2的掺混使碳烟颗粒的吸收性下降，表明CO2稀释使煤烟颗粒成熟度降低。碳烟粒径、浓度的测量结果表明在燃料侧添加CO2可减小碳烟颗粒粒径，改变火焰表面生长区和氧化区之间的边界，而对碳烟的氧化过程没有明显影响。 3.煤粉火焰中含碳颗粒的LⅡ测量研究 从火焰形态、颗粒激光能量曲线及LⅡ信号强度分布三方面研究了煤粉火焰中含碳颗粒的演变过程。单反相机的拍摄结果显示层流小粒径的烟煤火焰有典型的单颗粒均相着火阶段、群燃火焰阶段以及焦炭非均相着火阶段。小粒径烟煤火焰的激光能量曲线测量结果表明，由于碳烟颗粒的吸收性远强于煤粉颗粒及焦炭颗粒，随着激光能量的升高，LⅡ信号强度出现了先上升、再略微下降、最后再次上升的趋势。研究了煤粉种类、粒径对煤粉火焰中碳烟颗粒生成的影响，结果表明煤粉粒径越大，煤粉火焰碳烟浓度越低，且煤粉火焰的着火方式越趋向于单颗粒着火。烟煤、褐煤、无烟煤三种煤粉火焰中，烟煤火焰的碳烟浓度最高，测量结果中出现了显著的碳烟颗粒的LⅡ信号；褐煤煤粉颗粒脱挥发分后倾向于生成小分子气体，不易于生成碳烟，因此碳烟颗粒浓度较低；无烟煤由于挥发分含量低，其火焰生成的碳烟浓度低，煤粉颗粒的LⅡ信号占无烟煤火焰LⅡ信号的主导地位。

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