氧浓度对扩散火焰中烟黑的生成及分布特性的影响研究

摘要

随着世界经济的高速发展，人类对能源的需求也日益增多，碳氢燃料是我国能源消费的主要来源，烟黑则是碳氢燃料燃烧过程中产生的污染物之一，其主要成分是碳，这些烟黑颗粒会影响辐射传热过程，是能量转换系统效率低下和设备寿命缩短的重要原因之一。同时，在废弃物焚烧领域，烟黑的存在是燃烧过程和燃烧后烟气冷却过程中，二恶英等持久性有机污染物生成的重要碳源，对于研究废弃物焚烧的燃尽率和二恶英生成的前驱体具有重要意义。此外，烟黑与多环芳香烃(PAHs)和NOx等污染物有着复杂的内在联系，对人类健康造成了严重的危害，还会造成大气能见度降低和全球气候变暖。
　　本文研究了乙烯/O2/N2扩散火焰中烟黑的生成特性以及氧浓度的影响。利用激光消光法得到了火焰中烟黑体积分数在火焰轴向和径向的体积分数分布，由热泳探针取样TEM图像分析得到了烟黑颗粒的粒径和凝聚体平均颗粒数分布特性，然后利用SiC纤维沉积取样SEM图像分析总结了火焰中烟黑形态的转变过程，最后通过两步离散法由CCD图像重建了火焰三维温度场。从结果看出，对于扩散火焰，在实验工况范围内，氧浓度的增加，促进了热解反应和烟黑的形成，火焰温度升高，火焰中心同一高度上的烟黑粒径和凝聚体平均颗粒数增大，进而引起烟黑体积分数增大，峰值位置前移；在火焰径向方向烟黑分布向中心收缩，边缘位置烟黑体积分数增大。此外，发现火焰中存在两种烟黑的形成过程，即烟黑前驱体的转变和烟黑小颗粒的迁移。在本文实验条件下，氧浓度的增加对烟黑的生成具有促进作用。本文的创新点在于，首次详细分析了氧浓度对扩散火焰中烟黑演变、积聚的促进作用，以及对温度分布的影响。