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燃烧科学与技术 2024年第2期30卷 128-136页

作者：王庚源张伟李云强吕刚宋崇林天津大学先进内燃动力全国重点实验室天津300072

基于正庚烷层流扩散火焰系统以及热泳取样和探针取样系统,结合透射电子显微镜和热重分析技术,研究了甲烷掺混对碳烟颗粒的微观形貌、纳观结构和氧化活性的影响.研究结果表明,随着甲烷添加比例增大,碳烟的分形维数和平均基本粒子直径减小... 详细信息

基于正庚烷层流扩散火焰系统以及热泳取样和探针取样系统,结合透射电子显微镜和热重分析技术,研究了甲烷掺混对碳烟颗粒的微观形貌、纳观结构和氧化活性的影响.研究结果表明,随着甲烷添加比例增大,碳烟的分形维数和平均基本粒子直径减小,表明碳烟颗粒的团聚程度下降,且生长受到抑制.此外,随甲烷添加比例增大,碳烟颗粒的微晶片层尺寸减小,曲率和层间距增大,表明碳烟颗粒的纳观结构有序度降低.另一方面,随着甲烷掺混比例从0增加到30%,碳烟样品的表观活化能减少了19.5 kJ/mol,氧化反应特征温度下降了20℃左右,表明氧化反应活性提高.氧化活性的升高与碳烟颗粒纳观结构有序度的下降和分形维数减小有关.

关键词：扩散火焰正庚烷甲烷碳烟结构氧化活性

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不同含氧燃料对正庚烷/异辛烷雾化燃烧火焰中碳烟生成的影响

不同含氧燃料对正庚烷/异辛烷雾化燃烧火焰中碳烟生成的影响

引用

作者：牙宇晨安徽工业大学

学位级别：硕士

随着世界范围内碳中和计划的推行以及越来越严格的排放法规的实施,人们迫切需求可再生的清洁的传统能源替代燃料,生物质能源因为具有与传统能源相似的物化特性、以自然作物为原料和其本身的富氧特性,以及成熟的生产制备技术而成为在未... 详细信息

随着世界范围内碳中和计划的推行以及越来越严格的排放法规的实施,人们迫切需求可再生的清洁的传统能源替代燃料,生物质能源因为具有与传统能源相似的物化特性、以自然作物为原料和其本身的富氧特性,以及成熟的生产制备技术而成为在未来具有巨大应用潜力的燃料。但其和传统的碳氢燃料一样会产生CO温室气体和空气污染物碳烟、NO、CO等,所以深入研究生物质含氧燃料燃烧以及碳烟生成机理对其未来的推广应用是十分重要的。本文利用铜网热泳探针、SiC纤维沉积和毛细管稀释抽取采样,和透射电镜、场发射扫描电镜、拉曼光谱、傅里叶红外光谱和热重检测分析,研究了分别掺混15%体积分数的乙醇(E15)、丁醇(B15)、己醇(H15)、呋喃(F15)和2,5-二甲基呋喃(DMF15)含氧燃料对正庚烷和异辛烷等体积混合物雾化燃烧火焰中的碳烟生成的影响,分析了不同阶段碳烟的形态、粒径、纳观结构、沉积形貌、物质组成、官能团的种类、含量和氧化活性等特征参数的变化规律,获得以下研究结果:(1)在本文的实验条件下,碳烟颗粒尺寸具有先增大后减小的趋势,含氧燃料对碳烟颗粒的成长具有先抑制后促进的作用,且可以使氧化阶段碳烟颗粒的粒径减小。这种影响作用的强度与醇类碳链成正比,且呋喃类燃料作用更明显。(2)随着采样位置的提高,火焰中碳烟颗粒的晶体长度尺寸和层间距具有先增加再减小,弯曲度先减小后增加的规律。含氧燃料使初生碳烟的弯曲度和晶体层间距增加,使成熟碳烟颗粒的弯曲度减小,这种影响随着醇类碳链和呋喃甲基的增加而减弱。碳烟颗粒石墨化程度随着采样位置的增加单调增加,醇类会降低初生和老化碳烟的有序度,增加成熟碳烟的有序度。呋喃类使初生和成熟碳烟的有序度降低,老化碳烟的有序度增加。一般碳烟中的无序碳和晶体边缘多聚碳会随着采样高度先增加后减小,但添加乙醇和呋喃的碳烟则是单调减少而且含量很少,这两种碳结构随着醇碳链和呋喃甲基支链的增加而增加。(3)碳烟中含量最多的是脂肪族官能团和碳氧官能团,其次是烯烃类和芳香族物质,随着采样高度的增加,样品中大多数官能团的含量一般具有先增加后减少的趋势,碳氧官能团急剧减少而脂肪族的减少相对缓慢。芳香族含有较多非对称芳烃支链C-H官能团。脂肪族官能团中CH2的含量远多于CH3,且官能团类型多为稳定的对称饱和官能团。含氧燃料的添加使芳香族物质和对称饱和官能团减少,这种减少趋势随着醇碳链的增加而减弱。呋喃燃料并没有使碳烟中芳香族含量大量增加,甲基支链的存在反而使其减少。芳香族和乙烯基的对称型C-O官能团含量远高于不对称C-O官能团,添加含氧燃料会使含氧官能团含量增加,其含量与呋喃的甲基支链成正比而与醇碳链成反比。烯烃类化合物含量多于芳烃类化合物,醇碳链的增加使烯烃增加芳烃减少,呋喃类燃料火焰中部碳烟的烯烃多于芳烃,而在火焰较高位置则是芳烃多于烯烃。(4)随着采样高度的增加,碳烟的各特征氧化温度增加。与基础燃料相比,添加了呋喃类燃料碳烟的氧化温度变化不大,E15的碳烟氧化温度增加,这可能是碳烟样品的老化程度比较高导致的。随着醇碳链长度的增加氧化温度减小,添加含氧类燃料使火焰中点以下的碳烟表观活化能有所降低,醇类燃料碳链和呋喃类燃料支链的增加使老化碳烟表观活化能增加。E15碳烟平均表观活化能最低,说明它最容易被氧化,但其最大失重率和燃尽对应的温度却很高,说明燃料含氧量虽然可以使碳烟初始反应温度降低,但容易形成某些不易氧化的结晶物。(5)沉积样貌,沉积物形貌演变与火焰温度和碳烟性质有关,与N-I0相比,含氧燃料的添加使低位置沉积物的变得分散,单个颗粒明显且均匀分布。但随着醇碳数的增加,沉积物分布变得混乱且颗粒尺寸差异较大。呋喃燃料使碳烟沉积颗粒物尺寸变小,DMF15作用比F15明显。随着采样高度的增加,火焰温度对沉积物的影响占主导作用,沉积物的形态与温度具有直接关系。(6)特殊结构,氧化活性差异越高的碳烟中越容易形成特殊结构。由碳烟的官能团含量以及石墨化程度的差异引起了同种碳烟沉积物中存在较大氧化活性差异。在高温条件,高活性的碳烟下容易氧化,牵引周围一般沉积物发生二次燃烧消耗团积形成了致密的特殊沉积物结构。

关键词：雾化燃烧含氧燃料碳烟结构官能团碳烟性质

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