[发明专利]一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法

说明书

本发明公开了一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法，属于碳烟颗粒分析领域。本发明的碳烟采集系统，采集网安装在气缸的活塞杆上，气缸的进气管道和出气管道通过双向电磁阀与氮气瓶连接；双向电磁阀通过信号发生器控制其阀芯动作，驱动夹持着采集网的自锁镊子快速进出火焰，碳烟颗粒在热泳力的作用下沉积到铜网上并被碳膜吸附。分析时，通过透射电子显微镜表征碳烟颗粒形貌结构；借助Nano Measurer粒径分析软件对碳烟基本粒子粒径进行统计，再对粒子直径分布进行非线性拟合。本发明可实现不同火焰高度、毫秒级采样时间内的碳烟颗粒采样，可以实现碳烟生长阶段形貌观察，为碳烟颗粒综合特性的研究奠定了基础。

技术领域

本发明涉及碳烟颗粒分析技术领域，更具体地说，涉及一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法。

背景技术

能源和环境是当今世界的两大问题。燃烧是人类利用化石燃料的主要途径，清洁高效的燃烧方式是人类解决两大问题的有效方式之一。碳烟是燃料(包括煤)未充分燃烧的一种重要产物，它对燃烧效率、传热过程和环境效应有着多方面的影响。化石燃料不完全燃烧产生的碳烟不仅降低化石燃料燃烧经济性，而且对人类身体健康也有很大影响。碳烟颗粒进入大气中造成能见度降低，形成雾霾天气；此外，碳烟也是造成“温室效应”的原因之一，是全球变暖的第二大因素，仅次于二氧化碳；纳米级的碳烟颗粒有较大的吸附力，易携带大量有毒物质导致呼吸道疾病，并且作为碳烟前体的多环芳香烃极易诱发癌症；另一方面，碳烟对辐射也有很大影响，能加强火焰辐射传热特性。对碳烟形成机理的理解对碳烟的形成与控制至关重要。

碳烟颗粒在火焰中的生成和演化是一个复杂的物理化学过程，火焰中碳烟生成机理研究十分困难，必须借助一定的检测手段才能获得碳烟的形貌、数目、浓度等参数，为碳烟的初生、成核、生长以及氧化等过程提供定量的数据支持。发展碳烟测量技术，对于碳烟形成过程中的物理化学机理研究和碳烟模型的检验都有着重要的科学价值，对提高燃烧效率和降低污染物的排放也具有重要的现实意义。

碳烟形成发生在几毫秒甚至更短的时间范围内，对这一过程的理解和描述需要从微观原子尺度的化学动力学到介观的颗粒动力学，耦合考虑前驱体化学、粒子成核、颗粒质量/尺寸生长和烧蚀等，这是一项非常有挑战性的任务。目前虽然也有部分碳烟采样装置用于碳氢燃料层流火焰中碳烟的采样，但是其大多只能分析碳烟形貌、火焰不同位置处的碳烟特性等，很难观测到碳烟颗粒的初始形成过程，一直被视为目前实验研究中的一个难点。

例如中国专利申请号：201610811876.3，申请日：2016年9月8日，发明创造名称为：一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及检测方法，该申请案利用接触法进行碳烟检测，测量装置包括火焰燃烧机构、消光采样机构和层流火焰采样机构，层流火焰采样机构安装在燃烧器上，层流火焰采样机构中设置有SiC纤维，通过SiC纤维采集层流火焰的碳黑颗粒。该方案的创新点在于可同时在燃烧火焰不同高度、不同角度采集碳烟颗粒；但是无法采集到碳烟生长过程中的样貌特性，难以实现碳烟生长机理的研究。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中采样装置无法实现对碳烟生长机理研究的不足，提供了一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统及粒径分析方法，本发明在进行碳烟采集时可将时间精准控制在毫秒级，从而实现在碳烟形成过程中进行碳烟收集，为生长机理的研究提供基础。

本发明提供的粒径分析方法，借助透射电子显微镜(TEM)和Nano Measurer软件，实现了对层流火焰中碳烟颗粒浓度及形貌的检测分析，为碳烟颗粒生成机理研究奠定了基础。2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种碳氢燃料层流火焰中碳烟采集系统，包括燃烧器，用于产生层流火焰；还包括采集网、气缸和信号发生器，所述采集网安装在气缸的活塞杆上，能够在火焰上往复运动；所述气缸的进气管道和出气管道通过双向电磁阀与氮气瓶连接；所述双向电磁阀通过信号发生器控制其阀芯动作。