甲烷火焰中碳煙顆粒物理化學(xué)特性演化規(guī)律的研究

【摘要】：碳煙顆粒的排放對環(huán)境和人類社會都有極其深遠(yuǎn)的影響,因此必須對碳煙顆粒的排放進(jìn)行嚴(yán)格的控制。而控制碳煙顆粒排放的基礎(chǔ)是更深入地理解碳煙的生成和演化過程,從而探索更為行之有效的去除方法,指導(dǎo)實際的生產(chǎn)和應(yīng)用。本文在甲烷預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰中系統(tǒng)地探索了碳煙顆粒及其前驅(qū)物的演化過程,研究了碳煙顆粒物理化學(xué)特性的演化規(guī)律并討論了碳煙顆粒物理化學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果對深入認(rèn)識顆粒物的本質(zhì)、揭示顆粒物形成和演化機(jī)理以及演化過程中碳煙顆粒物理化學(xué)特性的變化規(guī)律、發(fā)展顆粒物凈化去除技術(shù)等,具有重要的理論參考價值。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果包括:在McKenna燃燒器火焰試驗平臺(包括預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了熱泳取樣、毛細(xì)管取樣以及石英微探針取樣三套獨(dú)立的系統(tǒng)來取樣火焰在不同高度處生成的碳煙顆粒,并通過透射電子顯微鏡(TEM)、氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)、傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)、X射線能譜儀(XPS)、拉曼光譜儀(RS)、同步熱分析儀(TGA)等設(shè)備分析碳煙顆粒的物理化學(xué)特性。通過對TEM照片的分析,區(qū)分并描述了碳煙顆粒在甲烷火焰中的演化歷程。結(jié)果表明對于甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰,碳煙顆粒的演化歷程均包括成核、表面生長、團(tuán)聚、碳化(老化)和氧化。通過GC-MS分析,對甲烷火焰中碳煙顆粒成核區(qū)域的多環(huán)芳香烴的濃度進(jìn)行了測量和分析,共探測到7種多環(huán)芳香烴(從C10到C16,分子量從128到228),分別是萘、苊烯、苊,蒽,熒蒽,菲和芴。隨著分子量的增加,多環(huán)芳香烴濃度峰值對應(yīng)的火焰高度(HAB)更高。萘和苊烯始終是最多的多環(huán)芳香烴。通過對TEM照片的圖像化處理和RS分析,獲得了碳煙顆粒納觀結(jié)構(gòu)參數(shù)以及石墨化程度隨HAB的變化規(guī)律。結(jié)果表明:對于預(yù)混和擴(kuò)散火焰,隨著HAB的增加,基本碳煙顆粒微晶尺寸逐漸增加,而層間距和曲率均有所降低,聚集態(tài)碳煙顆粒分形維數(shù)呈先升高后降低的趨勢,且分形維數(shù)的值在1.53-1.92之間。表征碳煙顆粒石墨化程度的參數(shù)AD1/AG隨著HAB的增加逐漸增加,石墨化程度逐漸升高,表明碳煙顆粒的演化是一個不斷趨向于石墨化的過程。擴(kuò)散火焰中碳煙顆粒基本碳粒子的微晶尺寸、聚集態(tài)碳煙顆粒的分形維數(shù)均要高于富燃料預(yù)混火焰中碳煙顆粒。通過FT-IR和XPS分析,獲得了碳煙顆粒表面官能團(tuán)隨HAB的變化規(guī)律,結(jié)果表明:對于預(yù)混和擴(kuò)散火焰,隨著HAB的增加,FT-IR表征的碳煙顆粒表面脂肪族C-H官能團(tuán)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,芳香族C-H官能團(tuán)逐漸增加,芳香族碳?xì)涔倌軋F(tuán)和脂肪族碳?xì)涔倌軋F(tuán)的比值(AAromatic/AAliphatic)呈先降低后升高的趨勢。而XPS表征的sp雜化碳含量、sp2和sp3雜化碳的比值、表面含氧官能團(tuán)如羰基和羥基官能團(tuán)隨著HAB的增加也是呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這些結(jié)論均表明在碳煙顆粒的表面生長為主導(dǎo)的階段,表面脂肪族C-H官能團(tuán)和含氧官能團(tuán)均起著相當(dāng)重要的作用。通過TGA分析,獲得了碳煙顆粒氧化反應(yīng)表征參數(shù)隨HAB的變化規(guī)律,結(jié)果表明:表觀活化能Ea隨著HAB的增加呈先降低后升高的趨勢,其值介于108.26-170.40KJ?mol-1之間,證明碳煙顆粒的氧化活性在演化過程中先增加后降低,在碳煙顆粒表面生長為主導(dǎo)的階段達(dá)到最高值。此外,燃燒參數(shù)包括燃空當(dāng)量比和火焰溫度以及可溶性有機(jī)物(SOF)含量對碳煙顆粒物理化學(xué)特性以及氧化活性的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:隨著最大火焰溫度和燃空當(dāng)量比的升高,微晶尺寸增加,微晶曲率和層間距逐漸降低,石墨化程度增加,表面脂肪族C-H官能團(tuán)和含氧官能團(tuán)的含量基本呈逐漸降低的趨勢,碳煙顆粒的氧化活性降低;去除SOF的純碳煙顆粒石墨化程度高于不去除SOF的碳煙顆粒。SOF對碳煙顆粒表面官能團(tuán)隨HAB變化的規(guī)律基本沒有影響,但降低了碳煙顆粒表面脂肪族C-H官能團(tuán)和含氧官能團(tuán)的含量。去除SOF之后的碳煙顆粒的氧化活性低于不去除SOF的碳煙顆粒。基于以上數(shù)據(jù),對碳煙顆粒物理化學(xué)特性表征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,其結(jié)果表明:石墨化程度和微晶尺寸之間存在正的線性關(guān)聯(lián)性。微晶尺寸越長,石墨化程度越大。石墨化程度與AAromatic/AAliphatic正相關(guān)。氧化活性和微晶尺寸負(fù)相關(guān),和表面脂肪族C-H官能團(tuán)含量正相關(guān),跟含氧表面官能團(tuán)線性相關(guān)性較低。 【關(guān)鍵詞】：火焰 甲烷 碳煙顆粒 微觀結(jié)構(gòu) 表面官能團(tuán) 氧化活性
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ221.11;O643.21
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-17
• 字母注釋表17-20
• 第一章 緒論20-35
• 1.1 引言20-21
• 1.2 碳煙顆粒的形成21-26
• 1.3 碳煙顆粒的物理化學(xué)特性及研究現(xiàn)狀26-33
• 1.4 本文研究意義及內(nèi)容33-35
• 第二章 碳煙顆粒取樣試驗平臺及分析方法35-55
• 2.1 燃燒試驗平臺35-37
• 2.2 取樣系統(tǒng)37-45
• 2.3 溫度測量系統(tǒng)45-48
• 2.4 碳煙顆粒物理化學(xué)特性的測試設(shè)備48-53
• 2.5 試驗工況53-54
• 2.6 本章小結(jié)54-55
• 第三章 甲烷火焰中碳煙顆粒的物理特性55-81
• 3.1 碳煙顆粒物理特性的表征方法55-58
• 3.2 碳煙顆粒的形貌及納觀結(jié)構(gòu)特性的演化規(guī)律58-71
• 3.3 碳煙顆粒石墨化程度的演化規(guī)律71-74
• 3.4 燃燒參數(shù)和SOF對碳煙顆粒物理特性的影響74-80
• 3.5 本章小結(jié)80-81
• 第四章 甲烷火焰中碳煙顆粒的表面官能團(tuán)特性81-106
• 4.1 碳煙顆粒表面官能團(tuán)特性的定量分析方法81-86
• 4.2 碳煙顆粒紅外光譜表征的表面官能團(tuán)的演化規(guī)律86-93
• 4.3 碳煙顆粒XPS能譜表征的表面官能團(tuán)的演化規(guī)律93-97
• 4.4 燃燒參數(shù)和SOF對碳煙顆粒表面官能團(tuán)特性的影響97-104
• 4.5 本章小結(jié)104-106
• 第五章 甲烷火焰中碳煙顆粒的氧化活性106-117
• 5.1 碳煙顆粒氧化活性的表征方法106-109
• 5.2 碳煙顆粒氧化活性特征參數(shù)的演化規(guī)律109-111
• 5.3 燃燒參數(shù)和SOF對碳煙顆粒氧化活性的影響111-115
• 5.4 本章小結(jié)115-117
• 第六章 甲烷火焰中碳煙顆粒物理化學(xué)特性關(guān)聯(lián)性的探索117-123
• 6.1 碳煙顆粒石墨化程度和微晶長度之間的關(guān)聯(lián)性117-118
• 6.2 碳煙顆粒石墨化程度和表面官能團(tuán)含量之間的關(guān)聯(lián)性118-120
• 6.3 碳煙顆粒氧化活性和物理化學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性120-122
• 6.4 本章小結(jié)122-123
• 第七章 全文總結(jié)及展望123-128
• 7.1 全文總結(jié)123-126
• 7.2 工作展望126
• 7.3 創(chuàng)新點(diǎn)126-128
• 參考文獻(xiàn)128-143
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明143-144
• 致謝144-145

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