基于多光谱技术联用的高压燃烧场碳烟颗粒物时间演变研究

Soot is one of the most important pollutants emitting from hydrocarbon-air combustion. It is one of the most important sources for the formation of PM2.5 and PM10 in atmosphere. Soot formation and control directly relate to environment and humanity health. Developing soot measurement techniques is important to the understanding of physical and chemical mechanisms of soot formation and oxidation. It is also helpful to increase combustion efficiency and decrease pollutant emission. At present, most of the soot parameters can not be measured in same optical path by means of the existing measurement methods. A simultaneous measurement of those parameters in same path is much more valuable for research of the soot. The project is planned to develop a method for simultaneous time-history measurements of soot and gas parameters in combustion using scattering/extinction and absorption spectroscopy. These parameters include the volume fraction, particle size and number densities of soot, the temperature, and C2H2 concentration. In order to ensure the accuracy of the measurement, the confinement effect between the measurements of the soot and the gas parameters are discussed. Interference-free time resolved measurement at microsecond level is achieved. The relations between the soot formation and the combustion temperature, pressure, the fuel and its equivalence ratio are studied by means of the method. These measurements can be used for the development and validation of the mechanisms of soot formation and oxidation. It can also be valuable for the development of efficient and clean combustion system.

碳氢燃料燃烧产生的碳烟是大气中PM2.5和PM10等可吸入颗粒物的最主要来源，对碳烟生长及其演变规律的测量研究是认识其生成和氧化机理的基础，也是清洁高效燃烧技术开发及节能减排过程中的关键问题。目前已有手段大都仅能实现对高温高压多相混合环境中关键参数的独立测量，而对各参数同时空的时间分辨测量对于碳烟特性及生成、氧化机理的研究更具意义。本项目拟将可调谐二极管激光吸收光谱与散射/消光技术相结合，在对高压燃烧环境中颗粒相与气相参数同时空测量时各技术的相互制约因素进行分析的基础上，发展一种能够在相同时间、路径上对和碳烟生成及氧化密切相关的粒径、数密度、体积分数、诱导时间等颗粒相参数以及对碳烟产生具有重要影响的温度和C2H2浓度进行µs量级时间分辨测量的新方法，并以此分析不同条件下碳烟生长氧化的时间演变规律及其排放影响因素，为碳烟形成及氧化机理的研究提供数据支持及为清洁高效燃烧系统的开发提供科学依据。

目前世界能源消耗中的化石能源占比仍在百分之八十以上，其燃烧产生的碳烟是大气中颗粒物的最主要来源，对碳烟生长及演变规律的研究是认识其生成和氧化机理的基础，也是清洁高效燃烧技术开发及节能减排过程中的关键问题。. 将可调谐二极管激光吸收光谱与散射/消光技术相结合，对碳氢燃料燃烧过程开展相同时间、路径上的颗粒相参数和流场温度及燃烧组分浓度的高灵敏时间分辨测量，并以此分析不同条件下碳烟生长氧化的时间演变规律及其排放影响因素，对于碳烟特性及生成、氧化机理的研究具有重要意义。本项目以此为目标，开展的主要研究包括以下四个方面：. ①在所设计的高温高压气固两相光学吸收储样装置的基础上搭建TDLAS测量系统，利用1540 nm处的一对乙炔吸收谱线作为传感目标，通过发展一种能够从气体与颗粒物混合信号中准确提取气体吸收信号的方法，实现了对高颗粒物浓度燃烧环境中的温度与气体浓度参数进行准确反演。. ②使用 TDLAS 技术与散射/消光技术联用的方法，同时采集气体与颗粒物混合信号并分离出颗粒物消光信号，通过中心波长为1540 nm和680 nm的激发光源，分别利用其消光信号实现了对多相流动的高温高压复杂环境下颗粒物质量浓度、体积分数等相关参数的同时测量。. ③在利用多通技术并抑制光束干涉以提高系统探测灵敏度的基础上，综合利用气体分子的吸收效应以及颗粒物的散射/消光效应，同时采集并分离吸收信号和颗粒物消光信号，实现了对颗粒物信息和气体组分信息在相同路径上的同时探测。. ④搭建预混层流火焰燃烧测量系统，测量了不同燃空当量比及进气速率情况下火焰不同位置处的温度、乙炔浓度以及碳烟颗粒浓度，得到了其场分布廓线，并结合基于ANSYS Fluent对燃烧流场进行的二维有限速率化学CFD模拟，分析了不同条件下的碳烟颗粒物时间演变规律及排放影响因素。. 上述研究可为碳烟研究提供数据和技术支持，有助于推动清洁高效燃烧技术的发展。