摘 要

对冲火焰的碳烟取样对于研究碳烟颗粒的理化性质，形成及演变过程十分重要。本文研究了首先研究了热泳探针取样系统、旋转圆盘多探针取样系统和毛细管取样系统等微量取样方法。针对每一套取样系统，研究取样基本原理和系统组成，并设计合理的关键零件结构、尺寸和基本参数。对于热泳探针取样，重点考虑探针侵入对火焰的影响，设计TEM铜网支撑结构或者利用自锁镊子减少扰动；对于旋转盘多探针式取样系统，设计一个合理的旋转圆盘结构安装多个热泳探针；对于毛细管取样系统，设计毛细管结构尺寸并明确取样原理。此外，针对大量碳烟颗粒的取样，本文设计了条形孔碳烟收集装置，能够大量收集对冲火焰产生的碳烟颗粒。

通过分析通过碳烟收集装置收集的碳烟颗粒，掌握燃烧源排放的碳烟颗粒物的物理化学性质将极大改善我们对碳烟颗粒物的认识，有利于抑制其产生，减少排放。

关键词：碳烟；对冲火焰；取样系统；碳烟收集装置；

Abstract

Acurate Sampling is important for studying the physical and chemical properties, formation and evolution of soot particles. In this paper, we first study the micro-sampling method, such as thermophopretic probe sampling system, rotary disk multi-probe sampling system and capillary sampling system. For each set of sampling systems, the basic principles of sampling and system composition are discussed, some key parts structure are designed, appropriate sampling parameters are determined. Focusing on the impact of the probe intrusion on the flame in the design of thermophoretic probe sampling system, TEM copper mesh support structure or the self-locking tweezers are used to reduce the disturbance. For rotary disk multi-probe sampling system, rotating disc structure is built. As to capillary sampling systems，we figure out how the system works and design the capillary structure. What’s more，in order to collect a large amount of soot particles, this paper developed a strip hole soot collection device which is able to fulfill the goal of collecting a large amount of soot particles emitted from the counter-flow flame.

By analyzing the collected soot particles, mastering the physical and chemical properties of the soot particles emitted by the combustion source will greatly improve our understanding of soot particles, which will help to prevent its production and reduce emissions.

Key Words：Soot;Counter-flow flame; Sampling system; Soot collection device;

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 控制碳烟颗粒排放的必要性 1

1.2.1 碳烟颗粒的形成及物理化学特性 2

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文设计主要内容 3

第2章 热泳探针取样 4

2.1 热泳取样原理 4

2.2 单探针热泳取样系统结构组成与功能 5

2.2.1 采样探针设计 5

2.2.2 驱动装置设计 7

2.2.3 控制系统设计 8

2.3 旋转盘多探针热泳取样系统设计 9

2.3.1 旋转盘结构设计 9

2.3.2 驱动系统设计 10

2.3.3 控制系统设计 11

2.4 本章小结 12

第三章 毛细管取样系统 13

3.1 毛细管取样原理 13

3.2 毛细管取样系统结构设计 14

3.2.1 不锈钢毛细管设计 14

3.2.2 滤纸固定装置设计 14

3.2.3 真空泵设计 14

3.3 本章小结 15

第四章 条形孔取样系统 16

4.1 取样原理 16

4.2 取样系统结构组成与功能 16

4.3 取样系统结构设计与参数确定 18

4.3.1 取样探头结构设计与尺寸计算 18

4.4.2 取样探头固定装置结构设计与尺寸计算 19

4.3.3方圆过渡集气管结构设计与尺寸计算 20

4.3.4 滤纸 20

4.4 本章小结 20

第五章 论文总结 22

5.1 本文的研究成果 22

5.2 对未来研究的建议 22

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 控制碳烟颗粒排放的必要性

由于世界经济的飞速的发展，尤其是火力发电厂装机容量和汽车保有量的迅猛增加，造成的道路扬尘和柴油、汽油尾气排放是形成可吸入颗粒的重要来源。在各种可以被吸入人体的颗粒物当中，碳烟颗粒是最主要的可吸入颗粒物。如果对伴随着化石燃料如碳氢燃料的热解和不完全燃烧过程所产生的碳烟颗粒不加以控制，直接排放到大气里，将会对人类健康和自然界环境产生十分恶劣的影响。碳烟颗粒具有强吸附性、比表面积大的特点，可以携带大量的有毒元素。排放到大气中的碳烟颗粒物呈悬浮状态，容易被吸入人体，空气动力学直径为0.01~0.1μm的碳烟颗粒及一次颗粒团聚体可以进入肺泡，加重呼吸系统病症，降低肺功能及免疫力，导致肺组织器质性病变和泡状巨噬细胞损伤。此外，碳烟颗粒在大气当中可以悬浮长达一个月之久，其表面的漫反射特性会使冰川吸收更多的太阳能而加速融化。悬浮在大气中的碳烟颗粒吸收太阳辐射，可以造成温室效应，使大气温度升高。数据表明碳烟是仅次于CO2的温室效应贡献者^[1]。世界各国都相继出台了一些法律法规来控制碳烟颗粒的排放。

燃料混合气过浓，可燃混合气形成不良或者燃烧不完时，碳烟颗粒会产生。例如，柴油机在高温高压的燃烧条件下，局部空燃比过小，燃烧室内燃烧不完全，燃料裂解脱氢，形成以碳为主要成分的固体微小颗粒。碳烟颗粒是不完全燃烧产物，因此会降低能源利用率，增加燃烧成本。由于氧化剂不足，对冲火焰燃烧更缓慢，比预混火焰产生更多的碳烟颗粒^[2]。大量收集碳烟，二次再生，可以提高能源利用率，减少排放，才能满足日益严格的排放法规的要求。此外，沉积在燃烧器管道壁面的碳烟颗粒会在一定程度上堵塞进排气管，造成排气背压的升高，阻碍燃烧器的换气过程，降低燃烧器的动力性能。沉积在燃烧器某些旋转部位的碳烟颗粒会加剧机械结构的磨损，降低零部件的工作寿命，使燃烧器无法正常工作。及时高效地清理沉积在燃烧器内部的碳烟颗粒有利于提高燃烧器的动力性能指标和经济性能指标。通过分析收集的碳烟颗粒，掌握燃烧源排放的碳烟颗粒物的物理化学性质将极大改善我们对碳烟颗粒物的认识，有利于抑制其产生，从根本上削弱碳烟颗粒对燃烧器产生的不利影响。

1.2.1 碳烟颗粒的形成及物理化学特性

在氧化剂不足的条件下，气态或者液态的碳氢化合物裂解或者发生不完全燃烧后形成的一种无定形碳叫做碳烟。少量矿物质以及无机物会出现在由石油或者煤等化石燃料不完全燃烧所产生的碳烟当中，其主要仍是由碳和氢两种元素组成，颗粒物中碳氢元素的摩尔比例约为8:1。到目前为止，大量研究认为以下四个子过程构成碳烟颗粒完整的形成过程:（1）裂解，多环芳香烃生成及生长；（2）碳烟颗粒核态化；（3）碳烟核表面生长；（4）碳烟颗粒团聚。此外，碳烟的氧化反应一直伴随着这四个过程^[3]。