摘 要

碳黑与人类的生产生活息息相关，研究碳黑生成机制，寻找影响碳黑生成的关键因素，对于碳黑的有效控制和应用具有重要意义。要充分理解碳黑生成机制，前提是必须能够准确获取火焰中的碳黑浓度分布，这依赖于碳黑测量技术。本文利用一套基于二维消光法的实验装置，结合Abel变换，测量得到了纺织物棉燃烧产生的火焰中的碳黑浓度与分布。实验结果显示，火焰高度较低时，即火焰半径较宽处，碳黑主要产生在火焰边缘处；火焰上部处的碳黑则主要集中在火焰中心线处，往边缘方向碳黑浓度逐渐降低。同时，在火焰中心线上，随高度的增加，碳黑浓度先逐渐增加到最大值，后又逐渐减小。这些是热解与氧化共同作用的结果。本次实验结果为进一步研究碳黑生成机理提供了一定的依据。

关键词：二维消光法；Abel变换；实验装置；碳黑浓度； 燃烧

Abstract

Carbon black is closely related to the production and life of human beings. It is of great significance for the effective control and application of carbon black to study the formation mechanism of carbon black and find out the key factors affecting the formation of carbon black. To fully understand the mechanism of carbon black formation, the distribution of carbon black concentration in the flame must be accurately obtained, which depends on the carbon black measurement technology. In this paper, the concentration and distribution of carbon black in the flame produced by the combustion of textile cotton are measured by using a set of experimental equipment based on two-dimensional extinction method and Abel transformation. The experimental results show that when the flame height is low, that is, when the flame radius is wide, carbon black is mainly produced at the edge of the flame. The carbon black in the upper part of the flame is mainly concentrated in the center line of the flame, and gradually decreases towards the edge. At the same time, on the center line of the flame, with the increase of the height, the carbon black concentration first gradually increases to the maximum, and then gradually decreases. These are the results of the combined action of pyrolysis and oxidation. The experimental results provide a basis for further research on the mechanism of carbon black formation.

Key Words：Two dimensional extinction；Abel transformation；Experimental device；Carbon black concentration；burning

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 碳黑测量方法综述 2

1.2.1.1 发射光谱法 2

1.2.1.2 外加光源检测法 3

1.2.2 国内外研究案例 3

1.3 研究目的及意义 4

1.3.1 研究目的 4

1.3.2 研究意义 4

第2章 实验方案 5

2.1实验原理 5

2.2 实验装置 7

2.3 实验材料 9

2.3.1 选材依据 9

2.3.2 材料工况 9

2.4 实验步骤 10

第3章 实验结果分析与讨论 11

3.1 数据处理软件 11

3.1.1 MATLAB介绍 11

3.1.2 OriginPro8.5介绍 11

3.2 数据处理结果及分析 12

3.2.1 燃料质量损失分析 12

3.2.2 碳黑浓度定性分析 13

3.2.3 碳黑浓度定量分析 15

第4章 结论 18

第1章 绪论

1.1 研究背景

碳黑对人类的生产生活有着重大的影响。一方面，燃烧产生的碳黑会造成严重的环境污染，影响人类健康，损坏设备。另一方面，碳黑在许多生产过程中发挥着必不可少的作用。碳黑的生成涉及一系列复杂的物理化学变化，其生成机理是一大难题，一直被人们所关注，但至今仍未被研究清楚。

燃烧过程中所产生的碳黑对环境、人类和设备等都有着非常不利的影响。碳黑颗粒物对地球辐射平衡有着直接或间接的影响，可引起地球气候变暖造成温室效应，还具有抑制对流层中臭氧形成、干扰局部地区水文循环和降低能见度等环境效应^[1]。碳黑具有较好的吸附性，大量的有害元素经常被吸附在上面，比如说某些重金属和污染物质，这些东西大部分是致癌物和可诱变基因的物质，会对人体健康造成很大的危害。直径在0.01μm至0.1μm之间的碳黑颗粒能够进入到肺泡内，这些粒子里面的碳黑前体物质---多环芳香烃可导致癌症，极易使人的呼吸器官发生病变^[2,3]。碳黑也是发动机排放的主要污染物之一，发动机产生碳黑的主要原因是混合气的不均匀分布，导致其局部空燃比较大。碳黑还可吸附在设备的表面，对发动机的排气系统造成严重的损害，进而缩短其使用寿命^[4,5]。火灾时碳黑是造成人员伤亡的主要因素，火灾中烟气造成的死亡占了八成多，大多数死者是吸入了烟尘及有毒气体昏迷后死亡的。碳黑还会降低火场能见度，给人员的逃生和救援行动带来困难。

虽然碳黑可以带来很多危害，但碳黑也有可利用的一面。在工业生产领域内，碳黑起着不可小觑的作用。碳黑不但可以增大火焰的辐射传热，提高燃烧装置的换热效率，还是制造轮胎的原料，橡胶中加入碳黑能增强其耐磨性；除此之外，碳黑还被广泛应用于印染、化工和加工制造等行业^[6]。因此研究碳黑的生成机理，对掌握控制碳黑生成的方法，从而做到趋利避害，实现对碳黑的有效利用十分重要。

碳黑的生成过程十分复杂，一般认为碳黑颗粒的产生主要是因为不完全燃烧，里面最首要的两个因素就是PHA的化学作用和扩散火焰中的氧气含量 ^[7]。形成的碳黑颗粒物在构成上一般是由碳分子和碳氢化合物分子汇聚而成的^[8]。碳黑在其生成过程中经历了成核、表面生长、积聚和氧化等过程，碳黑产生及氧化的进程非常地繁杂，上百种不一样的化学物被包含在其中。碳黑粒子最初产生的时候是在纳米等级的范围里面，通常认为碳黑颗粒是由多环芳香烃（PHAs）发展而来的。燃烧生成的碳黑颗粒是粒径20nm左右的球形或椭球形基本颗粒，经过积聚反应组成了积聚颗粒，先是许多小粒子积聚在一起变成大粒子，然后大粒子又聚集在一起，一直壮大，经历了一连串的变化^[9]。因此碳黑的生成机理都现在还未被完全理解。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 碳黑测量方法综述

至今为止检测火焰中碳黑浓度所用过的方法有两大类，一类是接触式测量，一类是非接触式测量。接触式测量是使用多种取样方法从火焰中收集到碳黑的样品，接着再使用电子显微镜分析碳黑的组成、结构及粒子直径，典型的接触式测量方法包括热泳探针采样-透射电镜分析、热电偶颗粒密度法等。然而，该方法不能适用于非稳定燃烧，因为如果燃烧火焰是非稳态火焰的话，该方法得不到不同时间和空间上的碳黑浓度分布，而且收集样品的过程中会干扰到火焰，因此其应用发展前景不大^[2]。为避免这些弊端，通常使用光学测量方法进行燃烧火焰中碳黑的测量。

跟接触式的测量方法相比，光学测量不会打扰到燃烧火焰和其流场，此外在时间和空间方面还拥有更高的分辨率，所以在与火焰碳黑浓度相关的实验研究中被普遍地应用^[12]。用于测量碳氢火焰中碳黑浓度的光学方法又可被分为两种类型，一种是基于火焰的发射光谱技术，此方法依据火焰发射的光谱来测量碳氢化合物火焰的温度和其碳黑浓度，典型的发射光谱法包括双色法和发射CT法。另一种是基于激光或其它外加光源的检测方法，主要方法包括激光诱导炽光法（LII）和激光消光法（LEM）。

1.2.1.1 发射光谱法

典型的发射光谱法包括双色法和发射CT法。

双色法的原理为：利用在两个不一样的波长下测量得到的火焰单色辐射信息，根据相关定律得到火焰温度，再根据辐射定律计算出火焰的单色辐射率，最后通过Hottel and Broughton公式计算出火焰的KL因子（其与碳黑浓度成正比），从而可以得出火焰中的碳黑浓度。双色法测量火焰中碳黑浓度的缺点在于，只有当温度在沿视线方向上的分布是均匀的前提下得出的结果才是真实的，另外，火焰温度和碳黑浓度分布不均时会对测量结果的物理意义造成影响。同时，火焰中碳黑浓度分布不均也会对检测结果产生影响^[13]。双色法测量的另一个缺点是其只能够得到沿视线方向累积起来的测量结果，空间分辨率和测试精度欠佳。

发射CT法的基本原理为，利用光谱仪或 CCD 图像传感器对火焰进行断层扫描，从而得到来自不同方位的光谱辐射信息，而在可见光或者近红外的光谱范围内可以得到的辐射信息大部分是来源于碳黑颗粒，因此可求得火焰中的碳黑浓度。发射CT法所用的实验装置较为简单，且容易实现，但该方法的辐射模型还需要完善，而且还需要抗误差能力强的反演算法，因此该方法在应用方面还存在瓶颈。

1.2.1.2 外加光源检测法

外加光源的检测方法主要包括激光诱导炽光法（LII）和激光消光法（LEM）。

激光诱导炽光法基本原理是：向含碳黑颗粒的火焰中射入一束脉冲高能平面激光，碳黑颗粒在很短的时间内就被高能激光加热到三千多摄氏度，并且诱发出白炽光。该白炽光信号和碳黑浓度成正比，用 ICCD 接收该白炽光信号，经过跟已知碳黑浓度的标准火焰比较并勘正之后可以将白炽光信号转变为绝对碳黑浓度，从而获得火焰碳黑浓度的二维分布。LII法的优点是可以同时测量碳黑的体积浓度和碳黑粒子的尺寸分布。但LII信号模型相对比较复杂，模型不同得到的碳黑颗粒尺寸分布也会不同^[14]。而且碳黑加热时会受到激光器波长和功率的影响，因此需选择适当的波长和功率^[14,15]。炽光信号的定量标定也是LII 测试的难点之一，目前还没有被广泛接受的直接从LII数据中提取碳黑体积分数的理论和方法^[16]。

激光消光法是用单色激光作为光源，根据激光入射前后的光强比值来计算介质中物质粒子的浓度的方法。该方法的数据采集和处理过程很方便，并且其实验装置结构简单，而且不用采样。通过选用不同强度的光源，可以扩大其测量浓度的范围。通过设定不同的实验因数，该方法可以适用于很多不同颗粒的测量^[17]。激光消光法的优势是能够连续测量、可定量且精度高。虽然激光消光法提供的是沿激光直线方向上碳黑浓度叠加起来的平均结果，不能得到空间各点的碳黑浓度，但是结合Abel变换可避免此缺点。

全面地考虑了各种测量方法的优劣，再根据自身的现实条件，本次实验选择激光消光法作为测量碳黑浓度分布的方法。

1.2.2 国内外研究案例

国内外有许多研究者们都通过激光消光法进行了相关的碳黑测量实验研究。这些实验研究不仅证实了激光消光法的可行性，而且拓展了激光消光法的实际应用范围。

首先介绍国内研究现状。何旭、戴钰杰等人利用二维消光法测量了乙烯火焰中的碳黑浓度^[6]；鲜雷勇、李有亮等人利用激光消光法测量了甲苯高温裂解时的碳黑产率^[4]；鲜雷勇、张巍锋等人利用激光消光法测量了RP-3航空煤油富油燃烧的碳黑产率^[18]； Xu Yi 等人应用前向照明的二维消光法对含氧柴油的碳黑生成特性进行了研究^[19]；毕小杰等人对不同氧气浓度的常压室中柴油燃料碳黑的形成和氧化进行了实验研究^[20]；刘海峰等人在不同环境温度下对恒容室内的正丁醇和大豆生物柴油进行了碳黑定量测量^[21]；Changchun Xin等人利用激光消光法粒子检测技术设计了一套针对中空纤维膜完整性的报警装置^[22]。

国外也有许多通过激光消光法技术测量碳黑浓度的实验研究。R. Di Sante利用激光消光技术测量了燃烧过程中火焰的碳粒子浓度^[23]；Hentschel等人应用单点激光消光法研究了柴油发动机缸内的废气再循环效率对碳黑生成特性带来的影响^[24]；Musculus等人及Tree等人通过单点激光消光法研究了不同燃烧材料对碳黑积聚速度的影响和碳黑在柴油发动机缸内燃烧室表面的积聚速度^{[25, 26]}；Di Sante等人通过单点激光消光法研究了在快速压缩机内的混合燃料在均质压燃过程中的碳黑生成过程^[27]；Nakakita等人利用二维消光法测量了柴油机涡流室内的碳黑浓度分布并分析了纹影现象带来的影响^[28]；Manin等人利用两个波长下背向照明的二维激光消光法对正十二烷的喷雾扩散火焰进行了研究^[29]；Yann Gallo等人采用激光消光法和缸内气体采样法研究了柴油机进气氧浓度变化对碳黑的影响^[30]。

1.3 研究目的及意义

1.3.1 研究目的

本次实验研究的目的旨在利用以二维消光法搭建得到的实验装置来获得纺织物棉燃烧火焰中的图像，再利用Abel逆变换求解得到火焰中的碳黑浓度分布，并且对所得到的结果进行数据处理分析，从而得出相关结论，为以后进一步研究碳黑的生成机理提供一定的依据。

1.3.2 研究意义

碳黑对人类生产生活有着重要影响，既带来了许多危害，同时合理控制又能够被加以利用。当碳氢燃料燃烧不完全时就会产生碳黑，其严重影响着火场里的火焰辐射、可见度及有害烟气的产生，对于火灾危险评估研究而言，碳黑一直都是一个非常重要的因数^[10]。想要实现对碳黑的有效控制，主要在于了解碳黑的生成特性。研究碳黑的生成特性还能为提高材料的燃烧效率和降低有害物质的生成量提供重要的帮助^[2]。碳黑和人类的工作、生产和生活有着紧密的联系，研究碳黑的生成机理，发现对碳黑生成有着重要影响的因素，对于实现碳黑的有效控制和合理应用而言具有重要意义^[11]。

国内外许多的研究者们对碳黑的生成机理进行了各种各样的实验研究，但是因为碳黑浓度分布、扩散火焰中的温度等会在空间上发生变化，碳黑的形成过程和燃尽过程以及其中所包含的化学反应都非常地复杂，因此碳黑的生成机理到现在还没有被研究透彻^[2]。想要充分地理解碳黑的生成机理，进一步实现对碳黑的有效控制，就要求可以确切地获得火焰中的碳黑浓度分布，而这又依赖于碳黑测量技术的发展^[5,6]。碳黑测量技术的发展对于研究碳黑形成过程中的物化机理和碳黑的模型检验有着至关重要的意义。

第2章 实验方案

2.1实验原理

碳黑颗粒物来自高温燃烧过程，形成的火焰具有深黄或浅黄的色彩，它对可见光辐射具有最大能力的吸收作用^[1]。本次实验采用激光消光法测量火焰中的碳黑浓度，激光消光法基本原理是，当一束激光经过含颗粒的介质后，光强值发生衰减，而颗粒浓度值（及颗粒粒径）与光强衰减值相关，因此能反映出介质中颗粒浓度值的大小^[17]。如图2.1所示，激光为一束平行单色光，波长为λ。当激光入射到待测颗粒介质后，由于颗粒的光吸收特性，透射光强较入射光相比发生衰减。图中为入射光强，I为出射光强，L为光程，即光波在火焰中传播的距离；为介质的消光系数，以传播方向为 x 轴，火焰中心为原点。

图2.1 光的透射图

衰减光强在光程方向上的变化关系如式(2.1)所示：

对上式积分化简可得：

当光源波长较测量颗粒粒径大许多时，可以将颗粒对入射光线的散射近似看成是瑞利散射^[31]。本实验所用激光波长为650nm，远大于碳黑颗粒粒径，因此其散射可近似看成瑞利散射。根据现有研究成果，火焰中的碳黑颗粒可近似为球形粒子，且粒径在瑞利粒径范围内时，可以忽略碳黑颗粒粒径产生的影响。根据RDG-PFA理论，当粒子粒径在瑞利范围内时，瑞利反比定律成立，粒子对光的散射作用可以忽略，只需考虑吸收作用^[6]，即消光系数等于吸收系数。

层流火焰的消光系数不是常数，无法直接求出，需要通过Abel 变换进行 反演得出。将式（2.2）变换得：