网络首发||王天友教授：乙烯/甲醇同轴扩散火焰中碳烟颗粒微观和纳观形貌研究

创新点

碳烟是传统碳氢燃料燃烧过程中常见的不完全燃烧产物，对大气环境和人体健康构成显著威胁。甲醇作为一种高含氧的清洁燃料，具有高能量密度和可再生性的优点，被视为降低有害物排放的理想替代燃料。基于同轴层流扩散火焰实验平台，结合热泳探针取样法与高分辨率透射电镜技术，系统研究了不同甲醇替代率对乙烯/甲醇同轴扩散火焰中碳烟颗粒微观和纳米形貌的影响。首先，通过分析碳烟颗粒的大小与数量，探讨了甲醇替代率对碳烟微观形貌的影响。随后，通过分析碳层长度、碳层间距和碳层曲率，研究了不同甲醇替代率下碳烟颗粒氧化性的变化。深入探究了甲醇扩散燃烧形成的碳烟颗粒特性，揭示了甲醇替代对碳烟氧化特性的影响，为开发低碳燃料燃烧系统及碳烟减排策略提供了重要的实验依据。

通讯作者简介

王天友教授

王天友，天津大学教授，博士生导师。长期致力于内燃机高效清洁燃烧的理论与技术攻关，围绕内燃机混合气形成的“油”和“气”两大要素，在喷雾机理方面，揭示了液滴碰撞、破碎、蒸发等核心过程的物理机制；在气流调控方面，揭示了内燃机缸内流动多尺度特性，提出了变压差气流测试方法、气流综合评价方法，发明了气道参数化设计技术，研制了具有完全自主知识产权的内燃机气流试验台，构建了内燃机气流“测试-评价-设计”理论技术体系，从研发和生产两个层面有力地支撑了内燃机节能减排。相关成果发表学术论文100余篇、获授权发明专利20余项；主持制定行业标准1项；第1完成人获国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖2项、中国专利优秀奖2项；以第2完成人获省部级特等奖1项、省部级一等奖1项；入选科技部中青年科技创新领军人才、中组部“万人计划”科技创新领军人才，并获得国家杰出青年科学基金资助。

第一作者简介

刘浩业教授

刘浩业，天津大学英才教授，博士生导师，国家级青年人才获得者。长期致力于内燃机低碳燃料燃烧机理与排放控制技术研究，主持国家自然科学基金青年科学基金项目、国家级重点课题及校企联合项目9项；参与完成国家973计划、全球挑战研究基金（GCRF）国际合作项目等重大科研攻关。在Applied Energy、Fuel等能源环境领域知名期刊发表SCI论文48篇，其中以第一/通讯作者发表29篇（含ESI高被引论文2篇），谷歌学术引用2500次，入选2022年斯坦福大学和爱思唯尔联合发布的全球前2％顶尖科学家榜单。现任中国内燃机学会燃料与润滑油分会委员、国际气溶胶学会会员，兼任《汽车安全与节能学报》《能源环境保护》青年编委及Applied Energy等10余个国际期刊审稿人。

乙烯/甲醇同轴扩散火焰中碳烟颗粒微观和纳观形貌研究

作者

刘浩业，刘庆阳，王天友*

单位

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

基金项目

国家自然科学基金资助项目（52406152）

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摘要

基于同轴层流扩散火焰实验平台，结合热泳探针取样法与高分辨率透射电镜技术，系统研究了不同甲醇替代率对乙烯/甲醇同轴扩散火焰中碳烟颗粒的微观和纳观形貌的影响。其中，微观形貌主要分析碳烟颗粒物的大小与数量，纳观形貌主要通过分析碳层长度、碳层间距和碳层曲率研究碳烟颗粒物氧化性的变化。结果表明，随着甲醇替代率的提高，在火焰高度为15mm下采集到颗粒物逐渐从聚集态碳烟颗粒变为孤立的碳烟基本粒子，纯甲醇或高比例甲醇的扩散火焰中几乎不产生碳烟。在微观形貌方面，随着甲醇替代率的增加，层流扩散火焰中产生的颗粒物初级粒子数量、粒径、分形维数呈现逐渐下降的趋势。主要原因是甲醇替代率的增加，促进燃料中的总含氧量增加，使得燃料燃烧更加充分，进而抑制了碳烟前驱物的生成以及碳烟颗粒物的成核过程和生长过程；在纳观形貌方面，纯乙烯工况下碳烟的基本粒子形状近似为球形，结构为壳状结构，由石墨外壳和无定形内核组成；而在甲醇替代率高的工况下从火焰中取出的碳烟的内部碳层更加松散，弯曲较多。随着甲醇替代率增加，碳烟的碳层长度不断下降、碳层曲率和层间距不断上升，表明碳烟的氧化性增加。本研究为优化燃烧过程、降低碳烟生成提供了参考。

研究背景

碳烟是一种传统碳氢燃料燃烧过程中常见的不完全燃烧产物，主要由碳、氢2种元素组成。大气中碳烟对人体和环境的危害不可估量。一方面，接触碳烟颗粒物可能会导致人体产生各种健康问题，甚至可能由于其有毒成分和物理化学性质而导致死亡。另一方面，碳烟颗粒的排放带来雾霾增加、大气能见度降低、促进温室效应等环境问题。因此，发展清洁高效的替代燃料以减少碳氢燃料燃烧过程中碳烟的排放已成为目前的研究热点。

甲醇作为一种高含氧的清洁燃料，具有高能量密度、可替代、可再生的优点，被认为是降低有害物质和碳排放的理想替代燃料。目前的研究表明，甲醇的掺杂可有效降低碳氢燃料燃烧所产生的多环芳烃等碳烟前驱物，进而降低燃烧中产生的碳烟的浓度。LIU等测量了甲醇/汽油层流扩散火焰中碳烟体积分数的二维分布。与纯汽油相比，甲醇/汽油的掺混比为20%、40%、60%和80%的火焰中平均碳烟体积分数分别下降了48.2%、70.4%、83.8%和97.7%，峰值碳烟体积分数则分别下降了41.5%、64.1%、75.8%和91.8%。YAN等研究了甲醇和乙醇对乙烯逆流扩散火焰中多环芳烃和碳烟形成过程的影响，采用激光诱导白炽灯和激光诱导荧光技术分别测量了对流扩散火焰中的碳烟体积分数和多环芳烃浓度。研究发现少量乙醇的加入增加了多环芳烃的生成，促进了碳烟的生成。然而甲醇的加入明显对碳烟的生成有抑制作用，显著减少了多环芳烃的生成。HUA等研究了不同的醇类燃料对汽油层流扩散火焰颗粒动力学影响，使用化学动力学模型对不同醇类和汽油混合燃料的层流扩散火焰进行了数值模拟研究。研究发现，不同醇类燃料的添加都抑制了碳烟的生成。随着醇类燃料替代率的增加，碳烟颗粒物的尺寸也相应减小。同时，碳烟的氧化性也随着掺杂的醇类燃料碳链的增长逐渐增强。

目前，甲醇与烃类物质的扩散火焰碳烟颗粒物研究证实了甲醇的加入对碳烟浓度的降低及对碳烟生成的抑制均起到积极作用，但缺少对甲醇扩散燃烧形成的碳烟颗粒特性的深入研究。本文基于同轴层流扩散火焰实验平台，结合热泳探针取样法与高分辨率透射电镜技术，研究了不同甲醇替代率对乙烯/甲醇同轴扩散火焰中碳烟颗粒的微观和纳观形貌的影响。其中，微观形貌主要分析碳烟颗粒物的大小与数量，纳观形貌主要通过分析碳层长度、碳层间距和碳层曲率研究碳烟颗粒物氧化性的变化。

部分图表

图1 同轴层流扩散火焰燃烧器实验平台

图2 E100工况同轴扩散火焰在不同采样高度处的碳烟基本粒子直径分布

图3 不同甲醇替代率下碳烟基本粒子的纳观形貌

引文格式

刘浩业, 刘庆阳, 王天友. 乙烯/甲醇同轴扩散火焰中碳烟颗粒微观和纳观形貌研究[J/OL]. 能源环境保护: 1-12[2025-03-25]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250308.

LIU Haoye, LIU Qingyang, WANG Tianyou. Study on the Micro- and Nanoscale Morphology of Soot Particles in Ethylene/Methanol Coaxial Diffusion Flames[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-12[2025-03-25]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250308.

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