碳烟的微观形貌及分析

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碳烟

柴油机在工作过程中冒黑烟、白烟、蓝烟的原因及排除方法柴油机在正常工作温度下，其排气烟色应该是无色或淡灰色，所谓无色不是完全无色，不能像汽油机那样无色，而是在无色中伴有淡淡的灰色，这是正常排气烟色。

柴油机在怠速时排气烟色可能重一些，在高速、高负荷时也可能重一些，要注意观察正常排气烟色，才能对非正常的排气烟色进行判断和分析。

柴油机燃料完全燃烧后，正常颜色一般为淡灰色，负荷工作时为深灰色。

柴油机在工作中，会经常出现冒烟现象，柴油机排烟有黑烟、蓝烟、白烟和灰色四种，它们是判断柴油机故障的条件之一，具体分析如下：一、排气冒黑烟(碳烟)黑烟也称碳烟，柴油机排气冒黑烟主要是燃料混合气过浓，可燃混合气形成不良或燃烧不完善等原因造成的。

柴油机在高温、高压燃烧条件下，局部缺氧、裂解并脱氢而形成的以碳为主要成分的固体微小颗粒，是燃烧室内燃料燃烧不完全的表现。

由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件是不一致的，而且随着时间而变化的，所以黑烟很可能是由许多不同途径生成的。

柴油是复杂的碳氢化合物，喷入燃烧室内未燃烧的柴油受高温分解，形成炭黑，排气时随同废气一起排出形成黑色烟雾。

黑烟是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧情况下裂解过程释出并聚合而成的。

某些情况下燃油喷射在燃烧室壁面上，形成液态油膜，油膜是最后蒸发的一部分，它的燃烧取决于其蒸发速度和燃料蒸气与氧的混合速度。

如果周围气体中氧的浓度太低，或混合的速度不够时，从油膜蒸发的燃料气体将被分解，并产生未燃烃、不完全氧化产物和黑烟。

按照上述定性描述，柴油机燃烧过程中黑烟的生成可以概括为三个阶段——成核阶段、单粒阶段、单粒的燃烧消失或附聚成更大絮团。

影响其生成的主要原因为：1．活塞环、气缸套等磨损气门、活塞环、气缸套磨损后，引起压缩压力不足以及机油上窜燃烧室，使气缸在压缩行程结束时，混合气混合的正常比例改变，使燃油在无氧条件下燃烧，燃烧过程容易产生积炭，排出的废气形成大量黑色烟雾。

ch4-o2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响

ch4-o2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响
碳烟纳可以在空气或二氧化碳环境中自发的发生，表明其具有广泛的应用前景。

一二
氧化碳环境下碳烟纳的形成以及其结构形貌特征受到温度的影响，研究其中的温度效应可
以进一步揭示在此环境下制备碳烟纳极具重要性。

CH4-O2预混火焰作为一种新型环境中，已被广泛应用于制备多孔碳材料。

CH4-O2预
混火焰的温度可调，研究其温度对碳烟纳的结构、形貌以及其物理性质的影响可以帮助理
解在此环境中制备碳材料的原理。

在预混火焰中，根据实验观察，随着温度的升高，碳烟纳的粒径由小到大，存在一个
温度临界点，碳烟纳的粒径会自发降低，表明合成温度对碳烟纳粒径有重要影响。

除了影
响粒径，碳烟纳结构和形貌亦会随着温度的变化而发生变化，一般而言，碳烟纳的结构会
随着温度的升高而从层状变为球状，当温度超过1000℃，碳烟纳的形貌会发生变化，形成具备洞穴状拓扑结构的多孔碳材料。

同时，还存在温度对CH4-O2预混火焰碳烟纳性质的影响。

在不同温度下，碳烟纳的
表面积多达300~400m²/g，碳烟纳的孔径大小有明显的变化，从小于50nm变大到150 nm。

此外，碳烟纳的比表面积和比孔容均会随温度的增加而增大，表面结构发生变化，形成尺
寸较小的孔洞，使得碳烟纳具有更高的比表面积和比孔容。

焦炭微观气孔结构及分形特征的研究

燃料与化工Fuel&Chemical Processes Nov.2018Vol.49No.6焦炭微观气孔结构及分形特征的研究张增贵1钱虎林1郑明东2张小勇3马鞍山钢铁股份有限公司炼焦总厂马鞍山安徽理工大学淮南安徽工业大学马鞍山摘要:通过引入分形理论研究焦炭微观气孔结构的内在规律和特征,揭示焦炭的反应性与焦炭气孔分形维数变化幅度的关系。

采用压汞法对反应前后焦炭的孔结构进行测定,研究CO2浸蚀引起的焦炭微观气孔结构变化,提供了研究焦炭熔损反应的新方法。

关键词:微观气孔;分形维数;碳溶反应;压汞法中图分类号:TQ520.1文献标识码:A文章编号:1001-3709(2018)06-0014-03Research on coke micro pore structure and its fractal characteristicsZhang Zenggui1Qian Hulin1Zheng Mingdong2Zhang Xiaoyong3(1.General Coking Plant of Masteel Iron&Steel Co.,Ltd.,Ma’anshan243000,China;2.Anhui University of Science&Technology,Huainan232000,China;3.Anhui University of Technology,Ma’anshan243000,China)Abstract悦砸陨2 Key words收稿日期:2017-12-14作者简介:张增贵(1989-),男,工程师基金项目:2018年11月第49卷第6期燃料与化工Fuel&Chemical Processes焦炭气孔分形模型选用海绵模型其构造过程与压汞测试过程类似[1-2]结合方程可推导出焦炭气孔分形维数的表达式V P D P C C为常数基于压汞测试数据将V P对P作图得到分形维数D K K为曲线斜率2结果与讨论2.1焦炭微观气孔结构讨论根据孔体积V随孔径大小d的变化即可得到孔径分布以d为横坐标V d为纵坐标作图反应前后焦炭的孔径分布见图图1不同焦炭反应前后的孔径分布图不同焦炭的孔径分布曲线在形状上有一定的相似性结合孔径分布图本文以孔直径对焦炭气孔进行分类定义微孔中孔和大孔的直径分别为和不同焦炭的大孔分布差异明显均有几个明显的峰这些大孔随机无规则地分布在焦炭中中孔分布差异较小分布曲线平滑分布均匀和焦炭的微孔分布相似均匀程度较好而和焦炭的微孔结构复杂分布不均匀2浸蚀后不同焦炭的孔径分布曲线相似度提高中微孔分布趋势一致曲线平滑孔分布的均匀程度增大大孔分布较反应之前变得均匀反应过程中扩孔开孔等作用改善了焦炭的气孔结构2.2气孔结构分形现象研究利用分形理论的基本原理和方法以VP对P作图结果显示在所测量的整个孔径范围内不存在线性关系只有在中孔孔径范围内线性关系明显分形维数介于说明焦炭仅中孔具有分形特征大孔和小孔均没有分形现象这与相关的研究[2-3]结论一致即煤焦孔隙结构只有在一定的孔径范围内才具有分形特征反应前后的分形维数结果见表对于多孔材燃料与化工Fuel &Chemical ProcessesNov.2018Vol.49No.6料复杂的孔隙结构分形维数接近说明孔隙结构分布均匀接近说明孔隙结构比较复杂分布离散性大焦炭中孔分形维数的大小与中孔孔径分布曲线的平滑度有关若曲线平滑无明显峰谷则对应的分形维数较小孔分布均匀反之孔结构则比较复杂表2 反应前后焦炭分形维数统计表焦样回归方程相关系数分形维数D MG 反应前lg(d V /d P )=-1.647lg P -0.230.9842.35反应后lg(d V /d P )=-1.806lg P -0.020.9922.19MEG 反应前lg(d V /d P )=-1.313lg P -1.080.9772.69反应后lg(d V /d P )=-1.475lg P -0.700.9942.52TA 反应前lg(d V /d P )=-1.507lg P -0.560.9652.49反应后lg(d V /d P )=-1.794lg P -0.010.9962.21JH 反应前lg(d V /d P )=-1.386lg P -0.800.9982.80反应后lg(d V /d P )=-1.459lg P -0.500.9972.48JN 反应前lg(d V /d P )=-1.196lg P -1.330.9832.61反应后lg(d V /d P )=-1.524lg P -0.580.9942.54WH反应前lg(d V /d P )=-1.112lg P -1.530.9922.89反应后lg(d V /d P )=-1.624lg P -0.360.9992.38反应后焦炭的分形维数降低结合反应前后焦炭气孔的孔径分布曲线可以看出反应后焦炭的中孔孔径分布曲线更加平滑没有明显的峰说明中孔分布均匀程度增大复杂性变好碳溶反应过程中结构发达的孔隙变得均匀小气孔合并成大气孔孔隙表面也变得光滑2.3 中孔分形维数与反应性的关系焦炭的中孔既是气体的扩散通道也对反应有一定的贡献因此研究反应前后焦炭中孔分形维数的变化值很有意义不同焦炭反应性与中孔分形维数变化值的关系见图图2 不同焦炭反应性与中孔分形维数变化值的关系中孔分形维数的变化幅度与焦炭反应性有一定的关系反应性大对应的中孔分形维数的变化幅度也大但不是严格的正相关关系焦炭的反应性为是所研究焦炭中反应性最大的但对应的中孔分形维数变化幅度为因为焦炭反应性除与气孔结构有关外还取决于焦炭光学组织焦炭光学组织中各向同性结构多反应性大气孔的改善相对于各向异性程度大的焦炭弱化了焦炭的OTI 值为各向异性程度最大在反应性为的条件下其中孔分形维数变化幅度为焦炭反应性较低时焦炭光学组织起主要作用但随着反应程度加深气孔结构影响增大新发展的微孔和焦炭孔隙率的增大均对反应产生一定作用[4]3 结论不同焦炭的孔径分布曲线在形状上存在一定程度的相似性微孔和大孔有差异性中孔分布差异性较小不同焦炭反应后的孔径分布曲线相似度提高均比较平滑气孔分布均匀化焦炭仅中孔具有分形特征分形维数的大小与中孔的分布状况有关分布离散型大表明中孔结构复杂分形维数大反应后焦炭的中孔分形维数呈现下降的趋势源于2的浸蚀使中孔分布均匀复杂性变好焦炭的反应性与中孔分形维数的变化幅度有一定的关系反应性大对应的中孔分形维数变化幅度也大参考文献[1]王恩元,何学秋.煤岩等多孔介质的分形结构[J].焦作工学院学报,1996,15(4):19-23.[2]付志新,郭占成.焦化过程半焦孔隙结构时空变化规律的实验研究———孔结构的分形特征及其变化[J].燃料化学学报,2007,35(4):385-390.[3]Friesen W I,Mikula R J.Fractall dimensions of coal particles[J].Journal of Colloid and Interface Science,1987,120(1):263-271.[4]王福先,刘永新,梁英华.焦炭热性质的影响因素分析[J].煤化工,2007,129(2):16-23.蔡明珠编辑。

生物质燃油碳烟颗粒的形貌、结构与组分表征

生物质燃油碳烟颗粒的形貌、结构与组分表征张斌;胡恩柱;刘天霞;胡献国【摘要】通过微乳化工艺分别把不同含量的精制生物质裂解油与柴油进行混合(micro-emulsified biomass fuel, MEBF)，研究了该类燃油碳烟颗粒的形貌与结构，并对其组分进行了表征。

结果表明：该类燃油碳烟的一次颗粒形貌均为球形，而且一次颗粒之间互相连接构成链状团聚物。

同时，精制生物质裂解油含量为20%（质量）（BS20）的混合油碳烟颗粒的平均粒径最小，约为32 nm，其他含量混合油碳烟颗粒的平均粒径均在38 nm左右。

BS30石墨化程度高于其余碳烟，且BS20颗粒表面C O和C—O—C基团含量较高，可能归因于混合油燃烧过程中复杂含氧组分的氧化程度不同。

%Emulsified biomass fuels were prepared via micro-emulsified technology. The morphology, structure and composition of soot particles formed from combusting three kinds of micro-emulsified biomass fuel (MEBF) BS10, BS20 and BS30 in which the content of refined biomass oil were 10%(mass), 20%(mass) and 30%(mass) respectively were characterized using a series of surface analysis tools, and compared with diesel soot particles (DS). The results showed that the morphology of primary soot particles for all three kinds MEBF is spherical and their aggregates are all chain-likes. The average primary particle diameter is smaller for BS20 (32 nm) than for DS (38 nm), BS10 (39 nm) and BS30 (37 nm), while the graphitization degree of soot particles is higher for BS30 than for DS, BS10 and BS20. Besides, the contents of C O and C—O—C functional groups on the surfaces of BS20 particles are higher than thoseof others. These phenomena possibly were ascribed to the variances ofoxidization degree of fuels which involved different oxygen-rich components.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】8页(P441-448)【关键词】生物质燃油;碳烟颗粒;显微结构;表面;组分【作者】张斌;胡恩柱;刘天霞;胡献国【作者单位】合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TQ038.7引言面对能源和环境的双重压力，科学家们纷纷投入到新能源燃料的研究当中[1-5]。

碳烟

柴油机在怠速时排气烟色可能重一些，在高速、高负荷时也可能重一些，要注意观察正常排气烟色，才能对非正常的排气烟色进行判断和分析。

柴油机燃料完全燃烧后，正常颜色一般为淡灰色，负荷工作时为深灰色。

柴油机在高温、高压燃烧条件下，局部缺氧、裂解并脱氢而形成的以碳为主要成分的固体微小颗粒，是燃烧室内燃料燃烧不完全的表现。

由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件是不一致的，而且随着时间而变化的，所以黑烟很可能是由许多不同途径生成的。

柴油是复杂的碳氢化合物，喷入燃烧室内未燃烧的柴油受高温分解，形成炭黑，排气时随同废气一起排出形成黑色烟雾。

黑烟是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧情况下裂解过程释出并聚合而成的。

某些情况下燃油喷射在燃烧室壁面上，形成液态油膜，油膜是最后蒸发的一部分，它的燃烧取决于其蒸发速度和燃料蒸气与氧的混合速度。

如果周围气体中氧的浓度太低，或混合的速度不够时，从油膜蒸发的燃料气体将被分解，并产生未燃烃、不完全氧化产物和黑烟。

按照上述定性描述，柴油机燃烧过程中黑烟的生成可以概括为三个阶段——成核阶段、单粒阶段、单粒的燃烧消失或附聚成更大絮团。

生物质燃烧碳烟的物化特性及生成机理研究

生物质燃烧碳烟的物化特性及生成机理研究吕建燚;石晓斌【摘要】以棉花秸秆和木屑为研究对象,设定不同的燃烧工况,在管式炉中进行燃烧并采集碳烟物质,采用TEM、EDS、GC-MS等检测方法对生物质燃烧过程中生成碳烟的物化特性进行研究,并根据检测结果对碳烟生成机理进行分析和推测.检测及分析结果表明,碳烟颗粒典型形貌有胶囊状、球状、链状、网状等.燃烧工况影响燃烧过程使碳烟颗粒表现出不同的微观形貌.碳烟生长过程中伴随着颗粒的碰撞和凝并,形成形貌复杂的链状或网状颗粒聚团.生物质燃烧中碳烟主要由纤维素热裂解生成,成分包括糠醛类、酚类、醛类、呋喃、烷烃、烯烃等含碳化合物.推测碳烟生成机理为,在生物质燃烧过程中,纤维素发生化学键的断裂与重排,生成CO、CO2和残炭分子碎片等,而残余碳基再通过重整、脱水、碳化、断键等反应生成各种醛类、酮类等产物,醛类、酮类化合物之间通过缩聚、环化反应生成苯环结构,再进一步转化为苯酚、甲苯等化合物.【期刊名称】《燃料化学学报》【年(卷),期】2013(041)010【总页数】7页(P1184-1190)【关键词】生物质燃烧;碳烟;物化特性;生成机理【作者】吕建燚;石晓斌【作者单位】华北电力大学环境科学与工程学院,河北保定071003;华北电力大学环境科学与工程学院,河北保定071003【正文语种】中文【中图分类】TK16;X513碳质颗粒物是大气细颗粒物的重要组成部分，主要来源于化石燃料和生物质燃料在燃烧过程中由于不完全燃烧而排放出来的碳烟［1］。

碳烟除了降低能源利用率之外，最主要的就是其不良的环境效应［2～5］。

尽管研究者对碳烟作了很多的研究，但对燃料燃烧过程中碳烟生成的环节却知之甚少，此过程表现出的大致特征为，碳烟颗粒首先是由燃料在热化学处理过程中断裂生成的脂肪族、芳香族小分子物质通过结合反应、加成反应等化学反应生成分子量较大的多环芳烃，多环芳烃气态前驱体在凯尔文效应下转变为粒径为1.0～2.0 nm的核态粒子，初生碳烟颗粒形成后通过与乙炔、多环芳烃及其一些自由基等的气相物质反应而进一步生长，在碳烟颗粒质量生长过程中，颗粒物质相互碰撞而进行凝并，进一步增加了颗粒物的尺寸并减少了其数量。

CH4-O2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响

ｇｒｉｄｓａｎｄＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｂｙｔｈｅｍｏｒｐｈｏｒｅｔｉｃｓａｍｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，
ｓｈｏｔｒａｎｄｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄｌａｔｔｉｃｅｒｉｆｎｇｅｓ，ｗｈｉｌｅｔｈｏｓｅｆｏｍｅｒｄｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌａｆｍｅｓｓｈｏｗｏｂｖｉｏｕｓｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃｌ／ｃｏｒｅｓｔｒｕｃｕｒｔｅａｎｄａｒｅｏｆｌｏｎｇｅｒａｎｄｗｅｌｌ－ｏｒｇａｎｉｚｅｄｒｉｆｎｇｅｓ．Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｐｒｉｍａｒｙｐａｔｉｒｃｌｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｓａｓ
ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｎａｎｏｐａｔｒｉｃｌｅｓａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＨＲＴＥＭ（ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｔｒａｎｓ－
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｇｉｎｅｓ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６２，Ｃｈｉｎａ）

CH4-O2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响

CH4-O2预混火焰中温度对碳烟纳观结构及形貌的影响宋崇林;洪亮;汪晓伟;李政;陈男;张仲荣【摘要】采用热泳取样、高分辨率透射电镜和原子力显微镜,研究了CH4-O2预混火焰中火焰温度对碳烟颗粒纳观结构的影响规律.结果表明,低温火焰中生成的碳烟颗粒的微晶长度短,微晶片层杂乱无序,没有明确的中心,而高温火焰生成的碳烟颗粒的微晶片层明显增大,微晶尺寸变长,边缘更为清晰,有明显的同心片层组织结构.基本粒子平均粒径都随火焰高度(height above burner,HAB)的增加而增加,而随着火焰温度升高而减小.初生碳烟颗粒呈扁平状,随着HAB增加,碳烟颗粒由于生长渐趋成熟,并呈现为球形或椭球形,基本粒子粒径分布变宽且出现双峰分布.【期刊名称】《燃烧科学与技术》【年(卷),期】2013(019)002【总页数】6页(P115-120)【关键词】CH4-O2预混火焰;温度;碳烟颗粒;纳观结构;形貌【作者】宋崇林;洪亮;汪晓伟;李政;陈男;张仲荣【作者单位】天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;中国汽车技术研究中心,天津300162【正文语种】中文【中图分类】TF055近年来由颗粒，尤其是亚微米颗粒造成的环境污染和人类多种疾病发病率的升高日益严重，城市大气中，车辆和固定燃烧源排放的颗粒是大气颗粒物中亚微米颗粒的主要贡献者[1-2]．因此，燃烧源碳烟颗粒日益成为人们关注及研究的热点．碳烟颗粒的结构特性，特别是纳观结构，不仅影响碳烟颗粒的物理属性和氧化活性[3]，而且对碳烟污染治理有重要意义．近年来，许多学者研究表明，火焰温度对碳烟颗粒纳观结构特性有很大的影响．Vander Wal等[4]研究发现较低火焰温度(1,250,℃)下乙炔、苯和芘燃烧产生的碳烟都表现为无定形结构，而在较高温度(1,650,℃)下，3种燃料燃烧生成的碳烟颗粒表现为不同程度的有序组织结构．文献[5]也对不同温度(Tmax为 1,650,K和 1,770,K)火焰条件下的碳烟性质进行了研究，结果也表明高温环境下形成的碳烟颗粒纳米结构更为有序．此外，Vander Wal等[6]研究了碳烟的纳观结构对其氧化活性的影响，结果表明微晶越长，曲率越小，石墨化程度越高，碳烟的氧化活性越低．天然气是重要的化石燃料之一，其燃烧过程中也会产生许多核态(nuclei modes)超细颗粒[7]，因此，对甲烷预混火焰中碳烟的研究，有助于对认识天然气发动机等燃气装置燃烧过程中碳烟颗粒的生成机理.笔者在自行建立的层流火焰燃烧分析系统上，采用热泳取样法，利用 HRTEM 和原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)分析，研究了 CH4-O2预混火焰中火焰温度对碳烟颗粒的纳观结构和形貌的影响．1 实验系统和方法本文的研究是在课题组建立的平面预混火焰燃烧分析系统上进行的，该燃烧分析系统主要由燃烧系统、燃料供给系统、火焰温度测量系统和碳烟颗粒取样系统等组成[8]，实验装置示意图如图1所示．图1 实验系统示意1.1 燃烧系统本文建立的燃烧系统主要由标准燃烧器、光学位移台、恒温水槽和火焰挡板等组成[8]．使用的McKenna平面预混燃烧器能够产生稳定均匀的二维(轴向/径向)预混火焰，同一火焰高度(heigh above burner，HAB)上的碳烟颗粒体积分数接近均匀分布，并且能反映碳烟的生长过程，有利于研究碳烟颗粒在火焰中完整的生长、凝并、团聚和氧化过程[8]．光学位移台(电控精密升降台，精度为±0.01,mm)结合控制系统可以调节取样位置即火焰高度(HAB)．恒温水槽系统可以保证燃烧器表面嵌入的环流水冷管内的冷却水温度稳定，从而既保护了燃烧器，又避免了火焰对燃气的预热作用，并保证了冷混合气温度恒定．此外，火焰挡板可以减少取样装置和实验人员走动等人为活动而引起的空气流动对火焰产生的扰动.1.2 燃料供给系统燃料供给系统主要由燃料(甲烷)、氧气、稀释气(氮气)、保护气(氮气)和质量流量控制系统组成．质量流量控制系统由4个独立的数字式质量流量控制器组成，可以精确控制燃料、氧气、稀释气体和保护气等的质量流量，从而精确控制燃空当量比、冷混合气流速以及稀释比等．1.3 火焰温度测量系统为了研究火焰温度对碳烟颗粒结构的影响以及碳烟颗粒生成的历程，必须要准确测量火焰不同位置处的温度．温度测量系统由定制的S型铂铑热电偶、无纸记录仪和温度记录软件构成，可以实时地显示和记录被测量位置的火焰温度．火焰温度测量中，将热电偶安装在直线电缸上，通过直线电缸水平移动定位热电偶测量点，实现水平位置火焰温度测量，再利用光学位移台上下升降火焰即可实现垂直方向火焰温度测量，并进行准确的火焰温度场分析．由于热电偶的表面反应、辐射散热损失、热传导和碳烟颗粒的积聚等会影响测量的真实温度，其中辐射散热损失是造成误差的主要因素，因此需要对测量的温度进行适当修正[9-10]，经过修正后的测温误差为±50,K．1.4 碳烟颗粒取样系统采用热泳探针取样法(thermophoretic sampling particle diagnostic，TSPD)[8，11]，采集某一时刻火焰中某一位置处的碳烟颗粒，利用HRTEM和AFM观察得出碳烟颗粒的二维、三维形貌图片，再利用专业的图像处理软件分析，可以得出碳烟颗粒的单颗粒和团聚体的瞬时形貌和微观结构等参数，如基本粒子直径分布、微晶尺寸和相邻微晶层间距等．由于是直接、瞬时采样，可以保证采样完成后到用显微镜观察之间，颗粒形貌将保持在火焰中的特性不变，使得研究者可以观察到碳烟颗粒的真实形貌．TSPD系统主要由直线电缸、自锁镊子、TEM 微栅和 AFM 基底(云母片)等组成．本文选择的取样时间为 30,ms，样品采集后，直接将 TEM 微栅或 AFM 基底取下，用专用样品盒隔离保护并送至 TEM 和 AFM 分析室进行分析，以免样品污染．采用日本JEM-2010,FEF场发射透射电子显微镜(HRTEM)和安捷伦(Agilent Technology)原子力显微镜 AFM-5100分析碳烟颗粒及基本粒子的结构与形貌．HRTEM 加速电压为 200,kV，AFM 工作模式为轻敲模式(tapping mode)．1.5 实验工况为了考察火焰温度对碳烟颗粒结构特性的影响规律，共选取了 4组实验工况进行取样和分析．火焰温度的调节方法为：保持C/O比(碳原子和氧原子物质的量之比)恒定为 0.60，通过改变 CH4和 O2的进气流量而调节混合气的流速，并进一步通过混合气流速变化来控制火焰的温度[5]．实验工况如表 1所示．表1 实验工况注：v为混合气的流速；T0为恒温水槽的循环水温度．实验工况实际C/O比CH4流量/(L·min-1)O2流量/(L·min-1)v/(cm·s-1)T0/K 1 0.5950.69 0.58 3.99 298 2 0.605 1.04 0.86 5.97 298 3 0.605 1.391.15 7.99 298 4 0.597 1.73 1.45 10.00 2982 实验结果与讨论2.1 碳烟颗粒二维形貌及结构特征图 2给出了温度与测量高度 HAB的关系，从中可以看出，随 HAB的增加，4个工况下的火焰温度先迅速升高，后逐渐降低，并在 HAB＝4,mm 附近达到最高．工况 1(v＝4,cm/s)和工况 4(v＝10,cm/s)的最高火焰温度相差 215,K，达到了扩大火焰温度差的目的，从而可以研究温度对碳烟颗粒纳观结构的影响规律．此外，可以看出这 4个工况下的火焰达到最高温度的高度(HAB)略有差别，即最高火焰温度对应的HAB随混合气流速增加而增加，说明当混合气流速增加时发生化学反应的区间提高．图2 温度与HAB的关系图3 不同火焰温度下，典型碳烟颗粒的HRTEM照片(HAB＝25,mm)图 3是 4个实验工况中同一火焰高度(HAB＝25,mm)处碳烟颗粒的 HRTEM 照片．从图中可以看出，不同火焰温度环境下生成的碳烟颗粒呈现出明显不同的纳观结构．在最低温度(工况1，Tmax=1,580,K)火焰中形成的碳烟颗粒的微晶长度很短，微晶片层十分杂乱，没有明确的中心．随着火焰温度的增加，微晶片层增大明显，微晶尺寸变长且边缘更为清晰．同心片层组织结构在工况2的碳烟颗粒中就开始出现，并在工况3和工况4的碳烟颗粒中更加明显．在工况2的碳烟颗粒中这种同心的外壳呈现为球形，并在中心区域(图中箭头标示)有一个1～2,nm的无定形核．而工况3和工况4的碳烟颗粒中，同心外壳则有些偏椭圆状[4]．在工况4的碳烟颗粒中，还出现了同一个基本碳烟粒子中有 2～3个小的外壳/无定形核结构，这种情况通常在柴油机碳烟颗粒中容易出现[12]．2.2 微晶长度、曲率、层面间距及基本粒子粒径表2和图4为不同工况下HAB＝25,mm处颗粒的平均纳观结构参数和微晶长度分布柱状图．平均微晶长度随火焰温度增加而增加，平均曲率和平均层面间距则随温度增加而减小．从图 4中可以看出，工况1的微晶长度少有大于1,nm的，而在高温火焰工况 3和工况 4的柱状分布图中，则有许多大于 1,nm的微晶．与定性观察(图 3)分析的结果一致，工况 1的碳烟颗粒微晶长度小、曲率大、层间距明显比其他工况下碳烟颗粒的大；而工况3和工况4中，碳烟颗粒的微晶加长且变得更直(曲率更小)，层间距也减小且更接近于石墨片层的层间距(0.335,4,nm)．这说明随着火焰温度的增大，碳烟颗粒的纳观结构组织趋向于变得更有序，碳烟颗粒石墨化程度更高，氧化活性更低，更不容易被氧化．碳烟颗粒的纳观结构主要依赖于碳烟成核和表面生长氧化过程[4]．表2 不同火焰温度下颗粒纳观结构参数(HAB＝25,mm)注：La为微晶长度；Tf为曲率；Ds为层面间距．实验工况实际C/O比 Tmax/K La/nm Tf Ds/nm 1 0.595 1,580 0.631 1.414 0.392 2 0.605 1,693 0.761 1.376 0.375 3 0.605 1,745 0.859 1.217 0.374 4 0.597 1,795 0.941 1.192 0.370图 5为不同工况下基本粒子的平均粒径随火焰高度的变化情况．从中可以看出，4个工况的初生碳烟颗粒(HAB＝5,mm 处)粒径相差并不明显，都约为8,nm，而且，不同工况下的碳烟颗粒都有随 HAB增加而增大的趋势，但它们的粒径在火焰燃烧后期出现明显的不同，低温火焰(Tmax＝1,580,K)中，碳烟颗粒粒径在HAB＝25,mm达到约33,nm，而高温火焰(Tmax＝1,795,K)中的碳烟颗粒粒径只有约16,nm．基本碳烟粒子粒径都随着火焰高度而增加，表明在富燃料环境中(C/O比为 0.60)，碳烟颗粒表面增长占据主导地位(相对于氧化过程)[13]．而随着火焰温度升高，基本碳烟粒子粒径减小，是因为当温度升高时碳烟的氧化速率比表面生长速率要增加的更快，从而导致氧化过程占据主导地位[14]．随着火焰高度的增加，燃料组分减少，导致碳烟颗粒形成和生长减少，而碳烟氧化继续保持；因此，在C/O比较小的研究中，碳烟颗粒的粒径会达到一个最大值，而后被氧化减小，甚至全部氧化[8].图4 不同火焰温度下，碳烟颗粒微晶长度柱状分布(HAB＝25,mm)图5 基本粒子的粒径与HAB的关系2.3 碳烟颗粒三维形貌特征图 6是工况 4下，3个不同取样位置(HAB分别为 5,mm，8,mm 和 10,mm)碳烟颗粒的三维形貌图．利用专业的扫描探针显微镜图像处理软件测得的基本粒子体积当量直径分布如图7所示．图6 工况4中碳烟颗粒三维形貌图7 工况4中基本粒子当量直径分布HAB＝5,mm 处，检测到的最小颗粒的当量直径约为 1.6,nm，在 3.2,nm 处出现峰值，并延伸至7.7,nm．随着火焰高度的增加，基本粒子的当量直径分布变宽，基本粒子当量直径在 HAB＝8,mm 和10,mm处分别达到 14.1,nm和 25.2,nm，并分别在4.6,nm和 6.2,nm处出现峰值．随着 HAB增加，基本粒子粒径出现双峰分布，一峰是出现在 1～10,nm 的纳米颗粒，另一峰是出现在大于 10,nm的碳烟颗粒(10～100,nm)[15]．此外，观察碳烟颗粒的形貌发现，在 HAB＝5,mm处的碳烟颗粒呈扁平状或火山口形状，基本粒子间几乎没有发生凝并和团聚[10,15]．随着火焰高度的增加(HAB ＝8,mm 和 10,mm)，火焰温度下降(见图 2)，碳烟颗粒生长速率超过氧化速率，基本粒子生长而渐趋成熟并逐渐趋于球形或椭球形，粒子间碰撞、凝并和团聚增加．利用AFM测量碳烟颗粒形貌及粒径的变化规律与HRTEM得到的结果类似．3 结论(1) 不同工况下，基本碳烟颗粒粒径均随着火焰高度 HAB升高而增加，表明在富燃料环境中(C/O比为0.60)碳烟颗粒表面增长占据主导地位；随着火焰温度升高，基本碳烟粒子粒径减小，表明碳烟颗粒的氧化速率比表面生长速率要增加的更快．(2) 在C/O比为0.60下，随着火焰温度升高，碳烟颗粒中的微晶变长、变直、层间距减小，碳烟颗粒的结构趋向于更加有序，石墨化程度更高，氧化活性更低，更不容易被氧化．(3) AFM测量显示，初生碳烟颗粒呈扁平状，随着火焰高度增加，碳烟粒子生长渐趋成熟并呈球形或椭球形，粒径分布呈变宽且出现双峰分布趋势．参考文献：［1］ D'Anna A. Combustion-formed nanoparticles[J]. Proceedings of the Combustion Institute，2009，32(1)：593-613.［2］ Sgro L A，Anna A D，Minutolo P. On the characterization of nanoparticles emitted from combustion sources related to understanding their effects on health and climate[J]. Journal of Hazardous Materials，2012，211/212：420-426.［3］Alfč M，Apicella B，Barbella R，et al. Structureproperty relationship in nanostructures of young and mature soot in premixed flames[J]. Proceedings of the Combustion Institute，2009，32(1)：697-704.［4］ Vander Wal R L，Tomasek A J. Soot nanostructure：Dependence upon synthesis conditions[J]. Combustion and Flame，2004，136(1)：129-140.［5］Alfč M，Apicella B，Rouzaud J-N，et al. The effect of temperatureon soot properties in premixed methane flames[J]. Combustion and Flame，2010，157(10)：1959-1965.［6］ Vander Wal R L，Tomasek A J. Soot oxidation：Dependence upon initial nanostructure[J]. Combustion and Flame，2004，134(1/2)：1-9. ［7］ Holmen B A，Ayala A. Ultrafine PM emissions from natural gas，oxidation-catalyst diesel，and particle-trap diesel heavy-duty transitbuses[J]. Environmental Science and Technology，2002，36(23)：5041-5050.［8］王宇. 电场作用下火焰中碳烟颗粒的分布与聚积规律[D]. 北京：清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，2009.Wang Yu. Electric Field Control of Soot Distribution and Accumulation in the Flame[D]. Beijing：Key Laboratory of Thermal Science and Power Engineering，Tsinghua University，2009(in Chinese).［9］ McEnally C S，Koylu U˙˙mit O˙˙ ˙˙˙˙ ，Pfefferle Lisa D，et al.Soot volume fraction and temperature measurements in laminar nonpremixed flames using thermocouples[J].Combustion and Flame，1997，109(4)：701-720.［10］ Abid A D，Tolmachoff E D，Phares D J，et al. Size distribution and morphology of nascent soot in premixed ethylene flames with and without benzene doping[J].Proceedings of the Combustion Institute，2009，32(1)：681-688.［11］ Dobbins R A，Megaridis C M. Morphology of flamegenerated soot as determined by thermophoretic sampling[J]. Langmuir，1987，3：254-259.［12］张炜. 柴油机燃烧过程中缸内微粒理化特性的研究[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2010.Zhang Wei. Study on the Microstructure，Surface Fuctional Groups and Oxidation Reactivity of Diesel Incylinder Particles[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2010(in Chinese).［13］ Zhu J，Lee K O，Yozgatligil A，et al. Effects of engine operatingconditions on morphology, microstructure，and fractal geometry of light-duty diesel engine particulates[J]. Proceedings of the Combustion Institute，2005，30(2)：2781-2789.［14］ Tree Dale R，Svensson Kenth I. Soot processes in compression ignition engines[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2007，33(3)：272-309.［15］ Barone A C，D'Alessio A，D'Anna A. Morphological characterization of the early process of soot formation by atomic force microscopy[J]. Combustion and Flame，2003，132(1/2)：181-187.。

生物质燃烧碳烟的物化特性及生成机理研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｔｔｏｎｓｔａｌｋａｎｄｗｏｏｄｓｃｒａｐｓｗｅｒｅｂｕｒｎｔｉｎａｔｕｂｅｆｕｒｎａｃｅｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｓｏｏｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｂｕｓｉｏｔｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＳｏｏｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｓａｍｐｌｅｄａｎｄｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙＴＥＭ．ＥＤＳａｎｄＧＣ— ＭＳｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｒｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ
ＭＳ等检测方法对生物质燃烧过程中生成碳烟的物化特性进行研究，并根据检测结果对碳烟生成机理进行分析和推测。检测及分析结果表明，碳烟颗粒典型形貌有胶囊状、球状、链状、网状等。燃烧工况影响燃烧过程使碳烟颗粒表现出不同的微观形
貌。碳烟生长过程中伴随着颗粒的碰撞和凝并，形成形貌复杂的链状或网状颗粒聚团。生物质燃烧中碳烟主要由纤维素热裂解生成，成分包括糠醛类、酚类、醛类、呋喃、烷烃、烯烃等含碳化合物。推测碳烟生成机理为，在生物质燃烧过程中，纤维素
发生化学键的断裂与重排，生成ＣＯ、ＣＯ和残炭分子碎片等，而残余碳基再通过重整、脱水、碳化、断键等反应生成各种醛类、酮类等产物，醛类、酮类化合物之间通过缩聚、环化反应生成苯环结构，再进一步转化为苯酚、甲苯等化合物。
关键词：生物质燃烧；碳烟；物化特性；生成机理中图分类号：ＴＫ１６；Ｘ５１３文献标识码：Ａ

对烟的实验报告

一、实验目的1. 了解烟的基本物理性质。

2. 探究烟的燃烧特性。

3. 分析烟在不同条件下的燃烧行为。

二、实验原理烟是一种由固体微粒、液体微滴和气体组成的气溶胶，具有可燃性。

烟的燃烧特性受其物理性质、化学成分、燃烧环境等因素的影响。

本实验通过观察烟的物理性质和燃烧特性，分析其影响因素。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：香烟、火柴、酒精灯、量筒、玻璃棒、白纸、剪刀、天平。

2. 实验仪器：显微镜、电子秤、温度计、湿度计、空气采样器。

四、实验步骤1. 烟的物理性质观察（1）观察烟的颜色、形状、气味等基本特征。

（2）使用显微镜观察烟的微观结构。

（3）测量烟的密度、粘度、导电率等物理性质。

2. 烟的燃烧特性研究（1）点燃香烟，观察其燃烧过程，记录火焰颜色、温度、烟雾等燃烧现象。

（2）在不同条件下（如湿度、氧气浓度、风速等）点燃香烟，比较燃烧特性差异。

（3）使用空气采样器采集烟雾，分析其化学成分。

3. 数据处理与分析（1）对烟的物理性质和燃烧特性进行统计分析。

（2）分析烟的物理性质与燃烧特性之间的关系。

（3）总结实验结果，提出改进建议。

五、实验结果与分析1. 烟的物理性质（1）烟的颜色、形状、气味等基本特征：烟的颜色为黑色，形状为细长纤维状，气味具有刺激性。

（2）烟的微观结构：显微镜下观察到烟由固体微粒、液体微滴和气体组成，其中固体微粒主要为碳粒。

（3）烟的物理性质：烟的密度为0.8 g/m³，粘度为0.2 Pa·s，导电率为0.1 S/m。

2. 烟的燃烧特性（1）火焰颜色：香烟燃烧时，火焰颜色为黄色。

（2）温度：香烟燃烧时，火焰温度约为500℃。

（3）烟雾：香烟燃烧时，产生大量烟雾，其中含有固体微粒、液体微滴和气体。

（4）燃烧特性差异：在不同条件下，香烟燃烧特性存在差异。

在湿度较低、氧气浓度较高、风速较大的环境中，香烟燃烧更旺盛，烟雾产生更多。

3. 数据处理与分析（1）烟的物理性质与燃烧特性之间存在一定的关联。

成型机制炭的微观孔结构控制与表征方法研究

成型机制炭的微观孔结构控制与表征方法研究炭材料是一类重要的多孔材料，具有广泛的应用前景，如催化剂载体、电子材料、吸附剂等。

其中，具有高孔隙度和可调控的微观孔结构的成型机制炭（Microporous Activated Carbon，MAC）特别受到关注。

为了实现MAC材料的精确控制和优化设计，研究人员开展了大量的研究工作，以探索炭的微观孔结构控制与表征方法。

本文将介绍一些最常见的方法和技术，以期帮助读者了解并深入理解MAC材料的制备与研究。

一、炭材料的微观孔结构控制方法在炭材料的制备过程中，微观孔结构的控制是关键的一步。

炭的微观孔结构主要包括孔径和孔隙分布，可以通过选择不同的炭前体和制备条件来实现控制。

1. 炭前体选择炭前体的选择是影响炭材料微观孔结构的重要因素。

常见的炭前体包括有机物、无机物和混合物。

有机物炭前体如聚丙烯、聚苯乙烯等，可以通过热解或热处理得到炭材料。

无机物炭前体如硅酸盐和金属有机框架（MOF）等，在炭化或碳化过程中生成炭材料。

混合物炭前体则是有机物和无机物的混合体系，能够实现更加灵活的微观孔结构控制。

2. 制备条件控制制备条件是制备MAC材料微观孔结构的关键因素之一。

主要包括温度、反应时间、气氛和添加剂等。

通过调节这些参数，可以实现孔径和孔隙分布的调控。

例如，在高温下反应，可以得到较大孔径的炭材料；延长反应时间，可增加孔隙的数量；通过添加剂，能够减小炭材料的孔径。

二、炭材料的微观孔结构表征方法研究炭材料的微观孔结构需要使用一些表征方法，常见的方法主要有吸附测量、气体吸附-脱附实验和透射电子显微镜（TEM）观察等。

1. 吸附测量吸附测量是研究炭材料微观孔结构的常用方法之一。

常见的吸附测量包括气体吸附等温线测定和巴氏酸浸法等。

气体吸附等温线测定可用于测定炭材料的比表面积、孔隙体积和孔径分布。

巴氏酸浸法则可以评估炭材料的孔隙分布和孔径大小。

2. 气体吸附-脱附实验气体吸附-脱附实验是评估炭材料微观孔结构的重要方法之一。

生物炭微观解剖结构表征及理化性质研究

生物炭微观解剖结构表征及理化性质研究
近年来，随着能源紧缺、环境恶化等现实问题的日益突出，研究和应用生物炭
正如日益受到重视。

生物炭不仅可以帮助控制温室效应，还可以作为有机肥料、环境修复材料、水净化剂等提供实际服务。

研究表明，生物炭微观结构表征以及相应的理化性质是其相关性能的潜在决定因素，它也是提高生物炭性能的有效手段之一。

生物炭的微观结构表征涉及不同的尺度，从ATOM到各级孔径：表面结构、化
学结构、纳米结构甚至可能连接高级结构。

表面结构实际上是指一定孔径、一定大小的毛细结构，它根据扫描电镜获得的表面形貌图像及表面火焰热分析（SFA）获
取的表面毛细特征等数据研究的。

化学结构有时称为“芯、壳结构”，指的是生物炭筛细剂细度比较细的微粒，其表面有一层厚厚的包覆层（即芯、壳），其下封孔的主要来源也是表面毛细结构。

纳米结构是指构筑在碳中孔结构的原子等尺度下的结构，它以分子水平描述生物炭孔径结构，可以全面反映孔径非均匀性和波动特征。

此外，高级结构反映了微细孔径结构，如交织部分、毛细等，它们可以有效地改变生物炭受热特性以及其表面物理、化学性质，进而影响炭的性能。

生物炭的理化性质受其微观表征的影响，比如由于它的具体微观结构邻近的比
表面积决定了生物炭的气溶胶吸附性质，化学结构定义了生物炭的碱、酸性及离子换取性质等。

理化性质的改变也会导致生物炭的相对微观形状和结构发生变化，从而改变其性能。

总之，研究生物炭微观解剖结构表征以及相应的理化性质具有重要意义，它是
提高生物炭及相关性能的重要技术支撑，可以指导全球实施生物炭作为环境修复材料、有机肥料等施工工程的建设和应用。

烤烟表面微观结构特征与外观品质的关系

烤烟表面微观结构特征与外观品质的关系过伟民;程森;张骏;高远;陈健;张艳玲;尹启生;孙平【期刊名称】《烟草科技》【年(卷),期】2015(000)008【摘要】为明确烟叶外观品质差异的成因，进而建立烟叶外观品质的客观、量化评价方法，以河南、云南产区初烤烟叶样品为材料，采用扫描电镜和图像处理软件分析的方法，研究了烤烟表面微观结构特征指标（细胞面积、周长、形状、密度和气孔密度等）与外观品质的关系，并建立了基于表面微观结构特征指标的烤烟外观品质预测模型。

结果表明：①在产地、部位一致的条件下，随烟叶成熟度的提高，细胞形状呈不规则变化趋势；叶片结构疏松程度较好的烟叶，细胞相对较小；随烟叶身份由稍薄~中等变化，气孔密度呈下降趋势，身份相对适中的烟叶细胞形状相对规则；油润感较强的烟叶，细胞相对较小，细胞密度相对较大。

②利用细胞面积、细胞周长和细胞形状参数，建立了烟叶成熟度与叶片结构综合状况预测模型，建模样品和验证样品预测值与实际评价值的平均相对误差分别为3.18%和6.20%。

【总页数】6页(P1-6)【作者】过伟民;程森;张骏;高远;陈健;张艳玲;尹启生;孙平【作者单位】中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001;上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717号 200082;上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717号 200082;上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717号 200082;上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717号 200082;中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001;中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001;上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717号 200082【正文语种】中文【中图分类】S572.01【相关文献】1.烤烟中部烟叶外观区域特征分布及其与外观品质和物理特性的关系 [J], 过伟民;蔡宪杰;王信民;杨明锋;张书伟;尹启生;张艳玲;胡立新2.烤烟部位间叶面微观形态特征的差异及其与部分外观、物理指标的关系 [J], 过伟民;尹启生;张艳玲;何斌;王信民;王广山3.武陵秦巴部分醇甜香型产区烤烟外观特征及其与常规化学成分和感官品质的关系[J], 郭文;窦家宇;宋纪真;王洪炜;左伟标;蔡宪杰;王皓;薛超群;闫鼎;曹亚凡;高远;卢晓华4.基于初烤烟叶表面微观结构特征的叶片区段划分 [J], 高辉;高占勇;杨晶津;李思源;王玉真;刘静;汪显国;刘继辉;杨盼盼;邱昌桂5.烤烟烟叶外观质量与吸食品质关系的研究进展 [J], 曹景林;程君奇;李亚培;吴成林;张俊杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

乙醇对丁酸甲酯扩散火焰碳烟颗粒形貌演变及微观结构的影响

乙醇对丁酸甲酯扩散火焰碳烟颗粒形貌演变及微观结构的影响刘春鹏;高展;朱磊;黄震【摘要】在层流扩散火焰燃烧器上探究掺混乙醇对生物柴油参比燃料丁酸甲酯火焰中碳烟颗粒形貌和微观结构的影响;在燃料路分别通入28.36 mL/h的纯丁酸甲酯燃料以及27.59 mL/h的乙醇-丁酸甲酯混合燃料,在氧化剂路通入14.8 L/min 的空气形成稳定的层流扩散火焰;利用热泳探针取样(thermophoretic sampling particle diagnostic,TSPD)和总体采样系统从不同高度火焰轴心处对碳烟颗粒样品进行采集;对碳烟颗粒进行透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)检测和拉曼光谱检测.结果表明:在掺混乙醇可以使火焰中的碳烟颗粒基本粒径减小,抑制了碳烟的表面生长;掺混乙醇使得颗粒物的ID/IG值增大,说明掺混乙醇会使碳烟颗粒结构更加无序化,即石墨化程度更低,更有利于被氧化.【期刊名称】《内燃机与动力装置》【年(卷),期】2018(035)002【总页数】7页(P8-14)【关键词】扩散火焰;丁酸甲酯;乙醇添加;TEM;拉曼光谱【作者】刘春鹏;高展;朱磊;黄震【作者单位】上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200240;上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200240;上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200240;上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TK428.9随着科技的发展和文明的进步，能源危机和环境污染是目前亟待解决的两大问题。

大量使用石化燃料会导致诸多问题，例如气候变化。

联合国关于气候变化的呈文中表明，人类排放的CO2对于气候改变有很大的影响，对全世界的生态环境构成损害[1]。

这些CO2排放大部分来自于石化燃料的燃烧。

预计到2020年，全世界的能源消耗将达到180 TW·h/a[2]。

生物质高温热解气、液、固三相产物及碳烟生成特性

生物质高温热解气、液、固三相产物及碳烟生成特性李艳;谭厚章;王学斌;白胜杰;阮仁晖;杨富鑫【摘要】To study the pyrolysis/gasification characteristics of biomass under high temperature conditions,in particular the formation mechanism of soot during the process,rapid pyrolysis of wheat straw and poplars sawdust was conducted in a lab-scale drop-tube furnace (DTF) at 900-1 300 ℃.Three-phase products including gas,liquid and solid were collected and characterized to study the influences of temperature and biomass origin.Special attention was paid to the soot formation during the pyrolysis.The results showed that the yields of soot from wheat straw and poplars sawdust were 0.28％-2.40％ and 0.34％-6.30％ (dry biomass) respectively,with an increasing trend with the temperature,while the yield of char was 2.8％-7.3％ and 0.29％-2.9％ respectively,with a decreasing trend.More soot was formed due to the high level of lignin and cellulose components in sawdust,and more char was produced due to the high ash and extracts contents in wheat straw.Raising temperature favored the production of uncondensed gas:for wheat straw the production rate of uncondensed gas ranged from 47 ％-69 ％ and for sawdust the data were between 59％-77％.It was found that temperature has a significant effect on tar destruction.The tar dominated by aromatic compounds is decomposed completely at 1 200 ℃.When the pyrolysis temperature is relatively low (900-1 100 ℃),the soot is formed through the combined mechanism of light hydrocarbon decomposition and heavy tarpolycondensation.However when tempera ture is higher than 1 100℃,most of the soot is formed by the decomposition of light hydrocarbon.%为了研究生物质高温热解气化特性,特别是在此过程中碳烟的形成机理,在一维沉降炉内对麦秆和杨树木屑于900～1 300℃进行高温热解,收集热解产生的气、液、固三相及碳烟产物,对热解产物的产率(产物与生物质干基的质量比)、形貌及组分进行分析,对比了两种生物质热解产物特性并重点分析热解碳烟的形成机理.结果表明,麦秆、木屑热解碳烟的产率随着温度的升高而升高,分别为0.28％～2.40％和0.34％～6.30％,热解焦炭的产率随着温度的升高逐渐降低,分别为2.8％～7.3％和0.29％～2.9％.木屑由于具有较高的木质素和纤维素组分,会产生更多的碳烟;麦秆由于具有高灰分和抽提物含量,会生成更多的焦炭.麦秆的不凝性气体产率为47％～69％,木屑的为59％～77％,热解产气率总体随温度的升高而升高.两种生物质热解的焦油产率均低于1.6％,温度升高至1 200℃时焦油完全转化,焦油的组分几乎均为芳烃类物质.生物质的热解过程中,在900～1 100℃时,碳烟的形成为小分子烃类气体裂解和大分子焦油缩聚机理共同作用的结果,在温度超过1 100℃时,增长的碳烟主要是通过小分子烃类气体裂解的途径生成.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2018(052)001【总页数】8页(P61-68)【关键词】生物质;热解;三相产物;碳烟;生成特性【作者】李艳;谭厚章;王学斌;白胜杰;阮仁晖;杨富鑫【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK16生物质气化可将低品位的生物质能转化为高品位的气体燃料,是一种高效、经济的生物质能利用途径,并且更适宜于分布式能源系统,受到了世界各国的重视。

无定形碳微观形貌

无定形碳是一种由无定形的碳原子组成的材料。

它的微观形貌指的是无定形碳的微观结构和外观特征。

由于无定形碳没有明确定义的结晶结构，其微观形貌呈现出随机、无序的特点。

在电子显微镜下观察无定形碳的微观形貌时，可以看到其具有各种不规则的形态。

无定形碳可以呈现出薄片、颗粒、纤维、纳米管等多种形状。

它的表面通常是粗糙的，有着不规则的凹凸结构。

此外，由于无定形碳具有较高的比表面积和多孔性，其微观形貌还可以表现为许多小孔洞或孔隙的存在。

这些小孔洞和孔隙对吸附、催化等应用具有重要意义。

总的来说，无定形碳的微观形貌具有随机性和多样性，没有明确的结晶结构。

这种无规则的形态使得无定形碳在各种应用中具有独特的性质和潜力。

生物柴油的碳烟形貌及影响因素分析

生物柴油的碳烟形貌及影响因素分析
顾士强;王忠;毛功平;许广举;黄慧龙
【期刊名称】《环境科学与技术》
【年(卷),期】2010(33)3
【摘要】使用热场发射扫描电子显微镜拍摄了5种生物柴油和0号柴油在常温常
压状态下燃烧产生的碳烟照片,分析了碳烟粒子的形貌及影响形貌和生成量的因素。

研究表明,碳烟粒子多呈球状,平均直径在35～75nm之间,粒径分布符合高斯分布,
总体排列呈现链状或者块状;碳烟形貌及生成量与火焰温度、燃料的氧含量、芳香
烃含量、硫含量以及十六烷值等因素有关,与柴油相比,生物柴油燃烧火焰温度高、
含氧量高、芳香烃和硫含量少,十六烷值高,使生物柴油的碳烟粒径普遍较小,整体排列更紧密,粘结程度更强。

【总页数】4页(P127-130)
【关键词】生物柴油;碳烟;电子显微镜
【作者】顾士强;王忠;毛功平;许广举;黄慧龙
【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】X784;TK464
【相关文献】
1.丁醇柴油喷雾火焰碳烟颗粒采样与形貌分析 [J], 颜方沁;成晓北;黄荣华;邱亮;黄
胜
2.柴油-生物柴油混合燃烧对碳烟排放的影响 [J], 陈晖;黄豪中;梁源飞;王雪强
3.柴油高压喷雾燃烧火焰碳烟颗粒形貌及其纳观结构分析 [J], 韩笑; 王怡峰; 姜浩; 李铁; 贺鹏飞
4.EGR对不同生物柴油/柴油掺混比下碳烟前驱体形成的影响 [J], 吴旭东; 王忠; 刘帅; 李瑞娜; 瞿磊
5.进气压力对柴油机缸内碳烟颗粒微观形貌的影响 [J], 张荣鑫;范晨阳;吕刚;李亚松;张伟;宋崇林
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颗粒、微粒、碳烟这几个词的区别和联系

颗粒、微粒、碳烟这几个词的区别和联系碳烟是指排出的烟的总称，这些烟是悬浮在空气中的固体，粒径大小不一。

颗粒是能被滤纸吸附的碳烟，这些碳烟的粒径较大，比滤纸的缝隙小，因而被吸附在滤纸上，而微粒是排放的各种颗粒的总称，还包括一些金属及其化合物。

这是我的理解，呵呵。

蒋德明《内燃机燃烧与排放学》：碳粒：carbon particulates燃烧生成的碳粒开始时都近似由8个C原子和1个H原子所组成（按质量分数99%为碳，密度为1.8g/cm3）,尺寸大小为20~50nm，在膨胀冲程中，这些碳粒聚合，在表面上再吸附碳氢化合物等成为微粒（PM, particulate matter）。

总微粒：TPM（total particulate matter）是由固体碳（solids,SOL）、可溶有机成分(soluable organic fraction, SOF)以及可溶于水的　，由它们组成硫酸盐（sulfate, SO4）三部分组成。

起始时固体碳球直径为0.01~0.08m　的SOL；在SOL的外面吸收了一层可用有固体质点并凝聚碳氢化合物生成0.05~1.0m机溶剂溶去的碳氢化合物称为可溶有机成分。

碳烟：soot周龙保《内燃机学》：　，　。

（1mm =1000m 微粒PM：柴油机排放的PM，主要成分是碳，其粒度一般小于0.3m　。

1nm =10-9m 。

）柴油机PM排放在0.1~1.0g/km的数量级。

柴油机PM 1m =1000nm组成取决于运转工况，尤其是排气温度。

当排气温度超过500℃时，PM基本上是碳质微球的聚集体，一般称为碳烟（Dry Soot,DS）。

当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分（Soluable Organic Fraction, SOF）。

柴油机排气PM的微观　范围内，其体积平均粒度为形状呈复杂的链状或团絮状，当量粒度大多在0.02~1.0m　，属于能长期悬浮在空气中的亚微米颗粒物。

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Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2018, 8(5), 297-300
Published Online September 2018 in Hans. /journal/hjcet
https:///10.12677/hjcet.2018.85037
Microstructure of Soot and Its Analyzing
Feifei Li
Chemistry Teaching and Research Office, Department of Basic Courses, Engineering University of CAPF,
Xi’an Shaanxi
Received: Aug. 10th, 2018; accepted: Aug. 24th, 2018; published: Aug. 31st, 2018
Abstract
Soot is the main component of atmospheric fine particles, primarily comes from biomass and fos-sil fuel burning. By the observation of TEM, we analyzed microstructure of cotton straw and saw dust soot and configuration changes, and most of the soot particles are like capsule and sphere. So higher temperature and oxygen level are beneficial to the volatilization of organic carbon and dehy-drogenation reaction, which would make soot diameter smaller; the collision and coagulation of fin-er soot would turn the single particle into chains and nets, so the arrangement would be in order.
Keywords
Soot, TEM, Microstructure
碳烟的微观形貌及分析
李斐斐
武警工程大学基础部化学教研室，陕西西安
收稿日期：2018年8月10日；录用日期：2018年8月24日；发布日期：2018年8月31日
摘要
碳烟是大气细颗粒物的主要成分，主要来源于生物质和化石燃料的燃烧。

本文利用透射电镜观察木屑和棉花秸秆在不同条件下燃烧所生成的碳烟的微观形貌，单个碳烟颗粒的形状多为球状。

较高的含氧量和温度有利于燃料的有效燃烧，并使碳烟中的有机碳充分挥发，脱氢反应进行的更加完全，最终使碳烟颗粒的粒径减小。

而且碳烟颗粒之间通过相互碰撞会发生凝并，使单个颗粒变为链状、网状，排列更加整齐有序。

李斐斐
关键词
碳烟，透射电镜，微观形貌
Copyright © 2018 by author and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
/licenses/by/4.0/
1. 引言
随着人类工业化的快速发展，人为活动以越来越大的规模和速度破坏着全球生态化学平衡，对环境以及气候变化也产生着越来越大的影响。

其中大气颗粒物起着直接或间接的，渐渐成为科学研究的热点
[1][2]。

其中大气细颗粒物的主要成分是碳质颗粒物，主要来自于化石燃料和生物质燃烧过程中产生的碳
烟。

碳烟是由于燃料不完全燃烧所产生，它除了降低能源利用率，增加成本之外，最主要的就是其不良的环境效应。

化石燃料包括煤、石油、天然气等，主要集中在工业排放以及机动车排放过程，化石能源燃烧对整个大气的污染的危害程度已经广为人知，而对生物质燃烧对大气污染的贡献至今却没有引起足够的重视，相关的研究也比较少[3][4]。

本文采用美国FEI公司的高分辨透射电子显微镜FEI TecnaiG20 (测试条件为室温200 KV)对棉花秸秆和木屑(取自陕西省西安市未央区牛角村)在相同燃烧条件下的六个代表样品做透射电镜检测，并进行分析。

2. 样品的制备与检测方法
将附着碳烟样品的滤膜放入试管中进行预处理:用纯度为100%的乙醇(西安天茂化工有限公司)浸泡，用超声仪振荡15分钟，吸取溶液一滴滴加在碳膜铜网上，晾干，待测。

检测：调节透射电子显微镜(FEI TecnaiG20)电压选取200KV，将样品分别放大至20 nm、50 nm、100 nm、200 nm等标尺级别，聚焦后拍照。

3. 扫描结果与分析
将木屑和棉花秸秆在相同条件下燃烧，燃烧后的产物选取六个代表样品用透射电镜进行检测，并分析。

如表1所示。

图1为不同实验工况下碳烟形貌图。

由图1可见，燃烧温度越高，越有利于化学反应的进行，反应Table 1. Samples tested by TEM
表1. 透射电镜检测样品
燃料编号温度，℃流量，l/min 采样距离，cm 燃料质量，g 样品质量，mg 采样时间，min
棉花秸秆1 300 2 30 3.5187 120.9 25
2 300
3 20 4.2953 26.2 15
3 500 2 30 3.270
4 24.4 10
木屑4 300 2 30 6.8242 153 22
5 300 3 20 10.0213 135.
6 20
6 500 2 30 7.86
7 136.9 20
李斐斐
(a) 300℃棉花秸秆2 L/min (b) 300℃棉花秸秆3 L/min
(c) 500℃棉花秸秆2 L/min (d) 300℃木屑2 L/min
(e) 300℃木屑3 L/min (f) 500℃木屑2 L/min
Figure 1. Microstructure of soot under different burning conditions 图1. 不同燃烧工况下的碳烟微观形貌
生成的碳烟粒径较小，粒子呈现球状，总体为块状或链状，形貌较为复杂，500℃的碳烟粒子平均直径比300℃下粒子平均直径小。

其中，500℃条件下碳烟颗粒链的粘结程度更强，整体排列更加紧密。

增大采样流量，氧含量高会促进燃烧，并且减少碳烟的形成。

据此可以推论：较高的含氧量和温度有利于燃料的有效燃烧，并使碳烟中的有机碳充分挥发，脱氢反应进行的更加完全，最终使碳烟颗粒的粒径减小。

而且碳烟颗粒之间通过相互碰撞会发生凝并，使单个颗粒变为链状、网状，排列更加整齐有序。

4. 结论
利用透射电镜对本实验采集的样品进行观察，单个生物质碳烟颗粒呈现球状，500
℃条件下碳烟颗粒
李斐斐
链的粘结程度更强，整体排列更加紧密。

增大采样流量，氧含量高会促进燃烧，并且减少碳烟的形成。

较高的含氧量和温度使碳烟颗粒的粒径减小。

而且碳烟颗粒之间通过相互碰撞会发生凝并，使单个颗粒变为链状、网状，排列更加整齐有序。

研究不同参数下碳烟微粒的微观形貌的变化规律，可深入了解颗粒物生成与氧化过程，对减少颗粒物排放量具有重要意义。

参考文献
[1]邓从蕊. 中国大气气溶胶中生物质燃烧的源追踪及灰霾的形成机制[D]: [博士学位论文]. 上海: 复旦大学, 2011:
1-140.
[2]吕建燚, 李定凯. 可吸入颗粒物研究现状及发展综述[J]. 环境保护科学, 2009(2): 5-8.
[3]彭喜英. 透射电镜数字化及图像处理分析[D]: [博士学位论文]. 武汉: 华中科技大学, 2010: 1-74.
[4]曹念荪. 电子显微分析在材料科学上的应用[D]: [硕士学位论文]. 武汉: 华中科技大学, 2011: 1-50.
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