当前课程知识点:燃烧理论 > 第九章 层流非预混火焰 > 9.6 碳烟的形成和分解 > 碳烟的形成和分解
对于非预混火焰来说
那我们前面实际上已经提到
它的一个最重要的特征
就是碳烟的形成和氧化
影响了它整个的燃烧过程
那么我下面的话
我们来简单的讲解一下
碳烟的形成和破坏的整个过程
那我们本章一开头就讲了
在层流扩散火焰里面碳烟形成
而且它会氧化
这是非预混火焰的
一个重要的特征
那么火焰里边的碳黑的话
它受热会发光
所以我们历史上最早的燃烧
基本上通通是属于
这种非预混的燃烧
所以我们都能够知道
它有很强烈的辐射
所以一般来说
会导致火焰的这种
辐射的热损失
你可以想一下我们在日常生活
比如像煤的燃烧
比如像柴油机
还有我们煤气的灯等等
这些都会产生碳烟
那么如何去尽量避免
碳烟的形成
成了我们非常非常重要的
研究手段
那么现在大家知道
像中国这么大型的雾霾
雾霾里边实际上非常重要
碳烟起了很重要的作用
特别是柴油机形成的碳烟
所以去研究碳烟的形成
以及它的氧化
应该已经成为我们现在一个
非常非常重要的热点
到现在为止
还有很多的研究在存在
那么在碳氢化合物的
燃烧过程当中
那么火焰呈橙色的
那么它一定会产生碳烟
这是一个基本的过程
那么研究现在非常多
比如我们最近的话
有很多人在研究
碳烟到底是什么样的东西
首先我们要搞清楚
碳烟是什么
我就是想办法把它采出来
采出来去研究它里边的
很多的物质是什么样子的
那么现在有很多
比如这里边
王海教授
他原来是
就是南加州大学
现在已经到斯坦福大学
去做教授
那么他们做了大量的研究工作
沿程 比如他沿着
火焰的距离
碳烟一点点
发生变化
小的时候可能很小
慢慢它会长大
而且碳烟和碳烟之间会长成链
有很多很漂亮的结构
很有意思大家有兴趣的话
可以看各种各样的图片
那么这张图的话
是比较早期的一张图
这是1987年的一张图
可以看出来怎么样
一个是它的火焰的分布
你可以看出来
它火焰面上的温度就很高对不对
就是最高点那两个黑颜色的
所在的那个点
还有一个是它的辐射
辐射实际上就代表了
它碳烟的浓度
你可以看出来
它的碳烟的最高点
在温度的怎么样
最高温度的靠内侧
也就是靠燃料侧
这张图表明什么意思
就是碳烟的形成
通常是在火焰的内侧
最靠近火焰的
这个地方的温度最高
还没有氧
而时候就会产生碳烟
基本的逻辑
那么而且它的区间非常窄
你看一过火焰面怎么样
就大大的下降了
大大下降说明它怎么样
说明它就几乎没有了
碳烟就氧化掉了
所以非常窄的一个区间
温度非常高
而且又没有氧的位置
这几个条件
可以看作是碳烟的形成的
这么一个基本条件
那么碳烟的形成
大概分成四个步骤
一个的话前体物的形成
那么我们后面会讲到
什么样子叫前体物
通常是多环芳烃
那么前体物慢慢长成
变成了一个初始的颗粒物
时候是纳米级的
那我们知道分子
一般都是什么
0.1个纳米级的对吧
它要长到
十几倍左右
差不多就变成纳米级的
就说明它变成颗粒了
而颗粒的话
表面会继续什么
继续反应
或者颗粒之间
会这么小的颗粒
只要一碰撞就会什么
它会团聚在一起
所以颗粒的长大
和团聚的话是
它碳烟的一个非常重要的特征
当然它如果碰到氧气在高温底下
它会被氧化掉
就像刚才那个图
他通过高温有氧气了以后
很迅速的就没了 对吧
迅速的下降
这就是他的一个基本的特征
到现在为止
应该说碳烟的研究
还是一个非常非常热的研究
刚才我也提到了王海教授
比如UC Berkeley UCLA
包括Yale大学
他们有一批的人
都在做研究
那么大概的一个过程
会是怎么样子
总的来说它在燃烧过程当中
大概是一个这样的过程
它一般来说
首先是应该形成一些
多环芳烃
你比如两个环 三个环 四个环
不断的长大
大了以后到达很大的颗粒以后
慢慢就变成了大的颗粒
就是很多很多环了以后
长到一两个纳米了以后
它就变成了颗粒的样子
大概就是
它的一个基本的过程
所以多环芳烃
是它最主要的前体物
那么很多人就包括现任的
燃烧协会的主席
Katharina
她也是做多环芳烃方面的
一个专家
那么实际上在变成大颗粒
Soot之前的很多的研究
它的核心就是多环芳烃
到底怎么形成的
从一个环到三个环
到大于三个环
最后就变成大的颗粒
过程他们做了很细致的研究
好 我们就来看一看
首先是什么
是碳烟的颗粒的
前体物的形成
那前体物到底怎么形成的
现在应该说到现在为止
还有各种各样的说法
有的人说主要是从
一个乙炔开始
那么大家想想
三个乙炔怎么样
实际上就变成了什么
变成了一个苯环 对吧 苯环
那么有很多包括C4 C3 C5
这些如果在不断的过程当中
都会形成什么
一个不断的脱氢的过程
而脱氢的过程
就变成苯环的过程
而这种苯环多环芳烃
我们基本上可以判断
它就是一个
就是一个前体物
而这些苯环
它还可以长大
小的一两个苯环
变成多个苯环
多环芳烃以后
慢慢就去长大了
基本上我们可以判断
它就是一个颗粒的成长过程
那后面就会变成了一个颗粒
就是大概的一个概念的话
如果有三千个到一万个原子
也就是刚才说的那个原子
就是一个碳
那大概三千个
你想想看
一个苯环大概多少
大概十几个原子对不对
一个苯环
那也就是说要几十个
上百个的这种什么
上百个的至少一两百个的这种环
连在一起了以后
它就变成了颗粒物了
是大分子
转变的颗粒物
就是大概的一个临界的尺寸
那第三步中
这些颗粒物它会怎么样
就会团聚和表面
进一步的长大 对不对
团聚就很简单
颗粒与颗粒之间怎么样
由于它肯定会发生碰撞
碰撞了它怎么样
碰撞了就会长大
碰撞了就会粘在一起
那么粘在一起当然有很多的力
包括也有可能是化学的力
也有可能是什么
范特华力等等的
各种各样的力
使得它就粘在一起
你如果粘的速度比较慢
它可能粘在一起的颗粒
它会什么
慢慢的发生反应
它会变大
变成球体变大
同时也会变成链
那么所以你去看真正最后的
碳烟的过程怎么样
就会很丰富
各种各样的结构都有
这跟它的过程
是有关系的
最后当然它就要进入到什么
进入到氧化区了
氧化区也就是说
高温底下有氧
这个候怎么样
就会被氧化掉
你比如Soot的氧化现在还是一个
非常非常热的这样一个过程
很有趣的就可以去把它
那么氧化了以后
当然主要产生一氧化碳
那么这个式子实际上就是
表示它氧化以后的一个
一个动力学的过程
这个非常有名的一个科学家
叫Warnatz
他是那个德国的科学家
也是在燃烧方面非常有名
做的非常出色
好 我们来看一看
对于不同的这种燃料
比如又分析
比如丙烯和丁烷
也是由非预混火焰
去看看它有烟和没烟的情况
会怎么样子
发现什么
焰舌的外边
如果情况做的不好的话
它什么
它就是会产生烟
也就是体积流量不为零
你去看
就出现所谓的smoke
那么非预混火焰里边
产生烟和不产生烟的话
人们发现跟燃料的类型
有很大的关系
那么这个关系的话
用一个标准的术语的话
就叫发烟点 Smoke point来定义
那这是什么意思
它的定义
真的定义是什么
我实际上就是一个流量
我流量加大
加大加到一定的流量的时候
它会产生烟了
而这一个点
我们把它称之为叫发烟点
那么这个点的话
我们是用它的流量来表达的
那么说明什么
如果流量越大
说明它怎么样
我加很多燃料它也不会发烟
那么说明这种倾向是什么
不容易发烟 对不对
所以发烟点的定义
它是一个流量
而流量越小
越是很容易发烟
那你去看我们这张图
这张图你就可以看出来
怎么样总的来说
烷烃不容易发烟
比如氢 一氧化碳不会发烟对吧
烷烃不容易发烟
如果是烯烃就容易发烟
那么最容易发烟的是什么
炔烃和芳香烃
可以你去看如果按照
这张图的话
你看烷烃类的
它的发烟点怎么样就大对吧
那么如果到烯烃就会变小
到炔烃和芳香烃
就会变得很小
只有零点几了对吧
就是我们关于发烟点的
这样一个定义
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结