一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统以及检测方法，属于碳黑颗粒采集领域。本发明专利技术包括火焰燃烧机构、消光采样机构和层流火焰采样机构，火焰燃烧机构包括燃烧器和燃烧器安装架，燃烧器安装架用于调节燃烧器的高度；消光采样机构用于检测碳烟浓度分布；层流火焰采样机构可拆卸安装在燃烧器上，层流火焰采样机构中设置有SiC纤维，通过SiC纤维采集层流火焰的碳黑颗粒。本发明专利技术在进行碳黑浓度检测后，可同时在燃烧火焰不同高度、不同角度采集碳黑颗粒，实现了对层流火焰中碳黑颗粒浓度及形貌的检测，为碳黑颗粒综合特性的研究奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳黑颗粒采集
，更具体地说，涉及一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及检测方法。
技术介绍
燃烧是我们利用化石能源的手段，而清洁高效的燃烧方式则是我们应对化石能源所带来的环境问题的有效方法之一。近期，富氧燃烧由于其具有良好的节能降耗效果，被认为是应对节能减排的一种有效方法。富氧燃烧(Oxygen-EnhancedCombustion)是指用比空气氧气浓度高的富氧空气进行燃烧，最先应用在玻璃工业、冶金工业和内燃机等动力装置中。此来，火电领域为了减排二氧化碳，将其与烟气循环相结合，形成了O2/CO2燃烧技术。富氧燃烧技术的主要优点在于提高火焰温度、强化炉内换热、减少烟气量及有利于二氧化碳分离等。尽管富氧燃烧是有潜力的高效节能技术，它依然无法避免化石燃料燃烧系统的普遍缺点：氮氧化物和碳黑颗粒的排放。目前，富氧燃烧中有关氮氧化物的形成机制及减排方法的研究已有小成，但是对碳黑排放的解释仍然有很多模糊之处，这主要是由于火焰中碳黑生成的物理变化及化学反应都较为复杂，同时碳黑的团聚体特征在不同火焰层流中(例如颗粒尺寸、颗粒密度、团聚体结构及碳黑体积分数等)变化性较大，难以获得有效的检测数据。目前，国际上研究火焰中碳黑的生成及分布规律的方法主要有接触法和非接触法。非接触式方法主要是光学方法，包括利用激光技术来进行检测和基于火焰的发射光谱技术进行检测，光学方法不仅能获得具有时间和空间分辨能力的检测结果，而且不会对被测对象产生干扰。但是，非接触法不能观察碳烟形貌结构等信息，并且碳烟颗粒分为颗粒前驱物和成核粒子两种状态，颗粒前驱物不吸收可见光，它一般被光学方法所忽视而造成结果的不精确。碳烟的接触式测量方法包括热泳取样及透射电镜分析法、热电偶颗粒密度法和纤维采集法。热泳取样法目前较为常用，但是很难一次性采集到不同火焰层流中碳黑颗粒的样本，纤维采样也没有较为成熟的采样方法，导致碳黑颗粒的采集中遇到较大的阻碍，无法进一步探索层流火焰中碳黑颗粒的分布及变化。为了从不同角度分析碳黑颗粒的特性，申请人在2014年10月31日提交了一种用于燃烧火焰中烟黑颗粒采集及温度测量装置的专利申请，申请号为201420646667.4，该申请案中的安装架调节柱垂直均匀分布在安装架台上，并与安装架台相固连；烟黑采集盘上均匀分布有圆孔，安装架调节柱一一对应贯穿烟黑采集盘上的圆孔，烟黑采集盘上设置有SiC纤维固定缝隙；温度测定盘上均匀分布有圆孔，安装架调节柱一一对应贯穿温度测定盘上的圆孔，温度测定盘上设置有1个温度测定指针，该温度测定指针的一端与温度测定盘相固连，温度测定指针的另一端为尖端，温度测定指针上贴附有热电偶丝。该专利方案也只能在火焰中某一位置处进行碳黑采样，难以进行层流火焰中碳黑颗粒的采集。中国专利申请号：201110132240.3，申请日：2011年5月20日，专利技术创造名称为：高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置及测量方法，该申请案公开了一种高压燃烧碳黑颗粒浓度测量装置和测量方法。测量装置包括：激光器、第一衰减器、光路准直元件、第一偏振片、高压样品室、第二偏振片、聚焦透镜、第一滤光片、线阵CCD图像传感器和计算机。本专利技术利用激光器先后发出的不同波长的激光，激光经过高压样品室，通过测量经过高压样品室的透射光和作为参考光路的不经过高压样品室的光的光强，根据Mie散射理论测量得到待测颗粒浓度。该专利方案是利用非接触法进行浓度检测，无法进行碳黑颗粒的形貌分析，难以得出碳黑颗粒的综合特性。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服现有技术中难以对层流火焰中碳黑颗粒浓度及形貌进行分析的不足，提供了一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统及检测方法，本专利技术在进行碳黑浓度检测后，可同时在燃烧火焰不同高度、不同角度采集碳黑颗粒，实现了对层流火焰中碳黑颗粒浓度及形貌的检测，为碳黑颗粒综合特性的研究奠定了基础。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统，包括火焰燃烧机构和消光采样机构，还包括层流火焰采样机构，所述的火焰燃烧机构包括燃烧器和燃烧器安装架，燃烧器安装架用于调节燃烧器的高度；消光采样机构中的氙光灯、凸透镜、小孔光阑、中性密度衰减片和CCD相机与燃烧器设置在同一直线上，用于检测碳烟浓度分布；层流火焰采样机构可拆卸安装在燃烧器上，层流火焰采样机构中设置有SiC纤维，通过SiC纤维采集层流火焰的碳黑颗粒。作为本专利技术更进一步的改进，所述的燃烧器安装架包括导柱、滑套和调节螺杆，滑套与导柱滑动连接，滑套的侧壁与燃烧器底座固连，所述调节螺杆的下端与工作台螺纹连接，调节螺杆的上端活动设置在燃烧器底座的底部中心。作为本专利技术更进一步的改进，消光采样机构中沿氙光灯的照射方向依次为第一凸透镜、火焰、第二凸透镜、滤波片、小孔光阑、第三凸透镜、中性密度衰减片、CCD相机，其中的凸透镜、滤波片、小孔光阑和中性密度衰减片均设置在工作台上，第一凸透镜、第二凸透镜、滤波片、小孔光阑、第三凸透镜、CCD相机的光学中心位于同一直线上。作为本专利技术更进一步的改进，所述层流火焰采样机构包括上安装架台、下安装架台和安装架立柱，上安装架台与下安装架台同轴设置，安装架立柱竖直设置在上安装架台与下安装架台之间，且安装架立柱关于上安装架台的轴线对称分布；沿安装架立柱长度方向设置有至少2个SiC纤维安装杆，在相互对应的两个SiC纤维安装杆上安装SiC纤维，用于采集碳黑颗粒。作为本专利技术更进一步的改进，安装架立柱上设置有旋钮滑槽，在旋钮滑槽中安装高度调节旋钮，SiC纤维安装杆固定在高度调节旋钮的内端；高度调节旋钮能够沿旋钮滑槽上下移动来调节SiC纤维高度。作为本专利技术更进一步的改进，SiC纤维安装杆一端设有安装卡扣，纤维安装杆另一端设有挂丝口，安装卡扣与高度调节旋钮上的安装座固定槽卡合，挂丝口用于卡住SiC纤维。作为本专利技术更进一步的改进，下安装架台的侧壁设置有侧壁螺纹孔，在侧壁螺纹孔中螺纹连接有安装架紧固螺栓，通过安装架紧固螺栓卡住燃烧器。作为本专利技术更进一步的改进，安装架立柱的外侧设置有标尺，该标尺沿安装架立柱的长度方向分布。本专利技术的一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测方法，采用采样检测系统进行检测，其步骤为：步骤1、检查气体管路，调整光学设备的轴线位于同一直线上，关闭所有光源，采用CCD相机拍照，并将数据传输到计算机；步骤2、只打开疝光灯，疝光灯发出的平行光传输到CCD相机内，拍摄图像；然后点火，待火焰稳定后，通过调节螺杆调节燃烧器的高度，利用CCD相机拍摄单独火焰工况和疝光灯与火焰同时发光时的图像，结合层析反演算法从轴对称层流扩散火焰中获取二维的碳烟浓度分布；步骤3、步骤2完成后，调整好SiC纤维间距，把层流火焰采样机构套在燃烧器上，一定时间后，关闭火源，把SiC纤维取下后固定在硬纸板上，并进行编号；步骤4、利用场发射扫描电子显微镜对采集样品进行分析，得到扫描图片；步骤5、综合碳黑浓度和碳黑形貌特征，对层流火焰中碳黑颗粒的分布特性进行分析。作为本专利技术更进一步的改进，步骤2中的层析反演算法为Abel层析反演算法。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)本专利技术的一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统，在进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统，包括火焰燃烧机构和消光采样机构，其特征在于：还包括层流火焰采样机构，所述的火焰燃烧机构包括燃烧器(2)和燃烧器安装架，燃烧器安装架用于调节燃烧器(2)的高度；消光采样机构中的氙光灯(81)、凸透镜、小孔光阑(86)、中性密度衰减片(88)和CCD相机(89)与燃烧器(2)设置在同一直线上，用于检测碳烟浓度分布；层流火焰采样机构可拆卸安装在燃烧器(2)上，层流火焰采样机构中设置有SiC纤维，通过SiC纤维采集层流火焰的碳黑颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统，包括火焰燃烧机构和消光采样机构，其特征在于：还包括层流火焰采样机构，所述的火焰燃烧机构包括燃烧器(2)和燃烧器安装架，燃烧器安装架用于调节燃烧器(2)的高度；消光采样机构中的氙光灯(81)、凸透镜、小孔光阑(86)、中性密度衰减片(88)和CCD相机(89)与燃烧器(2)设置在同一直线上，用于检测碳烟浓度分布；层流火焰采样机构可拆卸安装在燃烧器(2)上，层流火焰采样机构中设置有SiC纤维，通过SiC纤维采集层流火焰的碳黑颗粒。2.根据权利要求1所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统，其特征在于：所述的燃烧器安装架包括导柱(71)、滑套(72)和调节螺杆(73)，滑套(72)与导柱(71)滑动连接，滑套(72)的侧壁与燃烧器底座(23)固连，所述调节螺杆(73)的下端与工作台螺纹连接，调节螺杆(73)的上端活动设置在燃烧器底座(23)的底部中心。3.根据权利要求1所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统，其特征在于：消光采样机构中沿氙光灯(81)的照射方向依次为第一凸透镜(82)、火焰(83)、第二凸透镜(84)、滤波片(85)、小孔光阑(86)、第三凸透镜(87)、中性密度衰减片(88)、CCD相机(89)，其中的凸透镜、滤波片(85)、小孔光阑(86)和中性密度衰减片(88)均设置在工作台上，第一凸透镜(82)、第二凸透镜(84)、滤波片(85)、小孔光阑(86)、第三凸透镜(87)、CCD相机(89)的光学中心位于同一直线上。4.根据权利要求1～3中任一项所述的一种碳氢燃料层流火焰中碳黑检测系统，其特征在于：所述层流火焰采样机构包括上安装架台(1)、下安装架台(3)和安装架立柱(6)，上安装架台(1)与下安装架台(3)同轴设置，安装架立柱(6)竖直设置在上安装架台(1)与下安装架台(3)之间，且安装架立柱(6)关于上安装架台(1)的轴线对称分布；沿安装架立柱(6)长度方向设置有至少2个SiC纤维安装杆(54)，在相互对应的两个SiC纤维安装杆(54)上安装SiC纤维，用于采集碳黑颗粒。5.根据权利要求4所述的一种碳氢燃料层...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚化强，曹文健，任飞，冯艳，丁先，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34