一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统及方法

本发明属于碳烟处理领域，尤其涉及一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统及方法。

背景技术：

1、发动机等燃烧设备燃烧过程中会排放大量的颗粒物，对环境和人类健康都会带来严重的负面影响。燃烧过程中生成的颗粒物包括可溶性有机物和碳烟，其中碳烟颗粒是其最主要的成分。随着发动机技术的发展和颗粒物后处理技术的大规模应用，颗粒物的氧化更加充分，排放量有所降低。但是相关研究表明，颗粒物氧化破碎形成的超细颗粒由于尺寸更小，可以更加深入人体，对人体健康可能产生更大的不良影响。我国现行的国ⅵ排放法规对颗粒物的质量浓度和数密度均进行了严格的限制。因此，深入研究燃烧过程中碳烟颗粒的氧化破碎过程，对于提高燃烧过程效率，减少超细颗粒的排放，具有重要意义。

2、碳烟的形成与氧化是一个非常复杂的化学反应和物理演变过程，影响因素较多。直接对燃烧过程中碳烟的形成和氧化进行观测，虽然能够观测到碳烟的氧化破碎现象，但是由于火焰中碳烟颗粒的生长、凝聚与氧化等反应耦合在一起，难以单独阐明氧化破碎的机制。想要深入研究碳烟颗粒的氧化破碎机制，需要将碳烟的生成和氧化反应分离。

3、目前将颗粒氧化过程分离的方法主要有两种。一种分离方法是使用多级平面预混燃烧器，在一级燃烧器中生成大量碳烟颗粒，再在二级燃烧器中进行碳烟的氧化过程。然而，形成的平面预混火焰的空间分辨率较低，难以进行采样分析。另一种分离方法是将颗粒取样，在有氧的环境下(如原位环境透射电镜中)高温加热，观察其氧化破碎过程。这种研究方法得到的结论有助于理解碳烟颗粒的氧化和破碎过程，但是对于观测仪器的要求较高。

4、本发明采用火焰中毛细管取样和坐标支持膜追踪目标碳烟颗粒氧化过程，设计了一种捕捉碳烟颗粒氧化过程的装置和方法，能够从火焰中捕捉碳烟颗粒并再次进入火焰氧化，可以实现碳烟颗粒氧化过程前后的比较，大大提高了对碳烟颗粒氧化过程研究的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统及方法，采用毛细管取样的方法收集碳烟颗粒，并对其进行发动机尾气模拟环境处理，通过坐标膜追踪目标颗粒的氧化过程，能够从火焰中捕捉碳烟颗粒并再次进入火焰氧化，可以实现碳烟颗粒氧化过程前后的比较，提高了对碳烟颗粒氧化过程研究的准确性，同时可以使用常规透射电子显微镜进行观测。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，包括：

4、燃烧器，用于模拟产生碳烟颗粒，以作为后续氧化基础；

5、采样系统，包括毛细管和微栅支持膜，毛细管用于对碳烟颗粒进行捕捉，微栅支持膜用于对毛细管所捕捉的碳烟颗粒进行收集；

6、预处理系统，包括搅拌容器、磁力搅拌机以及坐标支持膜，搅拌容器用于对微栅支持膜收集的碳烟颗粒进行稀释，磁力搅拌机用于对稀释后的碳烟颗粒进行搅拌以形成悬浮液，坐标支持膜用于对搅拌后的悬浮液进行收集以进行烘干处理；

7、后处理系统，包括管式炉，用于对烘干处理后的坐标支持膜进行不同工况条件下的氧化处理，以观察碳烟颗粒氧化处理前后的形貌特征；

8、供气系统，包括空压机和气瓶，空压机用于向燃烧器提供伴流的空气，气瓶用于向燃烧器提供燃料。

9、进一步地，还包括控制系统，控制系统包括计算机与质量流量计，计算机通过质量流量计控制燃烧器的燃料和空气流量。

10、进一步地，燃烧器为同轴扩散火焰燃烧器，中间分布有燃料管，外侧设有伴流空气管。

11、进一步地，当燃料管供给含碳燃料时，用于碳烟颗粒的生成；当燃料管供给氢气时，用于碳烟颗粒的氧化。

12、进一步地，还包括透射电子显微镜，用于观察碳烟颗粒氧化处理前后的形貌特征。

13、进一步地，预处理系统还包括胶头滴管，用于对悬浮液进行吸取并滴在坐标支持膜上。

14、进一步地，坐标支持膜为s i n坐标膜。

15、本发明还提供一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试方法，利用上述测试系统，测试方法包括：

16、采用燃烧器模拟产生碳烟颗粒，以作为后续氧化基础；

17、利用毛细管对燃烧器产生的碳烟颗粒进行取样；

18、取下碳烟颗粒后采用无水乙醇稀释，并利用磁力搅拌机搅拌，形成悬浮液；

19、采集悬浮液至坐标支持膜上并进行烘干处理，观测碳烟颗粒氧化前的形貌特征；

20、放置烘干处理后的坐标支持膜于管式炉中，调节炉内参数以模拟不同工况条件下碳烟颗粒的氧化过程，并再次观测碳烟颗粒氧化处理后的形貌特征。

21、进一步地，调节炉内参数包括调节炉内温度、n2/o2的相对含量及气体流速，以模拟不同工况条件下碳烟颗粒的氧化过程。

22、进一步地，还包括追踪并统计指定碳烟颗粒氧化处理前后的形貌特征，以得到形貌变化规律。

23、本发明的有益效果是：

24、1、本发明采用毛细管取样的方法从火焰中捕捉收集碳烟颗粒并进行简单处理，通过将其放入管式炉中模拟尾气环境进行氧化，能够实现通过调节不同的工况条件，观测颗粒的相应氧化结果。

25、2、本发明通过常规透射电子显微镜对坐标支持膜上采集的碳烟颗粒氧化前后进行观测，降低了对仪器的要求，提高了对碳烟颗粒氧化过程研究的准确性。

26、3、本发明通过坐标支持膜对颗粒进行追踪定位，能够获得单个颗粒氧化过程变化情况，有利于后续碳烟氧化破碎模型的发展和优化。

技术特征：

1.一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，其特征在于：还包括控制系统，控制系统包括计算机与质量流量计，计算机通过质量流量计控制燃烧器的燃料和空气流量。

3.根据权利要求1所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，其特征在于：燃烧器为同轴扩散火焰燃烧器，中间分布有燃料管，外侧设有伴流空气管。

4.根据权利要求3所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，其特征在于：当燃料管供给含碳燃料时，用于碳烟颗粒的生成；当燃料管供给氢气时，用于碳烟颗粒的氧化。

5.根据权利要求1所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，其特征在于：还包括透射电子显微镜，用于观察碳烟颗粒氧化处理前后的形貌特征。

6.根据权利要求1所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，其特征在于：预处理系统还包括胶头滴管，用于对悬浮液进行吸取并滴在坐标支持膜上。

7.根据权利要求1所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统，其特征在于：坐标支持膜为sin坐标膜。

8.一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试方法，利用权利要求1-7任一项所述的测试系统，其特征在于，测试方法包括：

9.根据权利要求8所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试方法，其特征在于：调节炉内参数包括调节炉内温度、n2/o2的相对含量及气体流速，以模拟不同工况条件下碳烟颗粒的氧化过程。

10.根据权利要求8所述的一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试方法，

技术总结
本发明公开了一种碳烟颗粒氧化破碎过程微观测试系统及方法，测试系统包括：燃烧器，采样系统，预处理系统，后处理系统，供气系统。本发明采用毛细管取样的方法从火焰中捕捉收集碳烟颗粒并进行简单处理，通过将其放入管式炉中模拟尾气环境进行氧化，能够实现通过调节不同的工况条件，观测颗粒的相应氧化结果；通过常规透射电子显微镜对坐标支持膜上采集的碳烟颗粒氧化前后进行观测，降低了对仪器的要求，提高了对碳烟颗粒氧化过程研究的准确性；通过坐标支持膜对颗粒进行追踪定位，能够获得单个颗粒氧化过程变化情况，有利于后续碳烟氧化破碎模型的发展和优化。

技术研发人员：邱亮,赵跃,鲁宇航
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/28