稀釋比對預混燃燒器排氣中顆粒物粒徑分布影響

張帥虎，高昀琦，郭躍杰，趙璟儀，陳龍飛

（北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京100191，中國）

中華人民共和國國民經濟和社會發展“十三五”規劃綱要進一步強調了建設環境友好型社會，從而對清潔燃煤、低污染燃燒等技術發展的需求持續增長。有研究表明：機動車、燃煤等高溫燃燒源產生的顆粒物是大氣環境中一次源顆粒物的主要來源，不同區域、不同季節條件下質量占比在25%～75%之間[1-2]。細顆粒物(PM2.5)，尤其是直徑小于100 nm的超細顆粒物(PM0.1)對環境和健康的危害很大，其在人體呼吸道中的沉積率高于50%，且越是細小的顆粒物越能深入呼吸道末梢，甚至可以穿透人體肺泡進入血液，引起哮喘、肺癌和心血管等疾病[3-7]。

研究表明：燃燒排放尾氣中含有大量的碳氫、水蒸氣和硫酸等組分，在環境空氣的冷卻稀釋作用下，發生一系列物理化學變化，會形成揮發性納米顆粒物[8]。近年來，國內外研究者開展了很多揮發性納米顆粒物形成和變化特性的實驗研究[9-15]。研究表明：排氣中揮發性納米顆粒物的數量濃度和粒徑分布受稀釋空氣的溫度、排氣稀釋混合時間等參數影響顯著。成曉北等[11]研究了不同測量條件對柴油機細顆粒物粒徑與濃度分布測量的影響，表明了：稀釋比是影響細顆粒物粒徑分布的一個重要因素，稀釋參數不同會改變各組分的飽和比而影響到細顆粒物的生成和變化過程。Lipsky等[12]對一臺中試規模的煤粉燃燒器的研究表明：稀釋比和稀釋通道停留時間對燃燒源顆粒物的排放因子影響很小，但是對顆粒物粒徑分布和總體數量濃度影響較大。在稀釋過程中，顆粒物會受到成核作用、凝并作用、凝結和揮發、沉降作用等一系列的影響，故稀釋會對最終的測量產生干擾，使之偏離原本的測量結果。

本文使用甲烷、乙烯等基礎碳氫燃料燃燒尾氣作為采樣源，采用預混燃燒的方式減少燃燒不穩定性帶來的干擾，利用小型引射式稀釋器對尾氣進行稀釋，并調節稀釋比，獲得不同稀釋比下燃燒尾氣中顆粒物的粒徑分布，揭示稀釋比對顆粒物粒徑分布的影響規律。由于以往已經有了大量針對稀釋比對顆粒物粒徑和濃度分布影響的研究，本文對這些影響規律進行了驗證，并特別運用了透射電子顯微鏡分析了燃燒排氣中顆粒物的微觀形貌特征，具有一定的參考價值。

1 實驗系統

本文使用的實驗臺如圖1所示，包括：燃燒系統、稀釋采集系統和粒徑分布測量系統。燃燒系統包括燃燒器、火焰穩定罩等，稀釋采集系統由采樣器、稀釋器、空氣泵、高效空氣過濾器(high efficiency particulate air filter, HEPA)以及2個微流量玻璃轉子流量計組成，粒徑分布由掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(scanning mobility particle sizers, SMPS)測量，使用透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)觀察觀察細顆粒物的微觀形貌以及處理粒徑分布。

1.1 燃燒系統

本文選用本生燈作為燃燒器，如圖2所示。本生燈是一種預混燃燒器，可以安全地燃燒氣體燃料，例如煤氣或者石油氣火焰不會倒流進氣體供應管內，旋轉下部的螺絲即氣掣可以調節進氣量以控制火焰大小。本實驗選取純凈的甲烷和乙烯氣體作為燃料。

由于實驗過程中必須保持良好的通風環境，因此需要一個保護罩隔離本生燈與外界氣流，確保實驗的可靠性和安全性。本實驗選用一個鐵皮鍍鋅板做成漏斗形狀的火焰穩定罩，耐高溫并且便于采集燃燒后尾氣，如圖3所示。

1.2 稀釋采樣系統

使用一個入口截面直徑為20 mm的銅質直角彎頭氣動連接一根軟管，直角彎頭氣動固定在火焰穩定罩出口截面的正上方，并且在實驗過程中保持位置不變。連接的軟管另一頭接入到量程較小的微流量玻璃轉子流量計的一端。采樣裝置如圖4所示。

尾氣被吸出后，通過微流量玻璃轉子流量計，接入到稀釋器?？諝獗卯a生的稀釋氣體經過一個過濾器后，通過微流量玻璃轉子流量計，再接入到稀釋器。如此同時測量稀釋氣體的流量和尾氣的流量，把它們的比值作為實驗測定的稀釋比。實驗過程中，可以通過調節稀釋氣體流量獲得不同稀釋比。2個玻璃轉子流量計均用皂膜流量計進行標定，以減少流量測量誤差對稀釋比計算的影響。

本實驗使用的稀釋器為小型引射式稀釋器，如圖5所示。該稀釋器利用空氣泵提供穩定流量稀釋氣體進入稀釋器環腔，因為進入稀釋器時具有較大的周向速度，所以稀釋氣流一方面沿內管外壁繞流，一方面沿管路方向軸向流動。當稀釋氣到達內管頂部與外觀頂部之間的空隙時，以旋流方式回流入內管，產生低壓區，將采樣氣從采樣孔引入內管，然后在內管流動中均勻混合。

1.3 顆粒物粒徑分布測量

本實驗使用TSI SMPS 3080以及TEM對采集的稀釋燃燒尾氣進行分析。SMPS由差分電遷移率分析儀(differential mobility analyzers,) DMA 3081和凝聚核粒子計數器 (condensation particle counter) CPC 3775組成，DMA用于篩分不同電遷移率粒徑的顆粒物，CPC用于測量超細顆粒物的數量濃度。該系統設置為測量粒徑范圍15.1～661.2 nm內的顆粒物粒徑分布。TEM可以放大幾百萬倍，具有超高的分辨率，可以用于拍攝超微結構，對樣品的微觀粒子結構進行觀察。

2 結果與分析

2.1 TEM圖像分析及與SMPS的結果對比

利用TEM觀察細顆粒物的微觀形貌以及處理粒徑分布，本文將進行實驗對比TEM與SMPS的結果，分析二者的關聯性。

圖6、圖7分別為觀察得到的甲烷、乙烯燃燒產物的TEM圖像。顆粒團聚體的整體圖用于觀察聚合物形貌和粗率判斷基本顆粒的粒徑范圍，局部圖可用于精確測量基本顆粒的參數，如基本顆粒的長、寬和基本顆粒直徑、投影面積等。

從圖6中可知：甲烷燃燒產生的顆粒物聚集成團，團聚物的中間顆粒重疊堆積現象明顯，顆粒物濃度高。而圖7顯示：乙烯燃燒產生的顆粒物不僅聚集成團②，也有的顆粒物聚集成鏈狀①，濃度較甲烷有所降低。兩種燃料燃燒尾氣中的基本顆粒成球狀，尺寸分布相對比較集中，不過相比甲烷燃燒產生的顆粒物，乙烯產生的顆粒物粒徑稍大。

從甲烷或乙烯燃燒產物局部圖可以發現：顆粒物的微觀形貌主要分為2種：一種顆粒物呈相對標準的球形，另一種顆粒物的邊緣為波浪形或者鋸齒形。利用TEM ImageProcessing Package軟件對圖中的數據進行處理，并與SMPS測得的粒徑分布進行對比，如圖8所示，其中：PN為顆粒數量濃度，Dp為粒徑。

由于TEM圖像只能拍攝微柵上的部分顆粒，而微柵也是采集的燃燒產生的部分顆粒物，所以得到的粒徑分布是統計意義上的分布，準確度由樣品的數目多少決定。圖像進行分析時，需要選擇基本顆粒，而在顆粒分散度不好的情況下，有些顆粒的輪廓難以分辨，這就使得在分析時放棄這些顆粒，或者顆粒的邊界選取出現偏差。這些都會導致所得到的顆粒物的直徑不準，從而導致最終粒徑分布的結果存在誤差。

雖然兩者的曲線在某些粒徑處會出現一些偏差，但是整體趨勢相同，曲線基本吻合。因此，SMPS和TEM測量的顆粒物的粒徑分布具有較強的關聯性，兩者反映的顆粒物的粒徑分布具有相對一致性。

2.2 稀釋比對顆粒物粒徑分布的影響

燃燒尾氣采樣過程中，由于冷卻稀釋存在凝結、成核以及凝并等現象，對顆粒物濃度及可揮發性組分濃度影響很大，本文對稀釋過程中的一個重要的參數——稀釋比進行了系統的研究。該實驗保持其他條件不變，通過調節稀釋比，分別獲得峰值粒徑、顆粒物數量濃度等參數，并分析稀釋比對燃燒尾氣中顆粒物粒徑分布規律的影響。由于TEM獲取真實粒徑分布需要進一步的處理分析，所以本實驗選用SMPS測量顆粒物的粒徑分布。

在燃燒實驗開始之前，必須先對經過高效空氣過濾器HEPA之前的環境背景的參數值進行一次測量。為了確保實驗的準確性，重復測量多組環境空氣的顆粒物粒徑分布，得到比較穩定的實驗結果，如圖9所示。由SMPS得到的粒徑分布可以看出：環境空氣中顆粒物的含量是比較少的，呈雙峰分布，第一個峰值出現在21 nm處，顆粒數量濃度PN為7.39×103/mL，第二峰值出現在151 nm處，濃度為4.09×103/mL。環境空氣中的顆粒物相對燃燒尾氣中的濃度很低，實驗中可以忽略不計。

1） 甲烷燃燒實驗。本生燈出口的甲烷氣體燃燒后，呈現淡藍色的火焰，在火焰的最外層有少許黃色火焰，整個燃燒過程不能觀察到明顯的碳煙。調節本生燈的氣掣以控制進氣量，使火焰高度穩定在100 mm，此時燃燒狀況比較穩定。通過調節小型稀釋器的流量，改變燃燒尾氣的稀釋比，測量不同稀釋比下的甲烷燃燒尾氣的顆粒物粒徑分布，結果如圖10a所示。

2） 乙烯燃燒實驗。其步驟與甲烷燃燒實驗相同，本生燈出口的乙烯氣體燃燒后，呈現黃色火焰，并且在火焰高度比較大的時候，整個燃燒過程能夠觀察到明顯的碳煙生成。改變燃燒尾氣的稀釋比，測量不同稀釋比下的乙烯燃燒尾氣的顆粒物粒徑分布，結果如圖10b所示。

從圖10中可以看出：甲烷燃燒尾氣中大部分顆粒的粒徑主要分布在100 nm以內，而且濃度最高可達到108/mL。這是因為甲烷中碳氫比很低，預混空氣后燃燒充分，不會產生粒徑較大的顆粒物。而乙烯中碳氫比相對較高，燃燒時會產生碳煙等粒徑較大的顆粒物，故乙烯燃燒尾氣中大部分顆粒物的粒徑主要分布在0.1～1.0 μm范圍內，濃度較甲烷有所降低，達到107/mL。

在稀釋比從5.56增加到8.33、再增加到16.67的過程中，甲烷和乙烯燃燒尾氣中顆粒物數量在整體上均呈現了先增加、后減小的情況。當稀釋比從5.56增大到8.33時，由于稀釋比增大，溫度低于燃燒尾氣的稀釋空氣增多，導致混合氣溫度降低，促進可揮發性顆粒物的凝結成核作用，使得顆粒物濃度增加。當稀釋比繼續增大到16.67時，混合氣中可揮發性顆粒物的分壓降低，抑制了凝結、成核和凝并作用，使得顆粒物濃度降低。

同時由圖10能夠看出：甲烷燃燒尾氣中的顆粒物的峰值粒徑在稀釋比逐漸增大的過程中逐漸減小，這是由于稀釋比的增大導致了尾氣中影響顆粒物形成長大的組分分壓降低，從而使顆粒物粒徑減小。而乙烯燃燒尾氣中的顆粒物的峰值粒徑在此過程中變化并不明顯，這可能是由于乙烯燃燒尾氣中粒徑較大的顆粒物的濃度本來就很高，稀釋空氣的比例變大，對顆粒物粒徑減小影響不大。

表1所示為甲烷和乙烯燃燒尾氣在不同稀釋比下的顆粒數量濃度峰值以及相應的粒徑情況，能夠明顯的看出顆粒數量濃度峰值和相應粒徑隨稀釋比的變化，同時又能直觀的對比甲烷和乙烯燃燒尾氣在相同稀釋比下的顆粒數量濃度峰值和相應粒徑的大小。

表1 燃燒尾氣在各稀釋比下的粒徑分布峰值

3 結 論

1) SMPS和TEM測量的顆粒物的粒徑分布具有較強的關聯性，兩者反映的顆粒物的粒徑分布具有相對一致性。

2) 甲烷燃燒尾氣中大部分是粒徑較小的顆粒物，主要分布在40 nm附近，而且濃度很高。隨著稀釋比的增大，顆粒物粒徑逐漸減小，濃度呈先增大后減小的趨勢。

3) 乙烯燃燒尾氣中有明顯碳煙生成，大部分都是粒徑較大的顆粒物，主要分布在250 nm附近，濃度較甲烷有所降低。隨著稀釋比的增大，顆粒物峰值粒徑幾乎沒有變化，濃度呈先增大后減小的趨勢。

4) 稀釋比增大，一方面降低了混合氣溫度，促進可揮發性顆粒物的凝結成核作用，另一方面降低了混合氣中可揮發性顆粒物的分壓，抑制了凝結、成核和凝并作用，因此顆粒物濃度先增大后減小。

從實驗結果上來看，稀釋比的變化會嚴重影響燃燒尾氣中顆粒物數量濃度和粒徑分布的測量結果，使之與實際結果出現一定的偏差。故在測量燃燒尾氣顆粒物數量濃度以及粒徑時應當考慮到稀釋比的影響。