稀释比对预混燃烧器排气中颗粒物粒径分布影响

张帅虎，高昀琦，郭跃杰，赵璟仪，陈龙飞

（北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京100191，中国）

中华人民共和国国民经济和社会发展“十三五”规划纲要进一步强调了建设环境友好型社会，从而对清洁燃煤、低污染燃烧等技术发展的需求持续增长。有研究表明：机动车、燃煤等高温燃烧源产生的颗粒物是大气环境中一次源颗粒物的主要来源，不同区域、不同季节条件下质量占比在25%～75%之间[1-2]。细颗粒物(PM2.5)，尤其是直径小于100 nm的超细颗粒物(PM0.1)对环境和健康的危害很大，其在人体呼吸道中的沉积率高于50%，且越是细小的颗粒物越能深入呼吸道末梢，甚至可以穿透人体肺泡进入血液，引起哮喘、肺癌和心血管等疾病[3-7]。

研究表明：燃烧排放尾气中含有大量的碳氢、水蒸气和硫酸等组分，在环境空气的冷却稀释作用下，发生一系列物理化学变化，会形成挥发性纳米颗粒物[8]。近年来，国内外研究者开展了很多挥发性纳米颗粒物形成和变化特性的实验研究[9-15]。研究表明：排气中挥发性纳米颗粒物的数量浓度和粒径分布受稀释空气的温度、排气稀释混合时间等参数影响显著。成晓北等[11]研究了不同测量条件对柴油机细颗粒物粒径与浓度分布测量的影响，表明了：稀释比是影响细颗粒物粒径分布的一个重要因素，稀释参数不同会改变各组分的饱和比而影响到细颗粒物的生成和变化过程。Lipsky等[12]对一台中试规模的煤粉燃烧器的研究表明：稀释比和稀释通道停留时间对燃烧源颗粒物的排放因子影响很小，但是对颗粒物粒径分布和总体数量浓度影响较大。在稀释过程中，颗粒物会受到成核作用、凝并作用、凝结和挥发、沉降作用等一系列的影响，故稀释会对最终的测量产生干扰，使之偏离原本的测量结果。

本文使用甲烷、乙烯等基础碳氢燃料燃烧尾气作为采样源，采用预混燃烧的方式减少燃烧不稳定性带来的干扰，利用小型引射式稀释器对尾气进行稀释，并调节稀释比，获得不同稀释比下燃烧尾气中颗粒物的粒径分布，揭示稀释比对颗粒物粒径分布的影响规律。由于以往已经有了大量针对稀释比对颗粒物粒径和浓度分布影响的研究，本文对这些影响规律进行了验证，并特别运用了透射电子显微镜分析了燃烧排气中颗粒物的微观形貌特征，具有一定的参考价值。

1 实验系统

本文使用的实验台如图1所示，包括：燃烧系统、稀释采集系统和粒径分布测量系统。燃烧系统包括燃烧器、火焰稳定罩等，稀释采集系统由采样器、稀释器、空气泵、高效空气过滤器(high efficiency particulate air filter, HEPA)以及2个微流量玻璃转子流量计组成，粒径分布由扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(scanning mobility particle sizers, SMPS)测量，使用透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)观察观察细颗粒物的微观形貌以及处理粒径分布。

1.1 燃烧系统

本文选用本生灯作为燃烧器，如图2所示。本生灯是一种预混燃烧器，可以安全地燃烧气体燃料，例如煤气或者石油气火焰不会倒流进气体供应管内，旋转下部的螺丝即气掣可以调节进气量以控制火焰大小。本实验选取纯净的甲烷和乙烯气体作为燃料。

由于实验过程中必须保持良好的通风环境，因此需要一个保护罩隔离本生灯与外界气流，确保实验的可靠性和安全性。本实验选用一个铁皮镀锌板做成漏斗形状的火焰稳定罩，耐高温并且便于采集燃烧后尾气，如图3所示。

1.2 稀释采样系统

使用一个入口截面直径为20 mm的铜质直角弯头气动连接一根软管，直角弯头气动固定在火焰稳定罩出口截面的正上方，并且在实验过程中保持位置不变。连接的软管另一头接入到量程较小的微流量玻璃转子流量计的一端。采样装置如图4所示。

尾气被吸出后，通过微流量玻璃转子流量计，接入到稀释器。空气泵产生的稀释气体经过一个过滤器后，通过微流量玻璃转子流量计，再接入到稀释器。如此同时测量稀释气体的流量和尾气的流量，把它们的比值作为实验测定的稀释比。实验过程中，可以通过调节稀释气体流量获得不同稀释比。2个玻璃转子流量计均用皂膜流量计进行标定，以减少流量测量误差对稀释比计算的影响。

本实验使用的稀释器为小型引射式稀释器，如图5所示。该稀释器利用空气泵提供稳定流量稀释气体进入稀释器环腔，因为进入稀释器时具有较大的周向速度，所以稀释气流一方面沿内管外壁绕流，一方面沿管路方向轴向流动。当稀释气到达内管顶部与外观顶部之间的空隙时，以旋流方式回流入内管，产生低压区，将采样气从采样孔引入内管，然后在内管流动中均匀混合。

1.3 颗粒物粒径分布测量

本实验使用TSI SMPS 3080以及TEM对采集的稀释燃烧尾气进行分析。SMPS由差分电迁移率分析仪(differential mobility analyzers,) DMA 3081和凝聚核粒子计数器 (condensation particle counter) CPC 3775组成，DMA用于筛分不同电迁移率粒径的颗粒物，CPC用于测量超细颗粒物的数量浓度。该系统设置为测量粒径范围15.1～661.2 nm内的颗粒物粒径分布。TEM可以放大几百万倍，具有超高的分辨率，可以用于拍摄超微结构，对样品的微观粒子结构进行观察。

2 结果与分析

2.1 TEM图像分析及与SMPS的结果对比

利用TEM观察细颗粒物的微观形貌以及处理粒径分布，本文将进行实验对比TEM与SMPS的结果，分析二者的关联性。

图6、图7分别为观察得到的甲烷、乙烯燃烧产物的TEM图像。颗粒团聚体的整体图用于观察聚合物形貌和粗率判断基本颗粒的粒径范围，局部图可用于精确测量基本颗粒的参数，如基本颗粒的长、宽和基本颗粒直径、投影面积等。

从图6中可知：甲烷燃烧产生的颗粒物聚集成团，团聚物的中间颗粒重叠堆积现象明显，颗粒物浓度高。而图7显示：乙烯燃烧产生的颗粒物不仅聚集成团②，也有的颗粒物聚集成链状①，浓度较甲烷有所降低。两种燃料燃烧尾气中的基本颗粒成球状，尺寸分布相对比较集中，不过相比甲烷燃烧产生的颗粒物，乙烯产生的颗粒物粒径稍大。

从甲烷或乙烯燃烧产物局部图可以发现：颗粒物的微观形貌主要分为2种：一种颗粒物呈相对标准的球形，另一种颗粒物的边缘为波浪形或者锯齿形。利用TEM ImageProcessing Package软件对图中的数据进行处理，并与SMPS测得的粒径分布进行对比，如图8所示，其中：PN为颗粒数量浓度，Dp为粒径。

由于TEM图像只能拍摄微栅上的部分颗粒，而微栅也是采集的燃烧产生的部分颗粒物，所以得到的粒径分布是统计意义上的分布，准确度由样品的数目多少决定。图像进行分析时，需要选择基本颗粒，而在颗粒分散度不好的情况下，有些颗粒的轮廓难以分辨，这就使得在分析时放弃这些颗粒，或者颗粒的边界选取出现偏差。这些都会导致所得到的颗粒物的直径不准，从而导致最终粒径分布的结果存在误差。

虽然两者的曲线在某些粒径处会出现一些偏差，但是整体趋势相同，曲线基本吻合。因此，SMPS和TEM测量的颗粒物的粒径分布具有较强的关联性，两者反映的颗粒物的粒径分布具有相对一致性。

2.2 稀释比对颗粒物粒径分布的影响

燃烧尾气采样过程中，由于冷却稀释存在凝结、成核以及凝并等现象，对颗粒物浓度及可挥发性组分浓度影响很大，本文对稀释过程中的一个重要的参数——稀释比进行了系统的研究。该实验保持其他条件不变，通过调节稀释比，分别获得峰值粒径、颗粒物数量浓度等参数，并分析稀释比对燃烧尾气中颗粒物粒径分布规律的影响。由于TEM获取真实粒径分布需要进一步的处理分析，所以本实验选用SMPS测量颗粒物的粒径分布。

在燃烧实验开始之前，必须先对经过高效空气过滤器HEPA之前的环境背景的参数值进行一次测量。为了确保实验的准确性，重复测量多组环境空气的颗粒物粒径分布，得到比较稳定的实验结果，如图9所示。由SMPS得到的粒径分布可以看出：环境空气中颗粒物的含量是比较少的，呈双峰分布，第一个峰值出现在21 nm处，颗粒数量浓度PN为7.39×103/mL，第二峰值出现在151 nm处，浓度为4.09×103/mL。环境空气中的颗粒物相对燃烧尾气中的浓度很低，实验中可以忽略不计。

1） 甲烷燃烧实验。本生灯出口的甲烷气体燃烧后，呈现淡蓝色的火焰，在火焰的最外层有少许黄色火焰，整个燃烧过程不能观察到明显的碳烟。调节本生灯的气掣以控制进气量，使火焰高度稳定在100 mm，此时燃烧状况比较稳定。通过调节小型稀释器的流量，改变燃烧尾气的稀释比，测量不同稀释比下的甲烷燃烧尾气的颗粒物粒径分布，结果如图10a所示。

2） 乙烯燃烧实验。其步骤与甲烷燃烧实验相同，本生灯出口的乙烯气体燃烧后，呈现黄色火焰，并且在火焰高度比较大的时候，整个燃烧过程能够观察到明显的碳烟生成。改变燃烧尾气的稀释比，测量不同稀释比下的乙烯燃烧尾气的颗粒物粒径分布，结果如图10b所示。

从图10中可以看出：甲烷燃烧尾气中大部分颗粒的粒径主要分布在100 nm以内，而且浓度最高可达到108/mL。这是因为甲烷中碳氢比很低，预混空气后燃烧充分，不会产生粒径较大的颗粒物。而乙烯中碳氢比相对较高，燃烧时会产生碳烟等粒径较大的颗粒物，故乙烯燃烧尾气中大部分颗粒物的粒径主要分布在0.1～1.0 μm范围内，浓度较甲烷有所降低，达到107/mL。

在稀释比从5.56增加到8.33、再增加到16.67的过程中，甲烷和乙烯燃烧尾气中颗粒物数量在整体上均呈现了先增加、后减小的情况。当稀释比从5.56增大到8.33时，由于稀释比增大，温度低于燃烧尾气的稀释空气增多，导致混合气温度降低，促进可挥发性颗粒物的凝结成核作用，使得颗粒物浓度增加。当稀释比继续增大到16.67时，混合气中可挥发性颗粒物的分压降低，抑制了凝结、成核和凝并作用，使得颗粒物浓度降低。

同时由图10能够看出：甲烷燃烧尾气中的颗粒物的峰值粒径在稀释比逐渐增大的过程中逐渐减小，这是由于稀释比的增大导致了尾气中影响颗粒物形成长大的组分分压降低，从而使颗粒物粒径减小。而乙烯燃烧尾气中的颗粒物的峰值粒径在此过程中变化并不明显，这可能是由于乙烯燃烧尾气中粒径较大的颗粒物的浓度本来就很高，稀释空气的比例变大，对颗粒物粒径减小影响不大。

表1所示为甲烷和乙烯燃烧尾气在不同稀释比下的颗粒数量浓度峰值以及相应的粒径情况，能够明显的看出颗粒数量浓度峰值和相应粒径随稀释比的变化，同时又能直观的对比甲烷和乙烯燃烧尾气在相同稀释比下的颗粒数量浓度峰值和相应粒径的大小。

表1 燃烧尾气在各稀释比下的粒径分布峰值

3 结 论

1) SMPS和TEM测量的颗粒物的粒径分布具有较强的关联性，两者反映的颗粒物的粒径分布具有相对一致性。

2) 甲烷燃烧尾气中大部分是粒径较小的颗粒物，主要分布在40 nm附近，而且浓度很高。随着稀释比的增大，颗粒物粒径逐渐减小，浓度呈先增大后减小的趋势。

3) 乙烯燃烧尾气中有明显碳烟生成，大部分都是粒径较大的颗粒物，主要分布在250 nm附近，浓度较甲烷有所降低。随着稀释比的增大，颗粒物峰值粒径几乎没有变化，浓度呈先增大后减小的趋势。

4) 稀释比增大，一方面降低了混合气温度，促进可挥发性颗粒物的凝结成核作用，另一方面降低了混合气中可挥发性颗粒物的分压，抑制了凝结、成核和凝并作用，因此颗粒物浓度先增大后减小。

从实验结果上来看，稀释比的变化会严重影响燃烧尾气中颗粒物数量浓度和粒径分布的测量结果，使之与实际结果出现一定的偏差。故在测量燃烧尾气颗粒物数量浓度以及粒径时应当考虑到稀释比的影响。