异辛烷反扩散火焰在不同氧浓度下生成碳烟颗粒的微观结构特性研究
一、研究背景及意义：
碳烟颗粒伴随着碳氢燃料如化石燃料等的热解和燃烧而产生。碳烟颗粒在锅炉燃烧中的存在能促进燃料放热[1]。炭黑更是被广泛地应用到墨水制造以及橡胶生产等方面[2]。通过最先进的纳观技术从碳烟颗粒中提取到的均匀的纳观颗粒更是被应用到细胞成像学分析以及追踪细胞间的过程[3]。但是，燃烧过程产生的碳烟排放到大气中对人类健康和地球环境都产生了极其严重的影响。碳烟颗粒物排放到大气中后呈悬浮状，很容易通过呼吸进入到人体。此外，碳烟颗粒在大气中的存在加剧了温室效应，成为全球气候变暖的罪魁之一。悬浮在空气中的碳烟颗粒通过吸收太阳辐射以及影响云的形成，从而造成温室效应使大气温度升高。
碳烟颗粒对地球环境和人类健康的不利影响已经引起了世界各国的极大重视，并相继出台了一系列的法律法规来控制碳烟颗粒的排放。而控制碳烟颗粒排放的基础是更深入地理解碳烟的生成和演化过程，从而探索更为行之有效的去除方法，指导实际的生产和应用。颗粒物排放控制形势紧迫、严峻。掌握燃烧源排放的碳烟颗粒特性将极大地改善我们对碳烟颗粒物的认知，有利于对颗粒物排放进行治理和控制。
在过去的几十年里相关学者在碳烟生成机理方面做了大量的研究[4,5,6]，对碳烟生成的各个阶段有了更为深入的认识。此外，火焰中碳烟形态演变和温度分布与碳纳米管和碳纳米纤维等新型功能材料的燃烧合成密切相关。因而，研究碳氢燃料扩散火焰中碳烟颗粒的微观形态和演变过程对于碳烟颗粒污染物的生成机理、减排控制及碳纳米材料的制备的研究具有重要意义。
本课题主要研究在不同的氧浓度下，异辛烷反扩散火焰生成碳烟颗粒的微观结构特性。异辛烷主要用途有测验定汽油抗爆性能、用于有机合成，用作溶剂及气相色谱的对比样品等。目前对异辛烷的使用以及研究在汽车燃油方面较多，但是对于研究异辛烷燃烧过程中产生的颗粒研究不多，所以研究异辛烷燃烧具有良好的前景，并且随着化石燃料的日渐枯竭以及随着环境污染的加重，对燃料的清洁燃烧提出了较高的要求，碳烟颗粒作为燃烧产生的污染物之一，我们需要对其微观特性及影响其特性的因素有清晰的认识，以便对异辛烷的大规模使用及清洁燃烧提供技术支持。本次课题实验的目的就是为了探究在不同氧浓度异辛烷反扩散火焰中碳烟颗粒的微观结构，为研究碳烟颗粒提供技术支持。
二、研究现状：
碳烟主要是由气态或者液态的碳氢化合物在氧化剂不足的条件下发生不完全燃烧或热裂解后产生出来的一种产物，其生成包括复杂的化学反应和物理演化过程[7,8]。到目前为止，碳烟的形成过程被广泛地认可为包含如下几个子过程：（1）燃料裂解，多环芳烃生成及生长；（2）碳烟颗粒成核；（3）核态碳烟通过表面反应增长；（4）碳烟颗粒团聚。碳烟颗粒的成核是指燃料裂解后的气态分子向固态颗粒的转变过程。碳烟颗粒的物理特性包括聚集态碳烟的微观形貌特性、基本碳烟颗粒的纳观结构特性、碳烟密度等[9]。
反扩散火焰是扩散火焰的一种，其特点在于燃料和氧化剂的相对位置与常规扩散火焰不同，在反扩散火焰中，氧化剂处于喷嘴的中心通道，而燃料处于喷嘴的环隙通道。反扩散火焰在操作安全、污染物排放水平以及火焰稳定性方面综合扩散火焰和预混火焰的优势。在生活、生产及航空航天中有着广泛的应用潜力，相比于常规扩散火焰，反扩散火焰特性的研究还比较少，其特性正日益受到人们的关注[10]。
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