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摘要

化石燃料燃烧过程中产生的碳烟颗粒物是大气细粒子(PM2.5)的主要来源, 这些大量产生的碳烟颗粒物也是影响燃烧效率的重要因素; 乙炔(C ₂H ₂)作为碳烟生成的重要前驱体, 在碳烟生成过程中起到关键作用; 因此, 发展能够同时对碳烟颗粒物及C ₂H ₂浓度进行在线测量的方法, 对于碳烟生成机理的研究具有重要意义. 本文选择中心波长1540 nm的可调谐二极管激光器作为光源, 利用多通吸收方式搭建探测系统, 在自行设计的气固两相高温静态池中使用C ₂H ₂-N ₂混合气体载带石英砂颗粒模拟颗粒物环境, 通过获取6490.02 cm ^–1处C ₂H ₂目标谱线附近的一段消光光谱信号, 并从中分别提取出与颗粒物有关的消光信号和与C ₂H ₂有关的吸收信号, 从而实现了对颗粒物质量浓度和气体体积浓度的同时测量. 测量结果表明, 在500—1000 K温度范围内颗粒物质量浓度和气体体积浓度的测量值与参考值之间的平均偏差分别为2.73%和5.17%, 说明了本技术对于气体与颗粒物同时测量的良好性能.

关键词:

Abstract

Soot particles from the combustion of hydrocarbon fuels are the main source of the air fine particles and they are also an important factor of reducing the combustion efficiency. As one of their major precursor, acetylene (C ₂H ₂) plays an important role in forming soot. So the simultaneous detecting of soot particle and C ₂H ₂is significant in studying the mechanism of the soot formation. In this work, a sensor for the simultaneous detecting of soot particle and C ₂H ₂is developed by using a single DFB diode laser with a wavelength near 1540 nm. The extinction spectrum near the proper C ₂H ₂line at 6490.02 cm ^–1is used to infer the mass concentration of particles and the C ₂H ₂concentration. The performance of the sensor is confirmed in a home-made heated static cell which can provide well controlled gaseous environment and particulate environment. The measured mass concentration of particles and the C ₂H ₂concentration are within 2.73% and 5.17% of the expected values over the full temperature range of 500–1000 K, respectively. All the measurements show the potential application of the sensor in the simultaneous detecting of soot particle and C ₂H ₂at elevated temperature.

Keywords:

tunable diode laser absorption spectrum/
extinction spectrum/
gas concentration/
particle mass concentration

作者及机构信息

通信作者:高光珍,ggz@jsnu.edu.cn; 蔡廷栋,caitingdong@126.com

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 61875079, 61805110, 61475068, 11104237)、江苏省重点研发计划(批准号: BE2021634)、徐州市推动科技创新项目重点研发计划(批准号: KC19202)和江苏省碳达峰碳中和科技创新专项(批准号: BE2022314)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Gao Guang-Zhen,ggz@jsnu.edu.cn; Cai Ting-Dong,caitingdong@126.com

Funds:Project supported by National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61875079, 61805110, 61475068, 11104237), the Science and Technology Support Program of Jiangsu Province (Grant No. BE2021634), the Science and Technology Program of Xuzhou City (Grant No. KC19202) and Jiangsu Province Carbon Peak Carbon Neutralization Technology Innovation Special (Grant No. BE2022314).

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