The physical characteristics of soot near the soot inception point were investigated with various measurements. In-situ measurements of particle size and volume fraction were introduced based on time resolved laser-induced incandescence (TIRE-LII) and laser-induced ion mobility (LIIM). The one has more convenience and accuracy than conventional LII technique and the other works best for particle sizes of a few nanometers at high concentrations in a uniform concentration field. A complementary ex-situ measurement of particle size is nano differential mobility analyzer (Nano-DMA), which recently developed for measuring particle sizes between 2nm and 100nm and provides high-resolution size information for early soot. Particles will be also collected on transmission electron microscope (TEM) grids using rapid thermophoretic sampling and analyzed for morphology. These measurements will allow fresh and original insight into the characterizing soot inception process. The measured physical properties of incipient soot will clarify the controlling growth mechanism combined with chemical ones, and the dominant mechanism for soot modeling can be deduced from the information.
The evolution of incipient soot particles has been examined by high resolution electron microscopy (HRTEM) and elemental analyzer in ethylene-air inverse diffusion flames. Laser Induced Incandescence(LII) and laser scattering methods were introduced for examining the soot volume fraction and morphological properties in combustion generated soot qualitatively. Soot particles, collected by thermophoretic sampling, were analyzed by using HRTEM to examine the nano structure of precursor particles. HRTEM micrographs apparently reveal a transformation of condensed phase of semitransparent tar-like material into precursor particles with relatively distinct boundary and crystalline which looks like regular layer structures. During this evolution histories, C/H analysis was also performed to estimate the chemical evolution of precursor particles. The changes of C/H ratio of soot particles with respect to residence time can be divided into two parts: one is a very slowly increasing regime where tar-like materials are transformed into precursor particles (inception process) the other is an increasing region with constant rate where surface growth affects the increase of C/H ratio dominantly (surface growth process). These results provide a clear picture of a transition to mature soot from precursor materials.
The evolution of incipient soot particles has been examined by high resolution electron microscopy (HRTEM) and elemental analyzer in ethylene-air inverse diffusion flames. Laser Induced Incandescence(LII) and laser scattering methods were introduced for examining the change of soot volume fraction and morphological properties in combustion generated soot qualitatively. Soot particles, collected by thermophoretic sampling were analyzed by using HRTEM to examine the nano structure of precursor particles. HRTEM micrographs apparently reveal a transformation of condensed phase of semitransparent tar-like material into precursor particles with relatively distinct boundary and crystalline which looks like regular layer structures. During this evolution histories C/H analysis was also performed to estimate the chemical evolution of precursor particles. The changes of C/H ratio of soot particles with respect to residence time can be divided into two parts: one is a very slowly increasing regime where tar-like materials are transformed into precursor particles (inception process) the other is an increasing region with constant rate where surface growth affects the increase of C/H ratio dominantly (surface growth region). These results provide a clear picture of a transition to mature soot from precursor materials.
Experimental measurements of flame structure and soot characteristics were performed fur ethene inverse diffusion flames (IDF). IDF has been considered as the excellent flow field to study the incipient soot because soot particle do not experience the oxidation process. In this study, LIF image clarified the reaction zone of IDF with OH signal and PAH distribution. laser light scattering technique also identified the being of soot particle. To address the degree of soot maturing, C/H ratio and morphology of soot sample were investigated. From these measurements, the effect of flow residence time and temperature on soot inception could be suggested, and more details on soot characteristic in the IDF was determined according to fuel dilution and flame condition. The fuel dilution results in a decrease of temperature and enhancement of residence time, but the critical dilution mole fraction is existed for temperature not to effect on soot growth. Also, the soot inception evolved on the specific temperature and its morphology are independent of the fuel dilution ratio of fuel.
Experimental measurements of flame structure and soot characteristics were performed for ethene inverse diffusion flames (IDF). IDF has been considered as the excellent flow field to study the incipient soot because soot particle do not experience the oxidation process. In this study, LIF image clarified the reaction zone of IDF with OH signal and PAH distribution. laser light scattering technique also identified the being of soot particle. To address the degree of soot maturing, C/H ratio and morphology of soot sample were investigated. From these measurements, the effect of flow residence time and temperature on soot inception could be suggested, and more details on soot characteristic in the IDF was determined according to fuel dilution and flame condition. The fuel dilution results in a decrease of temperature and enhancement of residence time, but the critical dilution mole fraction is existed for temperature not to effect on soot growth. Also, the soot inception evolved on the specific temperature and its morphology are independent of the fuel dilution ratio of fuel.
The characteristics of soot near the soot inception point for an ethene-air flame was carried out in a WSR (well-stirred reactor). The new sampling tool like the temperature controlled filter system was introduced to minimize the condensation during sampling. The new analysis tools applied include the real time size distribution analysis with the Nano-DMA, particle size by transmission electron microscopy, C/H analysis, g filter analysis, and thermogravimetric analysis using both non-oxidative and oxidative pyrolysis. The WSR can generate young soot particles that can be collected and examined to gain insight into inception. For the current conditions, soot does not form for ${\Phi}$=1.9, inception occurs at or before ${\Phi}$=2.0, and inception combined with soot surface growth and/or coagulation occurs for ${\Phi}$=2.1. The filter samples for ${\Phi}$=1.9 are composed of volatile compounds that evolve at relatively low temperatures when heated in the presence or absence of O$_2$. The samples collected from the WSR at ${\Phi}$=2.0 and ${\Phi}$=2.1 are precursor-like in morphology and size. They have higher C/H ratios and lower organic percentages than precursor particles, but they are clearly not fully carbonized soot. The WSR PAH distribution is similar to that in young soot from inverse flames.
The characteristics of soot near the soot inception point for an ethene-air flame was carried out in a WSR (well-stirred reactor). The new sampling tool like the temperature controlled filter system was introduced to minimize the condensation during sampling. The new analysis tools applied include the real time size distribution analysis with the Nano-DMA, particle size by transmission electron microscopy, C/H analysis, g filter analysis, and thermogravimetric analysis using both non-oxidative and oxidative pyrolysis. The WSR can generate young soot particles that can be collected and examined to gain insight into inception. For the current conditions, soot does not form for ${\Phi}=1.9$, inception occurs at or before ${\Phi}=2.0$, and inception combined with soot surface growth and/or coagulation occurs for ${\Phi=2.1}$. The filter samples for ${\Phi}$=1.9 are composed of volatile compounds that evolve at relatively low temperatures when heated in the presence or absence of $O_2$. The samples collected from the WSR at ${\Phi}=2.0$ and ${\Phi}=2.1$ are precursor-like in morphology and size. They have higher C/H ratios and lower organic percentages than precursor particles, but they are clearly not fully carbonized soot. The WSR PAH distribution is similar to that in young soot from inverse flames.
Experimental measurements of laser-induced ion mobility(LIIM) were performed for ethene/air premixed flames operated near the soot inception point. Soot was ionized using a pulsed laser operated at 532 nm. The ionization signal was collected with a tungsten electrode located in the post-flame region. ionization signals were collected using both a single electrode and dual electrode configuration. Prior LIIM studies have focused on the use of a single biased electrode to generate the electric field, with the burner head serving as the path to ground. In many practical combustion systems, a path to ground is not readily available. To apply the LIIM diagnostic to these geometries, a dual electrode geometry must be employed. The influence of electrode configuration, flame equivalence ratio, and flame height on ionization signal detection was determined. The efficacy of the LIIM diagnostic to detect soot inception in the post-flame region of a premixed flame using a dual electrode configuration was investigated. For the different dual electrode configurations tested, the dual parallel electrode geometry was observed to be most sensitive to detect the soot inception point in a premixed flame.
본 연구에서는 WSR에서 혼합기의 CO첨가 효과에 따른 매연의 생성특성을 규명하기 위하여 수치해석 연구를 수행하였다. 연료는 에틸렌을 사용하였으며, 산화제는 순수 공기를 이용하였다. 서로 다른 당량비 조건(${\phi}$=2.0, 2.5, 3.0)에서 CO의 농도를 변화시켜가며 매연 생성 특성을 조사하였다. 10 %의 CO 첨가 경우에는 가장 작은 양의 CO를 유입하는데도 불구하고, 배출되는 CO의 몰분율이 다른 당량비 경우에 비해서 최대값을 나타낸다. 이는 초기 매연이 생성되는 지점에서는 매우 적은량의 CO가 매연이나 다른 탄소화합물로 변화함을 의미한다. 매연부피분율은 CO의 첨가량이 증가함에 따라 감소되는데 매연생성에서 중요 화학종인 pyrene과 아세틸렌의 생성이 CO의 첨가에 의해 저하되기 때문이다. 또한 당량비가 2.5인 경우에 가장 많은 매연이 생성됨을 확인 할 수 있는데, 이는 연료과잉조건과 연소온도의 적절한 기여로서 설명되어 질 수 있다. 또한, 표면성장율과 중요 화학종의 농도는 매연생성에 대한 HACA(hydrogen abstraction and carbon addition)기구를 정당화한다.
The use of electromagnetic wave has been interested in various energy industry because it enhances a flame stability and provides higher safety environments. However it might increase the pollutant emissions such as NOx and soot, and have harmful influence on human and environments. Therefore, it is very important to understand interaction mechanism between flame and electromagnetic wave from environmental point of view. In this study, an experiment was performed with jet diffusion flames induced by electromagnetic wave. Microwave was used as representative electromagnetic wave and a flickering flame was introduced to simulate the more similar combustion condition to industry. The results show that the induced microwave enhances the flame stability and blowout limit. The unstable lifted flickering flames under low fuel/oxidizer velocity is changed to stable attached flames or lift-off flames when microwave applied to the flames, which results from the abundance of radical pool. However, NOx emission was increased monotonically with increasing the microwave power as microwave power increased up to 1.0 kW. The effects might be attributed to the heating of combustion field and thermal NOx mechanism will be prevailed. Soot particle was examined at the post flame region by TEM grid. The morphology of soot particle sampled in the microwave induced flames was similar to the incipient soot that is not agglomerated and contain a lots of liquid phase hydrocarbon such as PAH, which soot particle formed near reaction zone is oxidized on the extended yellow flame region and hence only unburned young particles are emitted on the post flame region.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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