《碳氢燃料燃烧过程中碳烟生成与调控》针对碳烟的生成与调控，主要介绍碳氢燃料燃烧过程中碳烟测量 与模拟方法，着重探讨从气体碳氢燃料（甲烷、乙烯)到液体燃料（汽油替代燃料）层流扩散燃烧过程中碳烟的生成特性，并介绍碳氢燃料燃烧过程中碳烟生成数值模拟研究，最后阐述碳氢燃料燃烧过程中碳纳米管的调控及应用。
　　《碳氢燃料燃烧过程中碳烟生成与调控》可供碳氢研究领域的专家、相关专业研究生阅读参考。

前言 1

第1章 绪论 1
1.1 能源与环境问题 1
1.2 碳烟的两面性 2
1.3 碳烟生成研究 3
1.3.1 碳烟生成机理 3
1.3.2 基础燃料火焰中碳烟的生成研究 5
1.4 碳烟颗粒的结构特性 6
1.5 碳纳米管简介 7
1.5.1 碳纳米管性质 8
1.5.2 碳纳米管制备 9
1.5.3 碳纳米管生长机理 11

第2章 碳烟测量与模拟方法 15
2.1 常用实验装置 15
2.1.1 燃烧系统 15
2.1.2 燃料雾化系统 17
2.1.3 图像及温度采集系统 19
2.1.4 SiC采样装置 19
2.1.5 热泳探针采样装置 21
2.1.6 毛细管稀释采样 22
2.2 碳烟分析装置 23
2.2.1 扫描电镜装置 23
2.2.2 透射电镜装置 24
2.2.3 图像处理方法 24
2.2.4 碳烟石墨化程度、官能团以及氧化活性分析 25
2.3 数值模拟方法 27

第3章 氧浓度对气体小分子燃料层流扩散火焰中碳烟生成特性影响研究 32
3.1 实验工况 32
3.2 富氧气氛下火焰形态 33
3.3 氧浓度对甲烷、乙烯火焰温度的影响 36
3.3.1 氧浓度对甲烷温度的影响 36
3.3.2 氧浓度对乙烯温度的影响 39
3.4 氧浓度对碳烟沉积形貌的影响 43
3.4.1 氧浓度对甲烷火焰径向位置碳烟沉积形貌演变的影响 43
3.4.2 氧浓度对甲烷火焰轴向位置碳烟沉积形貌演变的影响 47
3.4.3 氧浓度对乙烯火焰径向位置碳烟沉积形貌演变的影响 49
3.4.4 氧浓度对乙烯火焰轴向位置碳烟沉积形貌演变的影响 54
3.5 氧浓度对碳烟粒径分布的影响 56
3.5.1 氧浓度对甲烷火焰中碳烟粒径分布的影响 56
3.5.2 氧浓度对乙烯火焰中碳烟粒径分布的影响 61
3.5.3 氧浓度对甲烷、乙烯火焰中碳烟粒径分布的影响对比 65
3.5.4 相同氧浓度下不同高度对甲烷－乙烯火焰中碳烟粒径分布的影响对比 67

第4章 氨气掺混对乙烯层流扩散火焰中碳烟生成特性影响研究 74
4.1 实验工况 74
4.2 空气预热条件下氨气掺混对乙烯层流扩散火焰中温度的影响 76
4.3 空气预热条件下氨气掺混对碳烟沉积形貌的影响 80
4.4 空气预热条件下氨气掺混对乙烯火焰中碳烟粒径的影响 83
4.4.1 空气预热条件对乙烯火焰中碳烟粒径的影响 83
4.4.2 氨气掺混20%时预热空气对碳烟颗粒的分布和粒径大小的影响 85
4.4.3 氨气掺混和预热空气对碳烟颗粒的分布和粒径大小的影响 87
4.5 空气预热条件下氨气掺混对碳烟纳米结构的影响 89
4.6 碳烟石墨化程度、官能团以及氧化活性分析 95
4.6.1 一阶拉曼光谱 95
4.6.2 不同工况下碳烟颗粒的有序化演变规律 97
4.6.3 氨气掺混对乙烯火焰中碳烟官能团组成的影响 98
4.6.4 预热空气温度对乙烯火焰中碳烟官能团组成的影响 101
4.6.5 氨气掺混对乙烯火焰中碳烟氧化活性的影响 102
4.6.6 预热空气温度对碳烟氧化活性的影响 104

第5章 甲苯掺混对汽油替代燃料层流扩散火焰中碳烟生成特性研究 109
5.1 火焰形态及温度 109
5.1.1 甲苯掺混对火焰形态及温度的影响 109
5.1.2 载气对火焰形态及温度的影响 113
5.2 碳烟沉积形貌 116
5.2.1 甲苯掺混对正庚烷火焰中碳烟沉积形貌的影响 116
5.2.2 甲苯掺混对异辛烷火焰中碳烟沉积形貌的影响 120
5.2.3 载气稀释对异辛烷火焰中碳烟沉积形貌的影响 120
5.3 碳烟初级颗粒粒径分布 121
5.3.1 甲苯掺混对正庚烷火焰中碳烟粒径分布的影响 121
5.3.2 甲苯掺混对异辛烷火焰中碳烟粒径分布的影响 126
5.3.3 载气稀释对异辛烷火焰中碳烟粒径分布的影响 128
5.4 纳观结构 130
5.4.1 甲苯掺混对正庚烷火焰中碳烟纳观结构的影响 130
5.4.2 甲苯掺混对异辛烷火焰碳烟颗粒的纳观结构的影响 132
5.5 碳烟颗粒物理化学分析 136
5.5.1 石墨化程度 136
5.5.2 官能团 139
5.5.3 氧化程度 141
5.5.4 腐蚀坑氧化活性 145

第6章 含氧官能团对层流扩散火焰中碳烟生成特性影响的研究 151
6.1 实验工况 152
6.2 火焰形态及火焰温度 153
6.3 碳烟沉积形貌 154
6.3.1 基础工况碳烟的沉积物形貌演变 155
6.3.2 含氧燃料对碳烟的沉积物形貌演变的影响 156
6.3.3 特殊碳烟沉积物形态特征 158
6.3.4 特殊结构形成假设模型 162
6.4 碳烟初级颗粒尺寸及纳观形貌 163
6.4.1 含氧官能团种类对碳烟粒径分布的影响 163
6.4.2 含氧官能团种类对碳烟纳米结构的影响 168
6.5 碳烟样品物理化学分析 170
6.5.1 碳烟样品石墨化程度分析 170
6.5.2 不同燃料碳烟的官能团结构分析 174
6.5.3 碳烟样品氧化性质分析 179

第7章 碳烟生成的数值模拟研究 187
7.1 层流乙烯－空气扩散火焰中压力和二氧化碳稀释对碳烟生成影响的数值研究 187
7.1.1 数值模型及求解方式 188
7.1.2 模型验证 189
7.1.3 压力对火焰形状、温度和碳烟生成的影响 191
7.1.4 不同压力下二氧化碳稀释对火焰温度和碳烟体积分数的影响 195
7.2 高压条件下掺氢对甲烷－正庚烷层流扩散火焰碳烟生成的影响 203
7.2.1 数值方法 204
7.2.2 结果与讨论 205
7.2.3 火焰形状与温度 205
7.2.4 碳烟体积分数分布 206
7.2.5 氢气对温度和碳烟体积分数的影响 208

第8章 碳氢燃料燃烧过程中碳纳米管调控及应用 223
8.1 催化剂制备 223
8.2 基板对扩散火焰中碳纳米管合成的影响 224
8.2.1 甲烷扩散火焰温度分布 224
8.2.2 铜基板上碳纳米材料表征 224
8.2.3 镍铬基板上碳纳米材料表征 227
8.2.4 泡沫镍上碳纳米材料表征 228
8.2.5 不同基体作用效果分析 230
8.3 氨气掺混对乙烯扩散火焰中氮掺杂碳纳米材料合成的影响 233
8.3.1 碳纳米材料合成及粒径 234
8.3.2 氮掺杂碳纳米材料表征 235
8.4 燃料结构对扩散火焰中碳纳米管合成的影响 240

“有鸟若鸹，啄树则灿然火出。圣人感焉，因用小枝钻火，号燧人。”自燧人氏钻木取火开始，到燃烧产生蒸汽动力，再到火力发电，人类对火焰的利用已有了上万年的历史。而今，从火焰中获得能量仍然是人们获取能源的主要方式，但同时也会带来一系列排放问题。随着能源需求日益增加，环境保护与能源短缺之间的矛盾逐渐凸显。
　　党的二十届三中全会提出，中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化。因此在能源利用过程中，提高燃烧效率、降低燃烧排放、获得更高的动力需求以及寻找新的能源是促进社会进步、推动学科发展的前沿问题。碳烟是碳氢燃料不完全燃烧生成的产物，是降低燃烧排放的重点目标，作为超细颗粒物的重要组成部分，碳烟通常具有非常小的粒径（<1μm）和较大的比表面积，因此容易富含有害物质，会污染环境和危害人类健康。更重要的是研究证实，碳烟也是一种重要的温室物质。是全球气候变暖的第二大影响因素仅次于众所周知的CO2。
　　古话说：“若能钻木取火，淤泥定生红莲。”人只有经过层层磨炼，才能实现社会价值。科研也是如此，深耕之后，才出真知灼见。笔者自2012年博士毕业后进入安徽工业大学工作以来，一直从事碳烟生成与调控方面的研究工作。先后在Combustion and Flame、Fuel、Energy等权威期刊上发表SCI论文50余篇，主持国家自然科学基金项目5项、安徽省杰出青年基金项目以及其他省级课题5项，指导硕士研究生7位、本科生10位，指导学生获得科技竞赛全国一等奖2项、二等奖1项以及三等奖2项。经年已久，在揭示碳烟生成规律、阐明碳纳米管调控生长机制以及明晰燃料掺混相互作用特性方面已经积累了一些材料，有必要进行梳理总结，向各位同行汇报一下，这才写出了这本专著。
　　本书为笔者2013－2024年间工作的总结，全书共分为8章。第1章主要介绍碳烟生成调控研究碳纳米管火焰合成法的背景与意义；第2章主要介绍后续各章将要使用的碳烟实验测量与计算模拟的设备与方法，以及基本的数据处理过程；第3章第4章主要介绍氧浓度、氨气与预热空气温度对气态小分子燃料火焰中碳烟生成特性的影响；第5章、第6章主要介绍甲苯、含氧燃料对液态燃料火焰中碳烟生成特性的影响；第7章主要介绍碳烟生成的数值模拟研究；第8章主要介绍碳纳米管的火焰法制备、调控以及应用。
　　特别感谢国家自然科学基金项目（No.52476096、52176095、51827808，51676002，51306001）的资助和安徽省杰出青年基金项目（No.2008085J25）的支持；感谢韩伟伟傅士、曹文健硕士、牙宇晨硕士、聂晓康硕士和齐家威硕士对本书的编写和制版作出的贡献；同时感谢参与本书资料整理的董文龙洪润、姚锦芳、杨宇航、王东洋、周辉等人。
　　由于笔者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。
　　楚化强