In situ measurements of soot formation in a burnt-gas flow reactor
Abstract This thesis presents an experimental approach to investigate the growth of carbon particles and the mechanism of soot formation under pyrolysis conditions at atmospheric pressure by using a burner configuration of two co-annular flows called burnt-gas flow reactor (BGFR). In the present BGFR measurements, acetylene (C2H2) was used as a soot precursor. Mixtures of C2H2 diluted in nitrogen (N2) were fed through a 10 mm nozzle tube into hot post flame gases of fuel-rich ethylene (C2H4) /air flame, which provides the required heat for the pyrolysis of the soot precursor. Two-color time-resolved laser-induced incandescence (TiRe-LII) was used as a non-intrusive measurement technique to monitor the formation of soot particles during the BGFR pyrolysis experiments. Using a Gülder burner, the LII setup was validated. The TiRe-LII technique was applied to investigate the increase of soot particle size (dp) and soot volume fractions (fV) quantitatively. Qualitative investigations also conducted using the LII-imaging technique on the effect of applying different inner and outer flow conditions on measured LII signal. Gas temperature was also measured using the generalized line - reverse method to characterize the pyrolysis gas flows. LII "benchmark" measurements with N2:C2H2 gas flows pave the way for testing the impacts of a fuel additive. The effect of H2 as a fuel additive was measured and the influence of CH4 as part of a binary fuel mixture on the growth of carbonaceous particles with the same burner configuration. Measured particle sizes from TiRe-LII measurements were compared with particle sizes obtained from transmission electronic microscopy (TEM) images for further validation of LII measurement findings. Soot particles were collected on TEM grids by thermophoresis. For gas-phase temperature measurements in the unburned zone of the BGFR, a nitrogen flow was seeded with toluene and the possibility of using toluene LIF for imaging thermometry was tested. The experiments showed a soot-inhibiting impact of H2 and this finding agrees well with observations reported in previous flame and shock-tube experiments, which also addressed the influence of H2 on soot formation. Regarding CH4 addition, soot-promoting and sootinhibiting effects were observed. The BGFR measurements, in which CH4 to C2H2:N2 flows V were added, show a qualitative agreement with plug-flow reactor simulations, which were performed to get a better insight into chemical reaction pathways leading to soot particle formation under pyrolysis conditions. Also, the plug-flow reactor simulations suggest that CH4 can have both soot formation promoting and reducing influence, depending on the mixing ratio between C2H2 and CH4
Zusammenfassung In dieser Arbeit wird ein experimenteller Ansatz zur Untersuchung des Wachstums von Kohlenstoffpartikeln und des Mechanismus der Rußbildung unter Pyrolysebedingungen bei Atmosphärendruck vorgestellt, wobei eine Brennerkonfiguration mit zwei gleichgerichteten Strömungen verwendet wird, die als „Burnt-gas flow reactor” (BGFR) bezeichnet wird. Bei den vorliegenden BGFR-Messungen wurde Acetylen als Rußvorläufer verwendet. Gasgemische aus C2H2, verdünnt in Stickstoff (N2), wurden in die heißen Flammengase ein brennstoffreiches Ethen/Luft-Flamme eingedüst, die die erforderliche Wärme für die Pyrolyse des Rußvorläufers liefert. Zeitaufgelöste Messungen mit laserinduzierter-Inkandeszenz (TiRe-LII) wurde verwendet, um die Bildung von Rußpartikeln während der BGFR-Pyrolyse-Experimente zu messen. Unter Verwendung eines Gülder-Brenners wurde der LII-Aufbau validiert. Die TiRe-LII-Technik wurde eingesetzt, um die Zunahme der Rußpartikelgröße (dp) und der Rußvolumenbrüche (fV) quantitativ zu untersuchen. Qualitative Untersuchungen wurden auch mit der LII-Bildgebungstechnik durchgeführt, um die Auswirkung der Anwendung unterschiedlicher innerer und äußerer Strömungsbedingungen auf das gemessene LII-Signal zu untersuchen. Zur Charakterisierung der Pyrolysegasströme wurde auch die Gastemperatur mit einer AbsorptionsEmissions-Methode gemessen. LII-„Benchmark“-Messungen mit N2:C2H2-Gasströmen wurden als Basis für die Untersuchung des Einflusses eines Brennstoffadditivs herangezogen. Gemessen wurde der Einfluss von H2 als Brennstoffzusatz und der Einfluss von CH4 als Teil eines binären Brennstoffgemisches auf das Wachstum von kohlenstoffhaltigen Partikeln bei gleicher Brennerkonfiguration. Gemessene Partikelgrößen aus TiRe-LII-Messungen wurden mit Partikelgrößen verglichen, die aus Aufnahmen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) gewonnen wurden, um die Ergebnisse der LII-Messungen zu bestätigen. Ruß wurden durch Thermophorese auf TEM-Gittern gesammelt. Für Gasphasen-Temperaturmessungen in der unverbrannten Zone des BGFR wurde ein Stickstoffstrom mit Toluol versetzt und die Möglichkeit der Verwendung von Toluol-LIF (Laserinduzierte Fluoreszenz) für die bildgebende Thermometrie getestet. VII Die Experimente zeigen eine rußhemmende Wirkung von H2 und dieses Ergebnis stimmt gut mit Ergebnissen überein, die in früheren Studien mit Flammen und Stoßwellenrohren berichtet wurden, in denen ebenfalls der Einfluss von H2 auf die Rußbildung untersucht wurde. Hinsichtlich der CH4-Zugabe wurden sowohl rußfördernde als auch rußhemmende Effekte beobachtet. Die BGFR-Messungen, bei denen CH4 zu C2H2:N2-Strömen zugegeben wurde, zeigen eine qualitative Übereinstimmung mit Plug-Flow-Reaktor-Simulationen, die durchgeführt wurden, um einen besseren Einblick in chemische Reaktionswege zu erhalten, die zur Rußpartikelbildung unter Pyrolysebedingungen führen. Außerdem deuten die Plug-Flow-Reaktor-Simulationen darauf hin, dass CH4 sowohl einen rußfördernden als auch einen rußreduzierenden Einfluss haben kann, abhängig vom Mischungsverhältnis zwischen C2H2 und CH4.