1 国网河北能源技术服务有限公司, 河北 石家庄 050021
2 华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室, 湖北 武汉 430074
辐射是各种燃烧过程中热传递的主要方式。 在不同的火焰中, 辐射光谱分布十分复杂。 在这项工作中, 利用光谱仪测量了可见光(200~900 nm), 近红外(900~1 700 nm)和中红外(2 500~5 000 nm)波段火焰的光谱强度, 分析了空气和富氧气氛下扩散火焰的光谱特征。 并基于光谱分析, 定量得到了火焰中碳烟以及气体发射的辐射力, 计算了火焰的温度分布。 结果表明, 空气燃烧中的火焰温度低于富氧燃烧中的火焰温度。 在空气气氛下, 火焰中的碳烟和气体均对中的热辐射起着重要作用。 而在富氧气氛下, 气体对于火焰热辐射更为重要。 在可见光和近红外波段, 由于在空气气氛下火焰中碳烟的大量形成, 光谱曲线显示出了良好连续性。 而富氧气氛下火焰的辐射光谱降低。 在中红外波段, 空气气氛下火焰的气体辐射明显弱于富氧气氛下火焰的气体辐射。
富氧燃烧 热辐射 测量 扩散火焰 光谱分析 Oxy-combustion Thermal radiation Measurement Diffusion flames Spectral analysis 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1654
国防科技大学空天科学学院, 湖南 长沙 410073
激发态粒子是化学反应过程的天然示踪剂, 当前激发态粒子研究主要都是在一维简单火焰下进行。 为了考察复杂情况下激发态分布对化学反应热的定量表征规律, 进行了甲烷/空气同轴射流扩散火焰的试验, 开展了甲烷/空气详细燃烧机理与激发态燃烧机理的同轴射流预混火焰和扩散火焰的数值模拟, 分析了OH*和CH*的分布特性, 研究了激发态对反应热的表征关系。 结果表明: 通过试验ICCD相机和相应滤光片获取的OH*和CH*的化学发光图像和数值模拟中OH*和CH*摩尔分数分布的模拟结果吻合, OH*分布主要分为三个燃烧区域, CH*分布主要为两个燃烧区域。 扩散火焰中OH*和CH*分布呈现单峰, 反应热呈现双峰现象, 反应热与激发态变化趋势相似, 达到第一峰值后激发态逐渐减小为零, 而反应热达到第一峰值后先降低再缓慢上升到第二峰值, 最后减小至零。 扩散火焰中沿轴向方向, 当C2H+O=CH*+CO(R12)反应速率达到峰值时, 反应热达到第一波峰; H+O+M=OH*+M(R2)反应速率达到峰值时, 反应热达到第二波峰。 预混火焰中随着局部当量比的增加, OH*和CH*的摩尔分数明显增大, 分布区域更广; 反应热和激发态粒子OH*和CH*的分布趋势一样, 在激发态粒子OH*和CH*质量分数增大时, 反应热也增大, 当激发态粒子OH*和CH*的质量分数达到峰值的时候, 反应热也达到峰值; 沿轴向方向, OH*和CH*的四个生成反应速率的峰值都在同一位置, 反应热也达到最大值, CH+O2=OH*+CO(R1)和C2H+O=CH*+CO(R12)反应速率相比H+O+M=OH*+M(R2)和C2H+O2=CH*+CO2(R11)反应速率更快。
激发态粒子 反应热 扩散火焰 预混火焰 Excited particle Reaction heat Diffusion flame Premixed flame 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1703
1 华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室, 上海 200237
2 宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室, 宁夏 银川 750021
火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、 温度分布等燃烧特征参数密切相关。 对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究, 可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。 基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台, 利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜, 对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。 考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。 结果表明, 柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰, 在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰, 且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm), K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。 此外, 由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑, 在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。 火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰, 且当量比越低时背景辐射越强, 对自由基特征峰检测干扰越大。 基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。 柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小, CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、 双峰状及单峰状, 最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。 随着当量比的提高, 出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低, 火焰主反应区面积减小且向下游移动, 当量比增加到1.0附近时, 理论上柴油完全燃烧, CH*辐射强度显著降低, 贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。 利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度, 对于单喷嘴射流火焰, 火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。 相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值; 火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。 火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动, 燃烧更加稳定。 这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、 有效的方法, 同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。
光谱辐射 气流床气化炉 扩散火焰 撞击火焰 燃烧诊断 Spectral radiation Entrained-flow gasifier Diffusion flame Impinging flame Combustion diagnosis 光谱学与光谱分析
2019, 39(10): 3142
上海理工大学能源与动力工程学院上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
基于激光诱导炽光(LII)法和光腔衰荡光谱(CRDS)技术,搭建了用于研究火焰碳烟颗粒的测量平台,并对其性能参数进行了表征。碳烟颗粒路径积分衰减系数测量结果表明,双色LII测试系统和CRDS系统相互独立。同时运行双色LII和CRDS系统,测量得到的路径积分衰减系数随着火焰高度的增加先增大后减小,两个系统的测量结果具有较好的相关性。通过优化拟合模型及去除系统噪音,获得了较好的光腔衰荡信号拟合结果。
测量 激光诱导炽光法 光腔衰荡光谱技术 碳烟颗粒 扩散火焰 燃烧
华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室, 上海 200237
OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一, 它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、 拉伸率、 氧燃当量比和热释放速率等特征信息, 因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。 以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象, 采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算, 对OH*自由基的二维分布特性进行研究, 分析不同区域内OH*自由基的生成路径, 并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。 模拟结果与实验研究基本吻合, 表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。 结果表明: 在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中, OH*自由基存在两种不同形态的分布区域, 分别由反应CH+O2=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成; 随着氧燃当量比提高, OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张, 根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断; 如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态, 则说明火焰处于贫氧燃烧状态。 如果OH*分布呈环状形态, 则说明火焰处于富氧燃烧状态; 相同氧气流量条件下, 缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度, 从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高, 增强OH*化学发光的辐射强度, 提高火焰光谱诊断的准确性。
甲烷 扩散火焰 OH*自由基 数值模拟 Methane Diffusion flame OH* radicals Numerical simulation
为了研究扩散火焰空间分布特性, 采用具有空间分辨能力的激光诱导击穿光谱技术对甲烷/空气本生灯扩散火焰进行了实验研究, 得到了不同流量(0.100L/min,0.120L/min)、不同高度(7mm,9mm,11mm)的火焰以及中心轴线上的击穿阈值、等离子体能量、光谱强度比等相关参量的分布情况。结果表明, 等离子体能量可以用来定性描述扩散火焰温度空间变化规律, 结合分析等离子体能量和H/O谱线强度比的分布情况可确定扩散火焰不同高度上火焰前沿的位置以及第二燃烧区域的宽度;根据相关实验点近似得到H/O谱线强度比与火焰局部当量比线性关系式, 可得到不同流量条件下扩散火焰轴向当量比分布情况以及火焰长度。此研究结果对于激光诱导击穿光谱技术应用于燃烧诊断方面具有重要意义。
光谱学 空间分布 激光诱导击穿光谱 层流扩散火焰 spectroscopy spatial distribution laser-induced breakdown spectroscopy laminar diffusion flame
华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室, 上海 200237
火焰的辐射光谱可为燃烧诊断提供诸多信息, 因此目前对简单的气态火焰自由基辐射特性已进行了大量研究, 而关于非均相火焰的辐射光谱特性研究则相对较少。 采用改进的热氧喷嘴技术在敞开空间下直接点燃水煤浆, 并利用光纤光谱仪和紫外成像系统, 着重对甲烷和水煤浆火焰的辐射光谱及OH*的二维分布特性进行研究。 结果表明: 与甲烷火焰的光谱辐射相比, 水煤浆火焰不仅存在OH*, CH*和C2*特征辐射, 还产生了Na*, Li*, K*和H*的发射谱线, 并出现了连续的黑体辐射, 这些光谱辐射特征可作为水煤浆气化或燃烧的标志, 也可作为水煤浆是否点燃的判据; 通入水煤浆后, OH*强度明显下降, 而CH*和C2*强度增大。 对比甲烷火焰OH*二维分布, 水煤浆火焰OH*峰值强度明显下降, 化学反应区域面积显著减小; 沿着火焰传播方向, 甲烷和水煤浆火焰轴向的OH*强度均呈先增大后减小的趋势; 甲烷火焰径向的OH*在反应核心区出现了双峰形态分布, 而水煤浆火焰OH*径向始终呈单峰分布。 随着氧碳当量比增大, 水煤浆火焰OH*的存在范围扩大, 说明氧气的增加促进了OH*的产生; 随水煤浆流量提高, OH*的反应核心区域缩小, 峰值强度明显下降, CH*, C2*, Na*, Li*, K*和H*的强度显著增强, 连续的黑体辐射强度也明显增大, 这些辐射光谱的变化可用于表征操作负荷的变化。
光谱辐射 热氧喷嘴 水煤浆 甲烷 扩散火焰 Spectral radiation Hot oxygen burner Coal water slurry Methane Diffusion flame 光谱学与光谱分析
2016, 36(10): 3127
