周 瑩，白永輝，宋旭東*，姚 敏，王焦飛，蘇暐光，于廣鎖,2*

1. 寧夏大學省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，寧夏 銀川 750021 2. 華東理工大學潔凈煤技術(shù)研究所，上海 200237 3. 國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏 銀川 750011

引 言

烴類燃料是當前最為常見的一類燃料，是內(nèi)燃機、航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機等設備的主要動力來源。因此，為了更好地監(jiān)測烴類燃料燃燒效率，監(jiān)控烴類燃料燃燒對環(huán)境的污染，燃燒診斷技術(shù)的提高十分重要。

發(fā)展燃燒過程診斷和優(yōu)化診斷方法是燃燒工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一，燃燒診斷技術(shù)的提升可以更好地監(jiān)測不同燃料的燃燒效率、可靠性和靈活性。由于烴類燃料應用廣泛，科學家針對碳氫的燃燒過程和中間產(chǎn)物進行了詳細的化學動力學研究，并認為烴類化合物的燃燒過程極為復雜，尤其是碳氫在高溫下發(fā)生的化學反應，其燃燒過程的成分不斷變化。以甲烷(CH4)的燃燒過程為例，其燃燒過程中存在53種組分、352種基元反應，而且每種組分的產(chǎn)生及濃度變化都與燃燒時間以及該時刻的燃燒條件相關。烴類燃燒診斷方法包括傅立葉紅外光譜(FTIR)、激光誘導熒光技術(shù)(LIF)、相干反斯托克斯拉曼光譜(CARS)和可調(diào)諧激光吸收光譜(TLAS)技術(shù)等。由于激光診斷方法具有系統(tǒng)復雜、環(huán)境要求嚴格等特點，以上測量方法不能適應惡劣的燃燒環(huán)境[1]，基于化學發(fā)光的檢測方法越來越受到人們的重視。基于化學發(fā)光的檢測方法主要包括光纖光譜儀系統(tǒng)、高光譜成像技術(shù)等。光纖光譜儀系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同部位點的全光譜實時分析，實現(xiàn)火焰不同工況的實時監(jiān)測。高光譜成像技術(shù)可以提供包含空間信息和光譜信息的測量圖像。高光譜系統(tǒng)在對火焰的空間成像時，將每個空間像元經(jīng)色散形成數(shù)百個窄波段，以實現(xiàn)連續(xù)的光譜覆蓋，并且提升了圖像的空間分辨率。

火焰輻射光譜包含紫外、可見光和紅外波段。自由基輻射發(fā)光是火焰中反應產(chǎn)生的自由基非穩(wěn)態(tài)電子躍遷并發(fā)出特定波長光的現(xiàn)象，是一種自發(fā)輻射現(xiàn)象，也叫做化學發(fā)光，主要出現(xiàn)在紫外-可見光波段(UV-VIS)?；鹧鏈囟茸銐蚋邥r，金屬原子產(chǎn)生熱激發(fā)輻射和火焰中固體顆粒位于可見光-近紅外波段(VIS-IR)。化學發(fā)光出現(xiàn)在火焰反應區(qū)附近，它與當量比、速度和壓力等密切相關。因此，燃燒過程中火焰的自發(fā)輻射可以用來描述火焰的結(jié)構(gòu)和反應特性?；瘜W發(fā)光的檢測方法具有瞬時性、廉價性、非侵入性、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，被認為是工業(yè)火焰監(jiān)控的一種很好的替代方法。

1 化學發(fā)光反應機理

圖1 預混甲烷空氣火焰的OH*，CH*和激發(fā)態(tài)自由基發(fā)射光譜[2]

CH*自由基產(chǎn)生于火焰反應區(qū)的第一次急劇溫升區(qū)域。較短的壽命和低濃度的化學發(fā)光反應動力學使CH*自由基的研究成為一個活躍的研究領域，CH*主要分布在可見光波段，CH*是C2H與原子或分子氧反應的產(chǎn)物，反應產(chǎn)生CH*自由基以及CO或CO2分子。有研究認為R1是產(chǎn)生CH*的主要方式，但是這一論點被有些研究者質(zhì)疑。實驗表明，CH*由基態(tài)乙炔基(C2H)與O原子的反應形成。而甲烷-氫混合物進行的后續(xù)研究支持反應R1和R2作為1 200～2 300 K和0.6～2.2 atm條件下CH*形成路徑(見表1)。圖2(a,b)分別顯示了典型的甲烷和丙烷空氣火焰中CH*的主要產(chǎn)生/消失的路徑[3]。

表和形成的化學發(fā)光反應機理模型Table 1 Chemiluminescence reaction mechanism to model CH*，OH*， formation

圖2 CH*的主要反應速率分布[3](a)：甲烷-空氣火焰；(b)：丙烷-空氣火焰Fig.2 The major reactions for the production/consumption rate of CH*[3](a)：Methane-air flames；(b)：Propane-air flames

OH*主要分布在可見光波段，OH*化學發(fā)光機制包含22個反應，Dandy和Vosen假設激發(fā)態(tài)OH*自由基的產(chǎn)生主要是通過R6(見表1)。O2與CH反應生成OH*自由基和CO分子，Dandy和Vosen第一次模擬OH*化學發(fā)光的形成。實驗結(jié)果與貧氧預混甲烷空氣火焰實驗結(jié)果吻合較好，但未考慮CH*化學發(fā)光。Walsh等提出了一種既考慮OH*同時考慮CH*化學發(fā)光的機理，其計算結(jié)果表明，對于軸對稱的非預混火焰，計算值與所測得的OH*摩爾分數(shù)吻合較好。而通過測定CH4火焰的OH*化學發(fā)光強度隨當量比和壓力的變化，發(fā)現(xiàn)其與當量比成正比，與壓力成反比。

2 火焰光譜診斷技術(shù)的應用

多項研究工作證實，火焰中激發(fā)的化學自由基所發(fā)出的化學發(fā)光可應用于馬達發(fā)動機、內(nèi)燃機、燃燒彈、燃燒器、渦輪機和其他設施的燃燒診斷[9]。

研究人員使用自由基化學發(fā)光來研究燃燒特征。并采用確定熱釋放速率和當量比。這些自由基存在于高溫反應區(qū)，可以確定火焰的宏觀性質(zhì)，如火焰位置、火焰速度、當量比和熱釋放速率波動。在層流甲烷-空氣預混火焰中，這三種自由基的化學發(fā)光被廣泛研究。

2.1 對熱釋放速率的表征

圖3 預混CH4/O2/N2火焰OH，OH*，CH*，HCO，CH2O， OH×CH2O的摩爾比分布及放熱速率[10]

圖4 激發(fā)物種的峰值與熱釋放峰值位置之間的距離隨當量比的變化[11]

2.2 對當量比的表征

當量比是燃燒系統(tǒng)中關鍵的參數(shù)之一。對于預混火焰，氧氣和燃料通常在火焰前端部分預混[12]。在燃燒室內(nèi)測量空氣與燃料的預混度能夠判定反應位置。化學發(fā)光和當量比之間的關系不可忽略，這與溫度或成分等局部火焰特性的變化有關。所選擇的化學發(fā)光參數(shù)與當量比相關的標定曲線可用于在線火焰化學計量傳感器的研制，當量比對化學發(fā)光輻射的影響很大，當量比值變小，自由基化學發(fā)光的峰值減小[13]。

“金魚和人一樣，都是生命，不能剝奪它們看到真相世界的權(quán)利?！币缓己薏坏藐惽芭_立刻走人，便說：“萬物皆有靈，眾生且平等。人不喜歡一個環(huán)境，還可以離開，金魚就只能被動地接受人類強加給它們的環(huán)境。我看這樣吧，你去買一只方形魚缸回來，咱們直接把它換了?！?/p>

圖5 OH*, CH*和化學發(fā)光峰強度隨當量比的變化[14]

2.3 對溫度的表征

溫度是火焰最重要的物理參數(shù)之一，火焰溫度場對相關行業(yè)具有重要的指導意義。在火電廠和煉鋼廠中，準確的溫度場是節(jié)能減排和安全運行的基本因素之一[18]。在使用化學發(fā)光測量火焰溫度的過程中，由于火焰物理機制的復雜性和火焰的隨機性，燃燒火焰的建模和溫度場的重建成為一個難以解決的難題。有研究將非絕熱多孔燃燒器上的甲烷/空氣預混層流火焰的OH*和CH*化學發(fā)光信號與絕熱錐形火焰的化學發(fā)光信號進行了比較，并對反應物溫度的影響進行了表征，發(fā)現(xiàn)OH*和CH*化學發(fā)光強度與絕熱火焰和非絕熱火焰的燃燒溫度有關。

Marchese等分別運用實驗和模擬的方法確定火焰位置并進一步解構(gòu)微重力液滴火焰。模型和實驗結(jié)果表明，在正庚烷和甲醇火焰之間OH*的生成途徑有差異。對于正庚烷，OH*主要生成途徑是CH+O2→CO+OH*，而甲醇火焰產(chǎn)生的CH很少，OH*的生成主要是火焰內(nèi)部熱激發(fā)的結(jié)果，而不是特定的化學發(fā)光反應的結(jié)果。OH*化學發(fā)光強度峰值位置非常接近火焰溫度峰值位置，表明OH*成像可以很好地表征火焰高溫區(qū)域。

2.4 對推舉高度的表征

火焰的推舉行為有助于避免噴嘴出口處承受高溫，有助于提升噴嘴的工程價值。Kolb等研究了射流火焰的當量比(0.58～0.82)、預熱溫度(288～673 K)、流動火焰溫度(1 634～1 821 K)和動量比(6～210)對推舉火焰的影響，并運用OH*化學發(fā)光圖像確定了射流火焰的推舉高度?；瘜W發(fā)光圖像可以測量火焰的推舉高度及壓力對湍流非預混甲烷射流火焰推舉行為和穩(wěn)定性的影響。從化學發(fā)光的圖像中測量推舉高度，并利用PLIF-OH/PIV聯(lián)合成像技術(shù)提取穩(wěn)定機理信息。結(jié)果表明，推舉高度一般隨壓力的增加而增大，但壓力的影響取決于伴流速度的大小。通過測量甲烷-氧氣火焰在氧化劑O2/CO2比值和燃料雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)的影響表明，反應器尺寸、壁面溫度和輻射傳遞對甲烷-氧氣火焰的火焰長度和推舉特性有一定的影響。

2.5 基于圖像處理的火焰結(jié)構(gòu)表征

實現(xiàn)基于圖像處理的火焰結(jié)構(gòu)表征對于揭示火焰燃燒過程的規(guī)律有著重要的意義。火焰光譜診斷圖像處理技術(shù)的進步可以更加準確地表征不同工況下的火焰結(jié)構(gòu)和反應區(qū)。通過化學發(fā)光處理火焰圖像的方法主要包括：使用光電倍增管、光電二極管或光譜儀等進行圖像信息收集以及采用卡塞格倫光學成像技術(shù)、CCD相機和層析技術(shù)等更復雜的手段進行空間分辨解析。光譜成像是圖像處理研究領域中一種新的成像技術(shù)，其中光電倍增管是將光強度轉(zhuǎn)化為電信號進行直觀檢測，以往的研究利用光電倍增管收集圖像信息不常見，大多集中在溫度重建或?qū)游黾夹g(shù)。

圖6 拱式鍋爐的溫度可視化系統(tǒng)[15]Fig.6 The temperature visualization system in the arch-fired boiler[15]

圖7 三維溫度重建結(jié)果[15]Fig.7 Three-dimensional temperature reconstruction results[15]

3 現(xiàn)存問題分析和展望

近年來的科研實驗和實際運用中，火焰光譜診斷的應用范圍變得更加廣泛。在實際應用中，根據(jù)測量的要求，通過光學診斷可以發(fā)現(xiàn)自由基輻射的火焰成像等方面中存在一些不足：第一，化學發(fā)光會受到背景輻射的影響。即使在使用窄帶干涉濾光片時，對CH*化學發(fā)光的測量也會被環(huán)境中碳煙的黑體輻射遮蔽，從而影響自由基化學發(fā)光強度數(shù)值的準確性。第二，高光譜相機系統(tǒng)在拍攝過程中需要一定拍攝時間，無法反映實時火焰工況。

隨著對光譜診斷的研究逐步深入，對數(shù)據(jù)的準確性和精度需求越來越高，針對這一需求和當前存在的不足，未來光譜診斷的發(fā)展將會呈現(xiàn)以下趨勢：首先，需要更詳細的燃燒機理來提升火焰光譜診斷的準確性。第二，對于湍流火焰的關注較少，湍流燃燒系統(tǒng)十分復雜，相關參數(shù)的空間分布難以確定，因此湍流對局部燃燒的影響仍是一個尚未完全解決的問題。第三，非均相燃燒中，局部區(qū)域仍存在不均勻的碳煙對火焰圖像的準確性造成影響。第四，狀態(tài)觀測和性能評估是燃燒診斷的核心，探測系統(tǒng)必須在擁有足夠精度的同時，可以抵抗外界環(huán)境的干擾，提升攝像機和光譜儀的精度是未來發(fā)展方向之一。

4 結(jié) 論

在近幾年的科研和工業(yè)應用中，火焰光譜診斷的應用范圍變得更加廣泛。本文綜述了火焰光譜診斷技術(shù)的研究進展和發(fā)展趨勢；主要介紹了化學發(fā)光信號的產(chǎn)生機理、光譜診斷燃燒中間產(chǎn)物應用的發(fā)展現(xiàn)狀、基于自由基輻射的火焰成像，探討了自由基輻射的火焰成像等方面中存在一些不足，最后總結(jié)了未來光譜診斷的發(fā)展趨勢。

光譜在線監(jiān)測分析和圖像在線測量分析方法因其非接觸、快速、高時空分辨率、測量設備簡單等特點，在燃燒和流場在線測量診斷研究中具有明顯的優(yōu)勢，化學發(fā)光光譜和圖像在線測量方法及技術(shù)對于推動與燃燒和流動相關領域研究具有重要的科學發(fā)展意義和廣闊的工程應用前景。