92號汽油燃燒初期火焰光譜特征研究

張霖 蔣新生 徐建楠 李靜野 趙亞東

摘? ? ? 要： 為豐富油料火災探測機理研究，自主搭建油料燃燒模擬實驗臺架，排除自然光線背景光譜等的影響后，使用光譜測量裝置對油池中92號汽油燃燒火焰發射光譜數據進行采集，得到92號汽油燃燒初期火焰光譜。對92號汽油燃燒發射光譜進行頻域分析、時域分析以及特征參數分析，得出其燃燒火焰發射光譜的相關性質：在380～780 nm可見光波段，光譜強度較強，隨反應的進行強度逐漸增大，隨波長增大強度呈上升趨勢，存在較多明顯的特征譜峰，可以作為粗略檢測92號汽油燃燒火焰輻射強度的特征區域。200～1 100 nm的整個波段內，初步可將光譜強度相對較大、特征峰值較易辨識的431、512、516、547、589、766、769、928、933 nm作為92號汽油燃燒火焰識別的標志波長。

關? 鍵? 詞：汽油;火焰;燃燒初期;光譜特征

中圖分類號：O 657.3? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2177-06

Abstract： In order to enrich the mechanism research of oil fire detection， the oil combustion simulation experiment bench was built independently in this paper. After the influence of natural light background spectrum was excluded， the spectral measurement device was used to collect the flame emission spectrum data of No. 92 gasoline in the oil pool， and the initial flame spectrum of No. 92 gasoline was collected. In the 380-780 nm visible band， the intensity of the spectrum was relatively strong. As the reaction proceeded， the intensity gradually increased， and the intensity also increased as the wavelength increased. The spectral intensity took up the main part of the flame spectral radiation， and there were many obvious characteristic peaks， which was used as a characteristic area for roughly detecting the flame radiation intensity of No.92 gasoline. In combination with the radiation energy and time domain analysis in the spectral band， it was pointed out that the development stage of flame spectra radiation was mainly the process of pyrolysis and oxidation of small molecule hydrocarbon. In the whole band of 200～1 100 nm， 431， 512， 516， 547， 589， 766， 769， 928 and 933 nm with relatively large spectral intensity and relatively easy identification of characteristic peak value can be preliminarily used as the signal wavelength of flame recognition for No. 92 gasoline combustion.

Key words： Gasoline; Flame; Initial combustion; Spectral characteristics

自從石油工業建立以來，國內外發生的油料火災安全事故數不勝數。近40年來發生的油料安全事故，著火爆炸類事故占比達到了42.4%，有1 300多人在該類事故中傷亡，占總傷亡人數的84.9%，并造成巨大的經濟損失以及環境影響[1]。火災初期火焰燃燒范圍不大，發展的速度較慢，發展過程中火勢不穩定，此階段是滅火的最佳時機。油料火焰光譜以光速傳播，在紅紫外區的抗干擾能力強，識別準確率高，能夠滿足油料火災快速準確識別的要求。

近年來，大量的國內外專家學者利用火焰發射光譜對燃燒產物分析、燃燒過程監控、以及光譜測溫技術等進行了一系列的研究。Yasuhisa Ichikawa[2]等比較了同樣實驗條件下的CO/H2/CO2/空氣預混氣體和甲烷/空氣預混氣體的燃燒情況，分析了火焰結構和燃燒速度，比較了火焰的光譜輻射特性。季明彬[3]將火焰光譜分析得出的溫度及黑度應用于燃燒診斷。亞云啟[4]等使用便攜式光纖光譜儀測量了垃圾焚燒爐內的垃圾燃燒光譜，并使用新的算法進行了燃燒分析診斷。肖開泰[5]基于光譜氣體檢測技術開發了井下光譜多參數分析系統，可以監測毒害氣體、預警煤礦火災。敖文[6]使用光纖光譜儀和高速攝影儀對硼粉燃燒火焰形態及光譜進行了采集及分析。李孝斌[7]等通過分析小尺度實驗測得的甲烷爆炸感應期內CN、CH、CHO、CH2O、NCN等含單C自由基特征光譜，為可燃氣體爆炸感應期監測預警打下了基礎。劉奎[8]等進行小尺寸實驗，通過分析體積分數10%的甲烷爆炸火焰光譜，總結了分析方法。王寶璐[9]等研究了層流甲烷/空氣反擴散火焰中的激發態自由基OH和CH的光譜特征。劉洪濤[10]等在開闊環境下測量了不同可燃物燃燒火焰光譜，并通過小波分解對其進行了分析研究。楊劍[11]分析了甲烷擴散火焰與超細粉體抑爆劑相互作用下的燃燒狀態及輻射光譜。綜上所述，目前關于火焰光譜的研究多是利用其光譜特性研究可燃物的成分，達到識別燃料種類、監測診斷燃燒火焰狀態的目的，且在煤礦瓦斯、環保等方面研究較多，對油料火災初期火焰燃燒光譜特征關注較少，將其應用于油料火災初期智能識別的相關研究也較為缺乏。

為進一步研究油料火災的探測手段、滅火方法和發展規律，為油料火災的智能識別及自動跟蹤滅火提供一定的理論依據，本文將利用搭建的油料燃燒模擬實驗系統，分析92號汽油燃燒初期火焰光譜數據，找出92號汽油燃燒初期火焰光譜特征并對其進行分析。

1? 實驗部分

1.1? 實驗系統

油料的燃燒實驗在圖1所示的油料燃燒模擬實驗臺架上進行，主要包括油料燃燒裝置、點火控制裝置、光譜測量裝置、數據處理系統、溫濕度測試裝置、消防滅火裝置、排煙裝置。

油料燃燒裝置為直徑為200 mm的圓形油池。

點火控制裝置采用KTD-A型可調高能點火器，點火頻率為單次觸發放電一次，點火能量為1-20 J可調。

光譜測量裝置采用英國產Newton Andor SR-500i階梯光柵光譜儀，由單色儀和CCD兩部分組成，其主要參數見表1，Andor SOLIS軟件采集記錄油料燃燒火焰發射光譜。

溫濕度測量裝置采用（RS-232）溫濕度計TES1365，測量范圍為：溫度-20～60 ℃ （-4～140 ℉），濕度10% RH～95% RH。分辨率為0.1℃/0.1℉/0.1% RH，準確率為：溫度±0.5 ℃、±0.9 ℉，濕度±3% RH（25 ℃時30～95% RH）、±5% RH（25 ℃時10～30% RH）。

消防滅火裝置包括滅火毯與手提式干粉滅火器，用于對可能發生的火災進行消防處理。

排煙裝置包括排氣扇與排煙管路，用于排除實驗過程中油料燃燒產生的煙霧。

1.2? 實驗方案

實驗在實驗室內進行，通過預先采集自然光線背景光譜來消除其對實驗數據的影響;通過預先采集不同電壓下點火器電火花的光譜數據來排除電火花對油料燃燒火焰光譜數據的干擾。CCD數據采集模式為（kinetic mode）動力學模式，光柵單次拍攝范圍約為350 nm，CCD分辨率為1 024×256，曝光時間為0.003 71 s，拍攝頻率為269.54 Hz，在點火器點火前進行觸發拍攝，CCD拍攝14.84 s共4 000幀數據，可完整描述燃燒光譜變化。通過CCD制冷模塊保證其溫度穩定于-80 ℃，以消除CCD產生熱量的影響。

每次實驗加入92號汽油30 mL至油池中，保證光譜儀系統參數配置正確，在光譜測量裝置正常工作后使用點火器操控系統對油池進行點火。將采集數據與Andor SOLIS軟件每幀數據進行對比，篩選出油料燃燒火焰發射光譜對應的數據。

由于油料燃燒的復雜性和偶然性以及火焰的閃爍特性，為減小實驗誤差，進行多次同樣工況實驗。綜合光譜儀分析區間及CCD拍攝區間，可得光譜儀工作區間為200～1 100 nm。因光柵最大攝譜范圍為350 nm，故實驗分200～550、550～900、900～1 200 nm三部分去進行。

2? 結果分析與討論

通過對92號汽油燃燒發射光譜進行頻域分析、時域分析以及特征參數分析，得出火焰發射光譜的相關特征。

2.1? 頻域光譜分析

（1）光譜強度 光譜強度反映了小尺度油池中心處油料燃燒火焰發射光譜在不同波長處的相對光譜強度。92號汽油火焰發射光譜強度如圖2所示。

火焰發射光譜在200～380 nm波長范圍內強度小且無可靠特征。在380～780 nm波長范圍內強度急速升高，并于431、512、516、531、547、589、766、769 nm附近出現火焰光譜強度的特征峰值。在780～1 250 nm波長范圍內強度變小，在927、933、961 nm附近出現火焰光譜強度的特征峰值。

（2）光譜密度 光譜密度反映了油料燃燒火焰發射光譜強度在不同波長上分布的密集程度，由無窮小波長范圍內的光譜強度對與其波長進行求導可得，即，是火焰燃燒特性的一種。

92號汽油燃燒火焰光譜密度曲線如圖3所示。

92號汽油燃燒火焰光譜密度在200～1 250 nm波段內變化整體比較規律，主要集中在可見光和近紅外波段。在431、512、516、531、547、589、766、769、915、928、933、961 nm附近，光譜強度密集程度變化劇烈，表明在這些波長處出現了強度較附近處明顯變大的特征峰值。

（3）波段光譜強度與波段平均光譜強度 波段光譜強度由任意波段內的光譜強度對其波長進行定積分可得;波段平均光譜強度由任意波段內的波段光譜強度對其波長范圍求平均值可得，通過計算，可得92號汽油燃燒火焰光譜典型波段光譜強度、波段平均光譜強度如表2所示。

92號汽油燃燒火焰波段光譜強度和波段平均光譜強度表明在200～550 nm波段火焰光譜輻射較弱，在550～900 nm波段火焰輻射較強，與火焰發射光譜強度變化相互印證：在200～380 nm波長范圍內強度及其變化均較小;在380～780 nm可見光波段強度迅速增至最強;在780 nm處強度開始逐漸減弱。

（4）光譜強度偏差 光譜強度偏差反映了油料燃燒火焰發射光譜在該波段內各波長處的光譜強度與平均值的偏離程度。92號汽油燃燒火焰的光譜強度偏差曲線如圖4所示。

光譜強度偏差曲線部分揭示了92號汽油燃燒火焰光譜強度發生變動的情況，在238、259、311、384、431、467、473、490、494、512、516、531、547、563、589、766、769、811、917、928、933、961 nm附近曲線出現較為明顯的偏差極大值，判斷是在附近波長范圍內存在中間產物自由基的特征譜帶。

分析火焰發射光譜強度偏差發現，200～380 nm的近紫外光波段238、259、311 nm附近可能存在自由基譜帶，而在前文的光譜圖中沒有表現出明顯的光譜強度變化和密度變化，可能的原因是這些中間產物自由基在燃燒反應過程中存在時間極短，難以在實驗中對其特征光譜進行捕捉。

2.2? 時域光譜分析

（1）波段輻射能量

波段輻射能量反映了油料燃燒火焰發射光譜從點火到某一時刻任意波段內單位面積的光譜輻射能量，92號汽油燃燒火焰光譜波段輻射能量曲線如圖5所示。

波段輻射能量曲線揭示了92號汽油燃燒火焰光譜在實驗選定的三個波段隨反應進行的變化情況：在反應初期波段輻射能量較弱，輻射能量上升的速率較小;伴隨反應進行波段輻射能量急劇增強至峰值并出現一段能量的震蕩期;之后輻射強度進入相對穩定期，最后燃燒輻射能量逐漸減弱。

三個波段經歷火焰光譜輻射初期階段時間均為12×3.71 ms。這一階段燃燒反應速率較慢，主要為高分子碳氫化合物的低溫裂解和脫氫氧化過程。通過對比已知的自由基光譜譜帶發現，中間產物主要為OH、H、O、HO2、C2、C3、CN等自由基離子，特征光譜主要為原子線狀譜，逐漸向線狀與帶狀混合的光譜過渡。特征譜帶數量較少，使得波段光譜輻射能量較低。這一階段主要為燃燒的發展過程提供準備，OH、H、O、HO2等自由基活性極強，可以促進反應的進行，進一步積累自由基，促使燃燒進入光譜輻射的發展階段。

火焰光譜輻射發展階段燃燒反應速率迅速增大，主要為小分子烴的裂解和氧化過程，反應由低溫反應逐步向高溫反應過渡。通過對比已知的自由基光譜譜帶發現，中間產物主要有HCO、CH2O、CO、CO2、OH、H2O、C2、C3、CN等自由基/分子，特征光譜為線狀譜和帶狀譜的混合連續光譜。特征譜帶強度大、數量多，活性自由基濃度和輻射強度達到最值，使得波段輻射能量達到最值，可以作為火焰識別特征。隨著活性自由基的反應消耗，輻射能量迅速下降。這一階段燃燒迅速發展達到其最猛烈階段，進而反應逐漸進入一個相對穩定的階段，進入光譜輻射的穩定階段。

在發展階段三個波段經歷的時間有所不同。在200～550 nm波段，波段輻射能量經過51×3.71 ms達到最值，時間短、強度弱，與后兩個波段相差一個數量級。在550～900 nm波段，波段輻射能量于275×3.71與292×3.71 ms兩次達到最值，推測是最值的掃描受到炭黑粒子的干擾，真正的最值應處于兩者之間，約為283×3.71 ms，強度最大。在900～1 250 nm波段，波段輻射能量達到最值經歷319×3.71 ms，時間最長。

在火焰光譜輻射的穩定階段，燃燒過程穩定進行，化學反應達到相對平衡狀態，自由基的生成和消耗達到平衡，波段輻射能量保持相對穩定。火焰的閃爍特性導致波段輻射能量出現規律性波動，由曲線波動初步判斷火焰閃爍時間約60×3.71 ms，頻率約4.5 Hz。波段輻射能量短期停滯及起伏推測為受反應過程中碳黑粒子的干擾。

（2）波段輻射能量時間段平均值

波段輻射能量時間段平均值反映了油料燃燒火焰發射光譜時間范圍內任意波段內單位面積平均輻射光功率;波段輻射能量偏差反映了油料燃燒火焰發射光譜在任意波段內的波段輻射能量與平均值的偏離程度。92號汽油燃燒火焰光譜波段輻射能量偏差曲線如圖6所示。

初期階段輻射強度變化不大，偏差較小，持續的時間與前文一致;發展階段偏差劇烈變化并出現偏差最值，反映出輻射能量波動中的劇烈上升趨勢;穩定階段偏差數值較小，曲線形態為平滑的水平直線，略微的起伏與前文火焰閃爍特性相印證。

200～550 nm波段在51×3.71 ms時出現偏差最值，表明此時刻輻射能量存在最大幅度躍升，在（21～51）×3.71 ms中間卻出現持續時間較短的偏差迅速下降，判斷是因炭黑粒子的干擾而非火焰閃爍作用;550～900 nm波段在18×3.71 ms時出現偏差最值，表明有大量新的中間產物自由基生成，導致輻射能量的“瞬時井噴式爆發”，之后自由基濃度增大引起輻射能量的增強;900～1 250 nm波段在66～3.71 ms也出現輻射能量“瞬時井噴式爆發”，生成大量譜帶。

2.3? 特征參數光譜分析

（1）光譜強度偏度

光譜強度偏度反映了某時刻油料燃燒火焰發射光譜強度分布非對稱的程度，92號汽油燃燒火焰選定時刻的光譜強度偏度曲線如圖7所示。

92號汽油燃燒火焰光譜在200～1 250 nm范圍內存在偏度較大的特征點，分別為512.5、515.9、531.5、543.2、547.0、588.5、766.1、769.6、927.9、933.4、961.4 nm，其中766.1 nm處偏度最大。

（2）光譜強度峰度

光譜強度峰度反映某時刻油料燃燒火焰發射光譜強度峰值的陡峭程度，92號汽油燃燒火焰選定時刻的光譜強度峰度曲線如圖8所示。

光譜強度峰度曲線反映出92號汽油燃燒火焰光譜在200～550 nm和900～1 250 nm波段峰度較小，在200～1 250 nm范圍內存在峰度較大的特征點，分別為512.5、515.9、531.5、539.8、543.2、547.0、766.1、769.6、927.9、933.4、961.4 nm，在766.1 nm處峰度值最大。

3? 結 論

（1）92號汽油火焰發射光譜在200～380 nm波長范圍內，強度小、變化弱，無明顯區別于其它火焰的特征;在380～780 nm波長范圍內，因燃燒的進行導致光譜強度變大，有明顯升高趨勢，特征譜峰數量較大;780～1 100 nm波長范圍內，發射光譜強度雖較大，但隨著燃燒的進行，強度逐漸減小。在380～780 nm可見光區波段光譜強度占火焰光譜輻射的主要部分，因此，可見光區可以作為粗略檢測92號汽油燃燒火焰輻射強度的特征區域。

（2）結合92號汽油燃燒火焰光譜波段輻射能量分析，在火焰光譜輻射發展階段主要為小分子烴的裂解和氧化過程，反應由低溫反應逐步向高溫反應過渡，主要中間產物有HCO、CH2O、CO、CO2、OH、H2O、C2、C3、CN等自由基/分子;這個階段特征譜帶強度大、數量多，活性自由基濃度和輻射強度達到最值，波段輻射能量達到最值，可以利用其特性進行火焰監測識別。

（3）200～1 100 nm的整個波段內，92號汽油燃燒火焰光譜強度在431、512、516、547、589、766、769、928、933 nm附近的特征峰值達到較易辨識的較大相對強度，這些波長比較適合應用于識別92號汽油火焰。

（4）92號汽油光譜強度偏度及峰度較大的特征點集中于380～780 nm的可見光波段光譜，在766.1、769.6 nm的特征波長處光譜強度偏度、峰度均達到較大值，可考慮作為火焰識別特征。

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