基于雙色法油漿火焰溫度場和碳煙濃度場分析

代正華， 孟 凱， 郭慶華， 許建良， 王輔臣

（華東理工大學資源與環境工程學院，上海市煤氣化工程技術研究中心，上海 200237）

低碳烯烴是重要的化工原料，如乙烯是用來衡量國家化工發展程度的參考指標，2017 年我國的乙烯產量2.346×107t，占世界乙烯總產量的13.8%[1]。全球的低碳烯烴生產量和需求量都極大，我國的低碳烯烴的來源大部分是石油路線制取[2-3]。隨著石油資源的減少和石油品質的降低，使得采用催化油漿等劣質油為原料制取低碳烯烴的工藝有了研究價值。在劣質油制取低碳烯烴的轉化工藝過程中常出現結焦現象[4-6]，在實際的工業生產中需要對工業爐內火焰溫度、氧氣流量等參數進行嚴格控制，以避免爐膛超溫和結焦等情況發生。針對工業生產結焦這一問題，許多學者對碳煙生成機理進行了研究[7-8]，發現碳煙的生成與燃料性質、爐膛溫度、氧燃比（氧氣與燃料的物質的量之比，全文同）等因素密切相關。為了研究碳煙生成機理從而指導工業生產，需要獲得火焰的溫度場和碳煙濃度場以便后續的研究。

常用的接觸式測溫方法由于反應時間長，不符合快速響應的控制要求。光學測定方法作為新興的測定方法，可以快速獲得火焰溫度場和碳煙濃度場等信息。用途較廣泛的光學測定方法包括：激光誘導熒光法、消光法、雙色法等。Yon 等[9]通過激光誘導熒光法、小角X 射線散射法、散射測量方法獲得了碳煙顆粒的尺寸、火焰溫度和碳煙在火焰中的體積分數，研究了碳煙生成及氧化過程。Pastor 等[10]采用基于Beer-Lambert 理論的消光法，以正癸烷烴和正十六烷烴為燃料，研究了發動機內的碳煙濃度場，發現使用激光消光法和二維消光法測得的結果基本相同。Joonho 等[11]基于雙色法研究對比了生物柴油與柴油混合油和純柴油在不同的注射壓力下燃燒和碳煙排放情況，發現摻混了生物柴油的燃料油比柴油燃燒著火更遲，但是著火后反應迅速，同時分析了碳煙在火焰中分布規律。Xuan 等[12]采用消光法和雙色法研究了正十二烷和正庚烷的火焰中碳煙濃度的KL 值，通過對比發現，當雙色法中表征的碳煙濃度的KL 值接近1 時，兩種方法測出的碳煙濃度數值接近。陳先鋒等[13]基于雙色法原理對甲烷/空氣層流擴散火焰的溫度場和碳煙濃度場進行重構，并通過與計算流體力法方法獲得的溫度場與碳煙濃度場進行對比發現結果吻合。顏方沁等[14]采用多點同步采樣的方法研究了柴油噴霧火焰中的不同區域產生的碳煙形貌，研究表明固體碳煙顆粒數密度從軸心向外逐漸減小，燃燒反應進程越靠后固體碳煙體積分數越高。

前人研究多通過濾光片獲得單色光輻射強度，且求取了氣態烴燃燒火焰和發動機中柴油燃燒火焰的溫度場和表征碳煙濃度的KL 值。本文通過程序處理原始照片獲得對應單色光下的輻射強度，降低了系統的設計成本；通過優化火焰篩選和分割算法，細化火焰不同區域的區分，求得代表火焰在相機檢測光程方向上的幾何厚度L 值；求得不同氧碳比和不同燃料下火焰中碳煙體積分數，并對比分析了原料和氧燃比對碳煙生成的影響。

1 雙色法基本原理及程序開發

根據輻射學基礎理論，黑體的半球單色輻射強度符合普朗克定律，計算見式1。

黑體假設是理想條件，且光輻射強度很難直接測得，因此引入維恩公式，并定義Ta為將目標物體的輻射強度等于某溫度下黑體的輻射強度，該溫度就是此時的亮溫，推導得出：

2 標定實驗及算法驗證

2.1 標定實驗

采用WJL-11 紅外控溫黑體爐作為黑體輻射光源，同時利用CMOS 相機拍攝不同黑體爐溫下對應的輻射照片，結果見圖1。實驗中相機光圈設置為手動光圈，快門速度1/60 s，關閉相機的自動增益和白平衡功能。對照片進行摳圖和壞點剔除。采用高階擬合的方法獲得溫度和輻射強度的標定方程。

圖1 不同黑體爐溫下的標定圖片Fig. 1 Calibration pictures of blackbody furnace at different temperatures

在采用雙色法進行計算時，文獻[16]曾對光波長的選擇進行研究，結果表明波長的選擇對結果的影響不大，所以本文選擇照片區分出來的R 光和G 光進行擬合求取標定方程。不同波長下的輻射強度值與溫度的擬合曲線見圖2。從圖中可以看出擬合的曲線與原始數據擬合程度較高，滿足計算要求。

圖2 R 值和G 值對溫度值的原始數據和標定曲線Fig. 2 Original data and fitting curves for R and G values relative to temperature values

2.2 算法驗證

文獻[13]曾使用熱電偶測量蠟燭火焰溫度，并與計算得到的蠟燭火焰溫度進行對比驗證，方法簡單易操作。本文采用相同的實驗方法對改進優化的算法進行驗證。蠟燭火焰圖像和計算溫度場的結果如圖3 所示，用熱電偶測量蠟燭火焰不同區域的溫度分別為646 、927 、525 ℃。經火焰分析程序計算求得對應區域的溫度為614 、893 和494 ℃，計算的溫度相對于實驗溫度偏差分別為4.99%、3.68%、5.95%，基本滿足測量要求。

圖3 蠟燭火焰圖像和計算溫度場Fig. 3 Candle flame image and calculated temperature field

3 火焰溫度場和碳煙濃度場的構建及分析

3.1 實驗過程

使用德國ELEMENTAR 元素分析儀器分析催化油漿的元素組成，其中碳元素質量分數為91.23%、氫元素質量分數為6.66%，其他如氮元素、氧元素、硫元素等含量較少。配制質量分數分別為10%和30%的催化油漿和柴油混合油漿，通過調節噴嘴針閥，使油漿質量流量基本穩定，同時根據催化油漿的元素組成計算氧氣流量，調節火焰燃燒時氧碳比分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2。實驗裝置見圖4 所示。拍攝不同工況下的火焰照片，拍攝頻率為每秒5 張，將火焰照片輸入到分析程序。

圖4 實驗裝置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of experimental device

3.2 火焰溫度場和碳煙濃度場構建

計算程序將圖片分解為多個像素點，對每一個像素點進行計算，計算結果組成了原圖像像素大小的矩陣，分析計算后輸出的矩陣發現數值分布較集中。計算數值分布概率密度函數時，剔除掉概率低的數值，對概率大的數值區域進行線性放大至0～255 的亮度范圍內。將線性放大后的數據進行圖像輸出，結果見圖5、圖6 和圖7。因圖像較多，圖5～圖7 分別為柴油、質量分數為10%催化油漿、質量分數為30%催化油漿3 種不同燃料的單張火焰原始圖及計算結果圖，圖像的分辨率為200×200。

圖5 柴油單張火焰原始圖及計算結果Fig. 5 Single original flame diagram and calculation of diesel oil

圖6 催化油漿（w=10%）單張火焰原始圖及計算結果Fig. 6 Single original flame diagram and calculation of catalytic slurry oil (w=10%)

3.3 火焰溫度場和碳煙濃度場分區分析

根據3.2 節可知油漿火焰由內至外呈現明顯的分區。以氧碳比為1.1 時的柴油火焰為例，根據火焰溫度分布圖對火焰進行分區分析，圖8 為該狀態下的火焰分區示意圖，圖9 和圖10 分別示出了火焰軸向和徑向溫度分布和碳煙KL 分布。結果分析表明火焰的焰心(黑色區域)處氧氣含量充足，燃燒充分溫度高，對應的KL 值較小，說明該區域碳煙濃度較低。在火焰內焰(白色區域)中氧氣消耗殆盡，火焰此處出現低溫區域，該區域KL 平均值較大，說明油漿貧氧燃燒區域會產生大量碳煙。火焰外焰(紅色區域)因接觸到空氣，此處火焰溫度較高，對應的KL 值較內焰相對減小。隨著氧碳比的升高，火焰富氧燃燒區域變大，貧氧燃燒區域變小。不同的火焰區域之間存在過渡區域，由圖9 和圖10發現在焰心至內焰過渡區域，溫度下降，碳煙濃度上升。在內焰至外焰過渡區域，氧氣濃度升高，溫度上升，碳煙濃度降低。分析火焰的fv數據表明，fv的數值接近于0，查看對應圖片的計算矩陣數據發現fv的數量級與前人采用其他測定方法得出結果的數量級基本相同[13]。火焰中碳煙體積濃度較大處主要出現在火焰的燃燒后期，這與采用多點同步采樣方式獲得柴油火焰碳煙體積濃度的方法得出的結論一致[14]。

3.4 氧碳比和燃料對碳煙生成量均值的影響分析

將求得的不同油漿的火焰KL 值和fv值的平均數進行統計，結果如圖11 所示（10%FCC 為10%催化油漿，30%FCC 為30%催化油漿）。由圖可見，在相同火焰氧碳比的情況下，油漿中催化油漿的含量增加，火焰KL 均值和fv均值都呈現增大趨勢。這是因為催化油漿中富含多環芳烴，其含量對烴類燃燒碳煙生成量影響顯著，其中多環芳烴的物理聚集及化學成核是碳煙前體形成的關鍵步驟[17-18]。隨著火焰氧碳比的增大，不同油漿火焰的平均KL 值和fv值均呈現出下降趨勢。從前文分析可得氧碳比升高，焰心富氧燃燒區域變大，內焰貧氧燃燒區域縮小，由貧氧燃燒熱解生成的碳煙減少。在圖11 中發現火焰fv和火焰KL 值變化趨勢基本一致，但數值波動要比KL 值圖像更大。10%油漿火焰在氧碳比為1 時出現異常波動，但KL 數值在該點未出現明顯波動。分析認為KL 值變化范圍在 0～3.5，而fv由于數量級較小，且假設火焰切面為圓形而引入了系統的誤差，所以fv的計算結果相對波動更大。

圖7 催化油漿（w=30%）單張火焰原始圖及計算結果Fig. 7 Single original flame diagram and calculation of catalytic slurry oil (w=30%)

圖8 根據火焰溫度劃分的火焰分區示意圖Fig. 8 Sub-regional schematic diagram of the flame according to the temperature of the flame

圖9 氧碳比1.1 時柴油火焰中心軸向溫度和KL 值分布Fig. 9 Distribution of axial temperature and KL of diesel flame at molar ratio of oxygen to carbon of 1.1

圖10 氧碳比1.1 時柴油火焰徑向溫度和KL 值分布Fig. 10 Distribution of radial temperature and KL of diesel flame at molar ratio of oxygen to carbon of 1.1

圖11 不同工況火焰的KL 和fv 的均值Fig. 11 Mean of KL and fv for flames under different operating conditions

4 結 論

（1）基于雙色法將油漿與氧氣非預混合火焰進行圖像分析，結果表明：火焰分為焰心富氧燃燒區域、內焰貧氧燃燒區域、外焰接觸空氣的燃燒區域。焰心和外焰的溫度較高，內焰溫度較低。

（2）碳煙在火焰焰心、內焰、外焰中都會出現較大生成量，且以內焰中最大。在焰心至內焰過渡區域，氧氣濃度下降，初始碳煙顆粒氧化消耗反應速度小于產生反應速度，碳煙量增大。在內焰至外焰過渡區域，氧氣濃度增大，溫度上升，熱解產生碳煙顆粒迅速消耗。

（3）燃料組成和燃燒氧碳比對碳煙生成影響顯著。燃料中富含多環芳烴的催化油漿含量升高，則燃燒產生碳煙升高，催化油漿對油漿火焰碳煙生成有明顯的促進作用。增大氧氣流量，可以在火焰區降低碳煙濃度，減少碳煙生成量。