海洋生物質燃燒溫度測量實驗的教學實踐

(江蘇海洋大學 新能源研究所，江蘇 連云港 222005)

學生創新能力、實踐能力的培養是高校教育教學改革的重要目標，而實驗教學恰在加深學生對基礎理論知識的理解及創新實踐能力的培養發揮了重要作用。同時實驗教學方式改革、實驗教師隊伍建設、實驗條件改善是推進本科實驗教學水平不斷提高的主要措施。實驗室作為實驗教學的基地，完善的配套儀器與設備是開展是實驗教學工作的先決條件[1-2]。依據江蘇海洋大學海洋特色的發展要求，海洋生物能源的熱利用作為重要的發展對象，給海洋生物質熱利用實驗室的建設帶來了新的契機，為相關實驗平臺的設計和搭建提供了條件。

充分開發利用海洋空間發展海洋藻類是獲取生物質原料的重要途徑，海藻生物質具有產量高、適應力強、生長速度快、不占用土地與淡水資源等諸多優點，發展有效的海藻生物質產業化應用技術具有重要意義。其中，海藻生物質的熱轉化利用研究已取得很大的進展。20世紀70年代美國政府便開啟了利用微藻產油的研究計劃，篩選適應力強、含油量高的優質品種，采用開放式培養的低成本模式來提高微藻油脂產量。日本在2007年也啟動了利用馬尾藻規模化生產車用乙醇的研究計劃。歐盟及其成員國在2000年初就聚焦于藻類的低成本種植與采集技術，持續增加藻類生物質燃料技術的研發創新投入。我國對海洋生物質的開發利用發展也很迅速，一些國家重點高校、研究所承擔了多項國家及省部級研究課題，在海藻能源領域取得了一些重要進展[3]。

生物質能的熱轉化利用方式很多，其中燃燒技術較為成熟且便于規模化利用。藻類生物質直接以海水作為天然培養基，以海水中的礦物質營養鹽、空氣為基質，通過光合作用將太陽能轉為化學能儲存在有機質中。藻類生物質中硫的含量極少，因此燃燒時不排放有毒有害氣體，同時藻類在其生長過程中會大量固定CO2，起到保護環境的作用，這使得海藻生物質具備作為燃料的應用潛質，但海藻的水分含量較高，燃燒處理與陸生生物質會有差異，能否在爐內穩定的燃燒也需要開展研究。海藻燃燒過程中溫度的準確測量對深入掌握燃燒機理以及對燃燒過程中的產熱和放熱過程的機理具有重要意義。關于燃燒溫度的檢測方法有多種，常用的測溫方法分為接觸式與非接觸式。熱電偶、光學溫度計作為接觸式測溫設備，具有使用方法簡單和測溫效果準確的優點，但也存在只能單點測溫并會對流場造成擾動的不足。隨著計算機科學、圖像處理技術及光學監測儀器的快速發展，基于數字圖像來定量描述火焰參數的方法得以實現。火焰圖像包含了豐富的燃燒過程信息，通過工業相機獲取燃燒火焰的瞬時圖像，利用光學結合輻射理論和圖像處理技術便可演算出瞬時溫度。這類光學測溫方法自20世紀60年代，便被引入到燃燒過程的監測中，成為了燃燒實驗的有效工具[4-5]。

1 實驗教學內容

本文利用光學測溫技術，以海洋生物質為燃料設計了針對本科生的燃燒測量實驗,并結合生物質能工程專業課程內容，指導學生開展了教學實踐活動。通過海洋生物質燃燒測量的實驗，加深了新能源專業學生對燃燒理論的理解與掌握，特別是對先進測量方法及新型測量儀器的使用方法，相關實驗對鍛煉學生的實際動手能力起到了積極作用。

設計搭建由小型燃燒爐、供風系統、CCD工業相機和計算機構成的海洋生物質燃燒監測系統。小型生物質燃燒爐為海藻類生物質提供燃燒環境，小型鼓風機為爐內提供0.01～0.5 m3/min的空氣流量，利用轉子流量計控制進入爐內的風量調整爐內穩定燃燒。MV-EM系列的以太網CCD工業相機實時采集爐內燃燒火焰，該相機采用高品質感光器件，拍攝的燃燒火焰圖像清晰、低噪聲、色彩還原度較好，支持1 600×1 200的最高分辨率以及40fps的幀速，完全滿足本實驗的需求。采集到的火焰輻射圖像保存至計算機硬盤，根據圖像處理技術完成火焰圖像參數計算。

實驗材料海藻采集于連云港海州灣，將海藻在淡水中沖洗后置于陽光下自然晾干，并放入干燥箱干燥8個小時后作為實驗原料。將經過預處理后的海藻置于爐內引燃，設置CCD工業相機參數，實時采集燃燒火焰圖像。某一時刻的原始火焰圖像如圖1所示。

圖1 原始火焰圖像

2 測溫實驗原理

對于CCD工業相機采集的彩色火焰圖像中每一個像素的紅(R)、綠(G)、藍(B)值表征了燃燒火焰的單色輻射強度。可以表示為

I(λR)=α×R,I(λG)=β×G,I(λB)=γ×B

(1)

式中：I(λR),I(λG),I(λB)分別為火焰在波長λR,λG,λB下的單色輻射強度；α,β,γ為標定系數。根據文獻中相關研究表明生物質燃燒火焰輻射可近似為灰體輻射，由維恩輻射定律灰體發射的單色輻射強度為[6]

(2)

式中：普朗克常數C1= 3.742×10-16W·m2，C2= 1.438 8×10-2m·K，ε(λ)為光譜發射率。結合式(1)、式(2),可得紅、藍、綠色的輻射強度分布為

(3)

根據雙色法計算溫度的基本原理，測量出兩個不同波長下的輻射強度后，利用任意兩組數值的比可消去未知的光譜發射率對測量溫度的影響。由式(3)紅、藍兩波長下的單色輻射強度來計算火焰的溫度，需要注意這里光譜輻射率等于全波長輻射率，即ε(λR)/(λG)≈1，因此火焰溫度的計算式為

(4)

式中：標定系數α/β=GIbR/RIbG，其中IbR，IbG為對紅、藍兩通道的黑體輻射強度，可由維恩輻射定律直接計算。通過熱電偶在燃燒火焰中進行定點測量，其結果作為參考點溫度來確定標定系數，同時該參考點的相機光譜通道響應R、G值作為已知量帶入計算標定系數的表達式中。該方法簡單、靈活，在缺少黑體爐等標定設備的情況下是一種有效計算標定系數的方法。

3 實驗結果

通過上述方法，可以計算出圖1所示火焰圖像的溫度分布，其結果如圖2所示。

圖2 溫度分布

通過計算結果可以發現該時間段采集的海藻生物質燃燒圖像為185×210像素，其溫度范圍主要在450～950 ℃，溫度分布與原始火焰圖像的亮度基本對應，說明方法的有效性。調整燃燒條件，可以方便地計算出不同工況下燃燒火焰溫度的變化規律，實現對燃燒狀況的分析。

4 結 語

通過燃燒教學實驗可以鍛煉學生將所學專業知識應用到解決實際工程問題的能力。針對海洋生物質燃燒利用過程中的溫度測量問題，通過設計并完成實驗內容，包括實驗原料的選擇與預處理、實驗因素與水平劃分、實驗儀器使用與調試、實驗結果記錄與分析等步驟，鍛煉學生們的動手能力；掌握實驗原理，包括海洋生物質的燃燒過程及機理、熱電偶測溫和光學測溫原理、火焰輻射定律和輻射圖像處理技術等理論知識；同時通過傳熱學、燃燒學、光學與計算機技術等多學科交叉解決實際問題，培養學生們的創新思維能力；實驗教學過程涉及燃燒爐、高壓氣瓶、工業相機的使用，因此在開展實驗之前對學生們進行安全教育并嚴格遵守實驗中心的相關條例規定，在指導教師的指導下分組完成實驗。各組學生合理分工，匯總完成實驗報告，組與組之間相互驗證實驗數據的準確性，提升了學生們之間的團隊協作能力。

海洋生物質燃燒測量實驗的開展在培養新能源專業學生的學習興趣、學習主動性與創造性，以及對課堂教學方法的完善等方面發揮了積極作用。