反擴散火焰的多波長溫度測量研究

李長松,唐廣通,翁 燦,何小煌

(1.河北建投承德熱電有限責任公司,河北 承德 067000；2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021；3.成都三峰環保發電有限公司,四川 成都 610200；4.華中科技大學能源與動力工程學院煤燃燒國家重點實驗室,湖北 武漢 430074)

火焰燃燒溫度的測定是燃燒、動力學領域所關注的重要方向。以電站鍋爐為例,爐內火焰溫度及發射率的測量對于爐內輻射傳熱過程具有舉足輕重的作用,對于揭示燃燒現象的本質和燃燒理論的發展,以及提高大型電站鍋爐爐膛運行的安全性、經濟性和低污染性都具有重要的現實意義[1]。溫度的測量方法總體上可以分為接觸式和非接觸式2種,非接觸式測量方法中比較常用的是雙色法和多波長法,但是雙色法僅限于發射率均勻的火焰。對于發射率隨波長變化不均勻火焰,更多地采用多波長法來獲得更加精確和穩定的溫度測量結果[2]。Sun等利用光纖光譜儀對可見光波段中燃燒火焰輻射進行測量,采用多波長分析方法來研究燃燒火焰的溫度,并開發了一種簡單的方法來判斷不同火焰的灰色輻射假設[3]。

反擴散火焰(Inverse Diffusion Flame,IDF)是擴散火焰的一種,其特點在于氧化劑處于燃燒器噴嘴的中心通道,而燃料則從四周通入。反擴散火焰在航空發動機燃燒室、工業煤粉燃燒器中均有應用。此外反擴散火焰的燃料側,由于氧化劑濃度低,生成的碳黑不易被氧化,有利于研究碳黑顆粒的生成,因此近年來對反擴散火焰的研究越來越受到重視。Wu最早對反擴散火焰的特性進行了研究,根據火焰形態對反擴散火焰進行了分類[4]。Jung等研究了富氧氣體反擴散火焰工況,發現氧濃度的增加導致火焰高度顯著降低[5]。Escudero研究了氧化劑中氧氣的含量對反擴散火焰的溫度以及碳煙生成的影響[6],試驗結果表明在相同的高度上,反擴散火焰氧化劑中的氧氣含量越高,其溫度以及碳煙體積分數都表現出增加的趨勢。

以下基于火焰熱輻射原理,搭建了一套反擴散火焰實驗研究裝置,利用高光譜成像系統測量火焰輻射強度,采用多波長法研究乙烯和空氣同軸射流反擴散火焰溫度和發射率特性,得到了空氣和乙烯流量對反擴散火焰的溫度和發射率分布的影響,并與常規擴散火焰進行對比分析,得到二者在燃燒特性方面的差異,驗證了多波長測量技術的可行性。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗裝置

乙烯反擴散火焰實驗裝置如圖1所示,主要由反擴散火焰燃燒器以及高光譜成像系統2部分組成。其中反擴散燃燒器由3根同心圓管組成,中心管內徑為10 mm,用以提供空氣；中管內徑為30 mm,用于輸送燃料；氮氣則通過內徑為64 mm的外管送入,以隔絕外界空氣,保持火焰的穩定性。整個燃燒器位于通風管道之下,防止乙烯、碳煙造成室內污染。高光譜成像系統由高光譜儀和計算機組成。該高光譜儀測量范圍是400～1 000 nm,可以將拍攝圖像在波長的測量范圍內間隔4.687 5 nm進行分離,形成128張單獨波長的火焰輻射圖像。實驗工況如表1所示,工況7為常規擴散火焰的標準工況,作為對比分析的常規擴散火焰樣本。

表1 實驗工況

圖1 反擴散火焰實驗裝置

1.2 多波長測溫原理

根據維恩定理,高光譜儀測得的火焰光譜輻射強度可以表示為

式中:ε(λj)為隨波長變化的發射率；c1與c2分別為普朗克第一常數與普朗克第二常數；T為溫度。在選取的600～900 nm的波長范圍內,根據高光譜儀的分辨率,即有64個式(1)的方程組成超越方程組,求解各個波長下的發射率ε(λj)以及溫度T。對于此超越方程組,可采用牛頓迭代法求解[7]。

在迭代計算過程中,初值的選擇對求解結果的準確性有很大的影響,因此,可先采用雙色法的計算結果T0和ε0(λj)作為迭代初值,保證最終迭代結果準確合理。雙色法的求取溫度如下

通過式(2)得到初值后,即可進行牛頓迭代,隨著迭代次數r的增大,最終收斂的結果T r、εr(λj)作為本文的最終結果,收斂性則由溫度的微小增量ΔT r決定,其表達式如下

式中:ΔT r為第r次迭代后的溫度增量；I rc為第r次迭代得到的溫度T r和εr(λj)。通過方程(1)計算得到光譜輻射強度。當溫度增量ΔT r無限趨近于0時,代表計算結果收斂。圖2表示工況6中根據上述方法計算的溫度增量ΔT以及溫度T隨迭代步數的變化情況。從圖中可知,經過此方法的迭代,溫度增量ΔT逐漸變小,趨近于0,溫度也趨于平緩,穩定在1 937 K,收斂性良好。

圖2 溫度增量ΔT與溫度T隨迭代步數的變化

運用上述方法對標準工況的常規擴散火焰的溫度與發射率進行了計算,其二維分布如圖3所示。與文獻[4]中結果進行比對,發現二者溫度和發射率的分布規律都呈現出良好的相符性,從而證明了該技術對火焰溫度及發射率計算的可行性。

圖3 常規擴散火焰的溫度及發射率二維分布

2 實驗結果和數據分析

2.1 乙烯反擴散火焰形態

不同空氣流量和不同乙烯流量反擴散火焰的圖像如圖4所示。反擴散火焰具有明顯的分層現象,內層為淡藍色火焰,即反擴散火焰的燃燒區,而外部黃色火焰區域為碳氫化合物經過一系列化學反應后形成碳黑顆粒的反應區。

圖4 不同空氣流量(左)和不同乙烯流量(右)反擴散火焰圖像

隨著空氣流量的增加,反擴散火焰的高度在增大。在氧化劑管徑不變的情況下,空氣的流速增大,其擴散作用增強,碳黑顆粒生成區擴大,再加上燃燒反應更加完全,使反擴散火焰的高度與亮度增加。而在火焰徑向上,隨著空氣量的增加,加強了其在徑向上的擴散和卷吸,火焰寬度增加。與不同空氣流量下的結果不同,在乙烯流量增加時,反擴散火焰在軸向以及徑向上的長度都有所降低。在噴口處的空氣速率不變情況下,燃料量的增大加劇了燃燒反應,從而使氧化劑在軸向以及徑向上的消耗增大,擴散作用下降,進而使火焰高度與寬度都有所下降。

2.2 乙烯反擴散火焰的溫度特性

根據上述計算溫度的方法計算得到各個工況下各點的溫度,并繪制其二維分布圖,如圖5和圖6所示。從整體上看,反擴散火焰的高溫區位于火焰邊緣內側,呈細長型帶狀分布,處于火焰的富燃側。在同一高度上,由于冷態氧化劑的通入,使火焰中心的溫度相較于火焰兩翼低。而在高溫區外側,氧化劑沿徑向消耗,擴散減弱,使該區域的溫度最低。在遠離火焰根部的區域,由于空氣與燃料沿著火焰軸向上的消耗,燃燒反應逐漸減弱,氣體溫度也逐漸降低。與常規擴散火焰的溫度二維分布相比,反擴散火焰的溫度與常規擴散火焰處于同一水平,且二者的高溫區位置都位于火焰邊緣內側,但是反擴散火焰的高溫區相較于常規擴散火焰更狹長。

圖5 不同空氣流量下的火焰溫度的二維分布

圖6 不同乙烯流量下火焰溫度的二維分布

由圖5可以看出,反擴散火焰溫度在1 400～2 000 K,且隨著空氣量的增大,火焰最高溫度逐漸升高(1 865 K、1 919 K、1 945 K),最大相差80 K。隨著乙烯流量的增加,火焰溫度也呈現出逐漸升高的趨勢(1 898 K、1 919 K和1 990 K),即反擴散火焰的最高溫度隨著氧氣流量以及乙烯流量的增加而升高。氧化劑和燃料的增加,都會使參與燃燒的反應物增加,提升了燃燒反應速率,從而提高了燃燒反應溫度。

2.3 乙烯反擴散火焰的發射率特性

反擴散火焰的發射率峰值區域位于火焰邊緣兩翼以及火焰頂部的位置,見圖7和圖8。因為反擴散火焰中心氧氣濃度高,生成碳黑顆粒易被氧化。在火焰的燃料側,氧氣濃度低,碳黑顆粒氧化程度低,易積累團聚,使碳黑體積分數高,發射率高。由于火焰頂部溫度低,不利于碳煙的氧化,并且氧化劑沿軸向的消耗,頂部氧化劑的濃度低,碳煙顆粒的氧化速率很慢,因此在火焰頂部碳煙的濃度高,發射率較大。對比常規擴散火焰,反擴散火焰的發射率遠低于常規擴散火焰,且峰值位置也存在較大差異。

圖7 不同空氣流量下的火焰發射率的二維分布

圖8 不同乙烯流量下的火焰發射率的二維分布

根據不同空氣流量下的火焰發射率分布可以看出,隨著空氣流量的增加,反擴散火焰的發射率峰值逐漸增大(0.017、0.022、0.027)。因為火焰高度增加,使得碳黑顆粒在火焰中的駐留時間增長,碳黑體積分數增加,發射率增加。隨著乙烯流量增加,反擴散火焰的高度降低,碳黑顆粒在火焰中的停留時間減少,發射率的峰值降低(0.031、0.022、0.020)。

3 結論

本研究利用擴散火焰驗證多波長測量技術測量火焰溫度及發射率的可行性,為進一步應用于電站鍋爐爐膛火焰溫度及發射率測量提供了可靠的技術方案,為電站鍋爐調整機組負荷及運行狀態,提供了關鍵現場數據。

a.用多波長測量技術對常規擴散火焰和反擴散火焰進行測量,得到較為準確的溫度和發射率結果,表明該測量技術是可行的,可以應用于電站鍋爐燃燒火焰等實際火焰的測量。

b.隨著空氣流量增加以及乙烯流量減小,反擴散火焰徑向和軸向的尺寸增加。

c.反擴散火焰的高溫區位于火焰邊緣的內側,呈細長型帶狀分布,而火焰中心的溫度較低,火焰的最高溫度隨空氣流量與乙烯流量的增加而升高。

d.反擴散火焰的峰值發射率集中在火焰兩翼及頂部的位置,且與空氣流量呈正比關系,與乙烯流量呈反比關系。

e.與常規擴散火焰相比,反擴散火焰的最高溫度與其在同一水平,高溫區的位置類似,但反擴散火焰的高溫區更狹長,并且峰值發射率遠小于常規擴散火焰,峰值位置也不相同。