反擴(kuò)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(zé)任公司,河北 承德 067000；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021；3.成都三峰環(huán)保發(fā)電有限公司,四川 成都 610200；4.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)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(xué)領(lǐng)域所關(guān)注的重要方向。以電站鍋爐為例,爐內(nèi)火焰溫度及發(fā)射率的測量對于爐內(nèi)輻射傳熱過程具有舉足輕重的作用,對于揭示燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)和燃燒理論的發(fā)展,以及提高大型電站鍋爐爐膛運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和低污染性都具有重要的現(xiàn)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(fā)射率均勻的火焰。對于發(fā)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(wěn)定的溫度測量結(jié)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(jìn)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(fā)了一種簡單的方法來判斷不同火焰的灰色輻射假設(shè)[3]。

反擴(kuò)散火焰(Inverse Diffusion Flame,IDF)是擴(kuò)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(kuò)散火焰在航空發(fā)動機(jī)燃燒室、工業(yè)煤粉燃燒器中均有應(yīng)用。此外反擴(kuò)散火焰的燃料側(cè),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(kuò)散火焰的研究越來越受到重視。Wu最早對反擴(kuò)散火焰的特性進(jìn)行了研究,根據(jù)火焰形態(tài)對反擴(kuò)散火焰進(jìn)行了分類[4]。Jung等研究了富氧氣體反擴(kuò)散火焰工況,發(fā)現(xiàn)氧濃度的增加導(dǎo)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(kuò)散火焰的溫度以及碳煙生成的影響[6],試驗結(jié)果表明在相同的高度上,反擴(kuò)散火焰氧化劑中的氧氣含量越高,其溫度以及碳煙體積分?jǐn)?shù)都表現(xiàn)出增加的趨勢。

以下基于火焰熱輻射原理,搭建了一套反擴(kuò)散火焰實驗研究裝置,利用高光譜成像系統(tǒng)測量火焰輻射強(qiáng)度,采用多波長法研究乙烯和空氣同軸射流反擴(kuò)散火焰溫度和發(fā)射率特性,得到了空氣和乙烯流量對反擴(kuò)散火焰的溫度和發(fā)射率分布的影響,并與常規(guī)擴(kuò)散火焰進(jìn)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(shù)的可行性。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗裝置

乙烯反擴(kuò)散火焰實驗裝置如圖1所示,主要由反擴(kuò)散火焰燃燒器以及高光譜成像系統(tǒng)2部分組成。其中反擴(kuò)散燃燒器由3根同心圓管組成,中心管內(nèi)徑為10 mm,用以提供空氣；中管內(nèi)徑為30 mm,用于輸送燃料；氮氣則通過內(nèi)徑為64 mm的外管送入,以隔絕外界空氣,保持火焰的穩(wěn)定性。整個燃燒器位于通風(fēng)管道之下,防止乙烯、碳煙造成室內(nèi)污染。高光譜成像系統(tǒng)由高光譜儀和計算機(jī)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(nèi)間隔4.687 5 nm進(jìn)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(guī)擴(kuò)散火焰的標(biāo)準(zhǔn)工況,作為對比分析的常規(guī)擴(kuò)散火焰樣本。

表1 實驗工況

圖1 反擴(kuò)散火焰實驗裝置

1.2 多波長測溫原理

根據(jù)維恩定理,高光譜儀測得的火焰光譜輻射強(qiáng)度可以表示為

式中:ε(λj)為隨波長變化的發(fā)射率；c1與c2分別為普朗克第一常數(shù)與普朗克第二常數(shù)；T為溫度。在選取的600～900 nm的波長范圍內(nèi),根據(jù)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(fā)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(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響,因此,可先采用雙色法的計算結(jié)果T0和ε0(λj)作為迭代初值,保證最終迭代結(jié)果準(zhǔn)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(jìn)行牛頓迭代,隨著迭代次數(shù)r的增大,最終收斂的結(jié)果T r、εr(λj)作為本文的最終結(jié)果,收斂性則由溫度的微小增量ΔT r決定,其表達(dá)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(qiáng)度。當(dāng)溫度增量ΔT r無限趨近于0時,代表計算結(jié)果收斂。圖2表示工況6中根據(jù)上述方法計算的溫度增量ΔT以及溫度T隨迭代步數(shù)的變化情況。從圖中可知,經(jīng)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(wěn)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(shù)的變化

運(yùn)用上述方法對標(biāo)準(zhǔn)工況的常規(guī)擴(kuò)散火焰的溫度與發(fā)射率進(jìn)行了計算,其二維分布如圖3所示。與文獻(xiàn)[4]中結(jié)果進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)二者溫度和發(fā)射率的分布規(guī)律都呈現(xiàn)出良好的相符性,從而證明了該技術(shù)對火焰溫度及發(fā)射率計算的可行性。

圖3 常規(guī)擴(kuò)散火焰的溫度及發(fā)射率二維分布

2 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

2.1 乙烯反擴(kuò)散火焰形態(tài)

不同空氣流量和不同乙烯流量反擴(kuò)散火焰的圖像如圖4所示。反擴(kuò)散火焰具有明顯的分層現(xiàn)象,內(nèi)層為淡藍(lán)色火焰,即反擴(kuò)散火焰的燃燒區(qū),而外部黃色火焰區(qū)域為碳?xì)浠衔锝?jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)后形成碳黑顆粒的反應(yīng)區(qū)。

圖4 不同空氣流量(左)和不同乙烯流量(右)反擴(kuò)散火焰圖像

隨著空氣流量的增加,反擴(kuò)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(kuò)散作用增強(qiáng),碳黑顆粒生成區(qū)擴(kuò)大,再加上燃燒反應(yīng)更加完全,使反擴(kuò)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(qiáng)了其在徑向上的擴(kuò)散和卷吸,火焰寬度增加。與不同空氣流量下的結(jié)果不同,在乙烯流量增加時,反擴(kuò)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(yīng),從而使氧化劑在軸向以及徑向上的消耗增大,擴(kuò)散作用下降,進(jìn)而使火焰高度與寬度都有所下降。

2.2 乙烯反擴(kuò)散火焰的溫度特性

根據(jù)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(kuò)散火焰的高溫區(qū)位于火焰邊緣內(nèi)側(cè),呈細(xì)長型帶狀分布,處于火焰的富燃側(cè)。在同一高度上,由于冷態(tài)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(qū)外側(cè),氧化劑沿徑向消耗,擴(kuò)散減弱,使該區(qū)域的溫度最低。在遠(yuǎn)離火焰根部的區(qū)域,由于空氣與燃料沿著火焰軸向上的消耗,燃燒反應(yīng)逐漸減弱,氣體溫度也逐漸降低。與常規(guī)擴(kuò)散火焰的溫度二維分布相比,反擴(kuò)散火焰的溫度與常規(guī)擴(kuò)散火焰處于同一水平,且二者的高溫區(qū)位置都位于火焰邊緣內(nèi)側(cè),但是反擴(kuò)散火焰的高溫區(qū)相較于常規(guī)擴(kuò)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(kuò)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(xiàn)出逐漸升高的趨勢(1 898 K、1 919 K和1 990 K),即反擴(kuò)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(yīng)物增加,提升了燃燒反應(yīng)速率,從而提高了燃燒反應(yīng)溫度。

2.3 乙烯反擴(kuò)散火焰的發(fā)射率特性

反擴(kuò)散火焰的發(fā)射率峰值區(qū)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(kuò)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(cè),氧氣濃度低,碳黑顆粒氧化程度低,易積累團(tuán)聚,使碳黑體積分?jǐn)?shù)高,發(fā)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(fā)射率較大。對比常規(guī)擴(kuò)散火焰,反擴(kuò)散火焰的發(fā)射率遠(yuǎn)低于常規(guī)擴(kuò)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(fā)射率的二維分布

圖8 不同乙烯流量下的火焰發(fā)射率的二維分布

根據(jù)不同空氣流量下的火焰發(fā)射率分布可以看出,隨著空氣流量的增加,反擴(kuò)散火焰的發(fā)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?jǐn)?shù)增加,發(fā)射率增加。隨著乙烯流量增加,反擴(kuò)散火焰的高度降低,碳黑顆粒在火焰中的停留時間減少,發(fā)射率的峰值降低(0.031、0.022、0.020)。

3 結(jié)論

本研究利用擴(kuò)散火焰驗證多波長測量技術(shù)測量火焰溫度及發(fā)射率的可行性,為進(jìn)一步應(yīng)用于電站鍋爐爐膛火焰溫度及發(fā)射率測量提供了可靠的技術(shù)方案,為電站鍋爐調(diào)整機(jī)組負(fù)荷及運(yùn)行狀態(tài),提供了關(guān)鍵現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

a.用多波長測量技術(shù)對常規(guī)擴(kuò)散火焰和反擴(kuò)散火焰進(jìn)行測量,得到較為準(zhǔn)確的溫度和發(fā)射率結(jié)果,表明該測量技術(shù)是可行的,可以應(yīng)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(kuò)散火焰徑向和軸向的尺寸增加。

c.反擴(kuò)散火焰的高溫區(qū)位于火焰邊緣的內(nèi)側(cè),呈細(xì)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(kuò)散火焰的峰值發(fā)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(guān)系,與乙烯流量呈反比關(guān)系。

e.與常規(guī)擴(kuò)散火焰相比,反擴(kuò)散火焰的最高溫度與其在同一水平,高溫區(qū)的位置類似,但反擴(kuò)散火焰的高溫區(qū)更狹長,并且峰值發(fā)射率遠(yuǎn)小于常規(guī)擴(kuò)散火焰,峰值位置也不相同。