丙烷擴散火焰燃燒光譜特性研究*

胡亮子，馬國鷺，趙 涌，宋子軍，劉囿辰

(1.西南科技大學 制造過程測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010；2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000；3.航空發動機高空模擬技術重點實驗室，四川 綿陽 621000)

0 引言

作為重要的化工原料和常見的烴類燃料，丙烷不僅廣泛用于丙醇、丙烯以及初級硝基烷等石化產品的制備，還充當航空發動機、內燃機、火焰噴射器等的動力來源[1]。丙烷大量泄漏聚集產生的燃燒爆炸事故源破壞性極大，因此研究丙烷火焰的燃燒特性有助于烴類火災燃燒爆炸的早期辨識與防控[2-3]。

烴類火焰的光譜特性分析有利于獲取火焰燃燒特征，馮軍等[4]、蔣新生等[5]利用光譜技術定性定量分析了多種油料的燃燒光譜特性，研究表明汽油著火80 ms后，燃燒進入穩定期，譜線特性大幅降低。祝慧雯等[6]基于多噴嘴對置式氣化爐實驗平臺，探討了氧碳當量比和撞擊作用對火焰CH*輻射特性的影響，研究發現兩噴嘴撞擊火焰的CH*輻射強度要高于單噴嘴射流火焰。通過OH*，CH*，C2*，CN*等自由基的光譜參數監測可為油料、天然氣等燃料的火災早期識別提供非接觸式光譜檢測依據，建立和簡化多自由基化學發光反應機制[7-12]。羅振敏等[13]考察了多種組分可燃氣體對于甲烷爆炸壓力特性的影響，結果表明氧含量減少時，多組分可燃氣體的促進作用減弱并轉變為阻尼作用。雒婧等[14]、周瑩等[15]歸納并簡化了正庚烷、甲烷燃燒過程中的自由基反應機理。燃燒過程中的自由基濃度[16]和二維分布特性研究有利于表征火焰推舉高度、燃燒速度和當量比[17]等參數，對于火焰結構劃分[18]和自由基微觀反應機理探索也有著積極的推進作用[19]。Escudero等[20]通過CH*峰值強度位置有效避免了炭黑輻射對于火焰高度定義的干擾。張猛等[21]測量了CH4/H2/空氣預混湍流火焰結構，分析了摻氫比和湍流強度對火焰燃燒速率的影響。

火焰燃燒初期，燃燒強度增大和溫度急劇升高的同時伴隨著光譜特征的顯著變化，燃燒穩定后相關譜線特性將逐漸消失，因此針對火災形成初期的光譜特征辨識具有重要意義。為探究丙烷燃燒初期多自由基特征譜線波長范圍、光譜強度二維分布特性與自由基主要生成路徑，本文以丙烷為研究對象，獲取火焰燃燒過程中的光譜輻射特征和關鍵自由基特征譜線信息，探討中間自由基生成的化學反應機理，分析多自由基光譜強度二維分布特性，為烴類及油料的燃燒爆炸火災監測提供光譜測量的燃燒診斷依據。

1 火焰光譜測量與實驗工況

丙烷擴散火焰光譜測量系統主要由擴散火焰燃燒器、丙烷氣源、光譜數據采集裝置、二自由度調整機構、氣體泄漏預警裝置組成，其中丙烷氣源采用純度為99.9%的液化丙烷，體積流量為0.056 L/s。主燃燒火炬管口距地面高度為1 200 mm，火口直徑為φ70 mm，采用φ10 mm引火槍對主火炬進行引火，如圖1所示。為獲得規律的火焰燃燒狀態，主火炬管口設計為環狀多孔結構，以提高火焰結構的穩定性。

圖1 丙烷擴散火焰光譜測量系統Fig.1 Spectrometric system of propane diffusion flame

采用光譜范圍為200～1 000 nm，分辨率為2 nm，光柵密度為600 L·mm-1，積分時間為10 μs～60 s，掃描頻率為200 Hz的Thorlabs OSA CCS200拉曼光譜儀進行火焰光譜特征采集。

光纖探頭軸線與火焰軸向呈90°布置，沿火焰徑向(120～200 mm)和軸向(0～350 mm)布置了5×8排列的觀測點位，通過二自由度調整機構實現光纖探頭的位移調節，完成火焰光譜特征數據采集。

為盡可能消除自然環境背噪對燃燒火焰發射光譜的干擾，采用不透光幕布搭建封閉式實驗測試場景并選擇在晚上進行點火測試，同時光譜采集模式選擇背景除噪模式。

對檢測得到的光譜數據進行特征峰值匹配辨識，確定峰值對應的分子、自由基特征波長，如式(1)所示：

|λi-λ|≤d

(1)

式中：λi為實際測量的峰值波長，nm；λ為標準分子、自由基發射光譜波長，nm；d為拉曼光譜儀分辨率，nm。

為避免燃燒過程中自由基反應的瞬時性和火焰狀態帶來的偶然性，每組實驗測試重復5次，并對譜線峰值強度取均值濾波以減少中間過程存在的實驗誤差。

2 丙烷擴散火焰特征光譜測量

不同自由基粒子具有特定的發射光譜，對實驗數據進行處理后，獲取火焰光譜特征譜帶和多自由基特征峰值信息并分析CH*，C2*，H2O分子在二維空間分布下的特征峰值強度特性與影響譜線強弱的主要原因。

2.1 OH*，C2*，CH*，H2O特征光譜分析

OH*特征光譜譜帶位于250～380 nm的紫外波段和近紅外波段的965 nm附近，在碳氫火焰著火初期便會快速大量產生。OH*的紫外波段主要波長為306.7，308.9，312.2，347.2 nm，該譜帶OH*譜線強度不明顯，未體現出明顯的特征峰值，如圖2(a)所示；近紅外波段的OH*振動-轉動光譜主要波長為784.9，965.3，978.8 nm，該譜帶具有一定的強度，其中在784.9 nm處檢測到較弱峰值波長，如圖2(b)所示。

圖2 丙烷燃燒火焰發射光譜特征Fig.2 Emission spectrum characteristics of propane combustion flame

碳氫火焰中的OH*主要通過化學激發R1的途徑生成，表現為基態的CH與O2反應生成OH*和CO產物；OH*的淬滅途徑主要以輻射衰變和碰撞猝滅的方式躍遷至基態，如圖3中的R2，R3所示。C2*，CH*猝滅反應路徑與OH*猝滅機理相一致。

圖3 OH*，C2*，CH*，H2O的產生與消耗路徑[11,15]Fig.3 Generation and consumption path of OH*,C2*,CH* and H2O

OH*在300 nm附近譜線強度相對較弱，主要有3種原因：1)燃燒過程中產生的OH*較少，基團濃度較低；2)實驗中OH*的發射光譜主要是振動-轉動譜帶，紫外波段的OH*電子躍遷產生的譜線較少；3)OH*在著火初期大量產生后被快速反應消耗至難以檢測。

相比于其他含碳自由基，C2*的化學穩定性更好，在燃燒過程中C2*更易形成和被檢測。C2*光譜相對較強，其特征譜帶主要包含509.4，512.8，516.5，790.8，810.5，875.3，898.7 nm等波長，其中在Swan系統譜帶的509.4，512.8 nm處以及Phillips近紅外系統譜帶的810.5 nm處存在特征峰值，如圖2所示。C2*產生路徑主要有R8，R9 2種，R8為多個不飽和含碳自由基之間聚合并脫去氫原子生成相對穩定的C2*，R9為不飽和的碳鏈如C3與O原子反應生成C2*及其中間產物，C2*的猝滅機理與OH*類似，如圖3中R10，R11路徑所示。C2*產生于著火初期并在整個燃燒過程中保持穩定的光譜強度，其特征峰值具有較好的辨識度。

CH*光譜譜帶主要分布在431 nm附近，主要包含了429.9，431.2，432.5 nm等特征波長，其中在431.2 nm處存在明顯的特征峰值。CH*的生成反應主要有R4和R5 2種路徑：R4為不飽和的碳氫自由基如C2H與O/O2發生反應生成相對穩定的CH*和CO/CO2等還原產物；R5為相對穩定的C2和濃度較高的OH發生反應形成CH*和CO中間產物。檢測出的CH*具有一定的光譜強度，其譜帶峰值特性可作為丙烷火焰著火的標志信號。

H2O分子的發射光譜為振動-轉動光譜，具有相對較強的譜帶強度，主要包含580.6，586.2，637.4，652.2，927.8 nm等特征波長，在652.2，927.8 nm處存在明顯的光譜特征峰值，如圖2(b)所示。在火焰燃燒過程中，H2O分子的生成路徑主要有2種：1)含氫的中間產物與OH基團反應脫去氫元素生成H2O分子，如R12所示；2)具有極高活性的HO2*存在時間極短，分解生成H2O，如R13所示。H2O分子振動-轉動光譜伴隨整個燃燒過程，具有穩定的光譜強度和明顯的特征峰值。

2.2 H2O，CH*，C2*譜線強度二維特性

在丙烷燃氣與燃燒產物混合區域內，火焰狀態表現為不完全燃燒到核心反應區域的過渡，所以沿火焰軸線方向H2O分子光譜強度呈現單調增加趨勢，該區域內H2O分子通過化學反應大量生成，分子峰值強度迅速增加，從核心反應區域至火焰舉升頂點，H2O分子濃度持續增加，但峰值強度增加趨勢有所減緩，如圖4(a)所示。

在核心反應區域內，燃料與氧氣充分混合反應，CH*，C2*大量產生于燃料與氧氣接觸界面附近區域，檢測出較強的譜線特征；在核心反應區至火焰舉升頂點區間，自由基大量產生后被快速消耗生成最終產物，自由基濃度降低導致峰值強度也呈現減弱趨勢。沿火焰軸線方向，CH*，C2*峰值強度隨著火焰的舉升高度變化表現為先增加后減弱的趨勢，其中CH*，C2*分別在火焰軸向200，170 mm附近取得峰值強度最大值，如圖4(b)～(c)所示。

圖4 H2O，C2，CH自由基峰值強度二維分布特性Fig.4 Two-dimensional distribution characteristics of peak strength of H2O,C2* and CH*

沿火焰徑向，H2O分子，CH*，C2*的火焰徑向光譜強度分布呈現先增加后減少的趨勢，H2O分子與CH*，C2*峰值強度均在徑向距離160 mm附近測得最大值。光譜測量時光纖探頭應布置在合適的測量區間進行有效的特征光譜采集，主要原因是在測量區間外，距離越遠，發射譜線強度越低；測量距離越靠近火焰，受光纖數值孔徑影響，部分發射譜線難以耦合進入光纖探頭，導致測量的光譜特征強度下降，如圖4(d)所示。

3 結論

1)丙烷擴散火焰燃燒初期過程中，火焰發射光譜特征主要分布在可見光范圍和近紅外波段。OH自由基在784.9 nm處有微弱的特征峰，C2自由基在512.8，810.5 nm處存在的較強特征峰值可以作為判定丙烷火焰燃燒的光譜診斷依據。

2)在431 nm處有較強的CH自由基特征譜帶，其中431.2 nm處的特征峰值較為明顯。H2O分子光譜的振動-轉動光譜表現為譜線較強的588，650，930 nm譜帶，其中在652.2，927.8 nm處存在明顯的特征峰值，適合作為丙烷燃燒信號的辨識光譜。

3)沿火焰軸向，隨著火焰舉升高度的增加，自由基C2、CH峰值強度呈現先增加后減小的趨勢，H2O分子振動-轉動光譜強度沿軸向單調遞增。火焰徑向距離上，光譜數據采集區域應落在有效的測量區間內，因此在火災的光譜識別與防控過程中，探測設備的布置應充分考慮安裝距離、火焰半徑和光纖數值孔徑的綜合影響。