92号汽油燃烧初期火焰光谱特征研究

张霖 蒋新生 徐建楠 李静野 赵亚东

摘      要： 为丰富油料火灾探测机理研究，自主搭建油料燃烧模拟实验台架，排除自然光线背景光谱等的影响后，使用光谱测量装置对油池中92号汽油燃烧火焰发射光谱数据进行采集，得到92号汽油燃烧初期火焰光谱。对92号汽油燃烧发射光谱进行频域分析、时域分析以及特征参数分析，得出其燃烧火焰发射光谱的相关性质：在380～780 nm可见光波段，光谱强度较强，随反应的进行强度逐渐增大，随波长增大强度呈上升趋势，存在较多明显的特征谱峰，可以作为粗略检测92号汽油燃烧火焰辐射强度的特征区域。200～1 100 nm的整个波段内，初步可将光谱强度相对较大、特征峰值较易辨识的431、512、516、547、589、766、769、928、933 nm作为92号汽油燃烧火焰识别的标志波长。

关  键  词：汽油;火焰;燃烧初期;光谱特征

中图分类号：O 657.3       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）10-2177-06

Abstract： In order to enrich the mechanism research of oil fire detection， the oil combustion simulation experiment bench was built independently in this paper. After the influence of natural light background spectrum was excluded， the spectral measurement device was used to collect the flame emission spectrum data of No. 92 gasoline in the oil pool， and the initial flame spectrum of No. 92 gasoline was collected. In the 380-780 nm visible band， the intensity of the spectrum was relatively strong. As the reaction proceeded， the intensity gradually increased， and the intensity also increased as the wavelength increased. The spectral intensity took up the main part of the flame spectral radiation， and there were many obvious characteristic peaks， which was used as a characteristic area for roughly detecting the flame radiation intensity of No.92 gasoline. In combination with the radiation energy and time domain analysis in the spectral band， it was pointed out that the development stage of flame spectra radiation was mainly the process of pyrolysis and oxidation of small molecule hydrocarbon. In the whole band of 200～1 100 nm， 431， 512， 516， 547， 589， 766， 769， 928 and 933 nm with relatively large spectral intensity and relatively easy identification of characteristic peak value can be preliminarily used as the signal wavelength of flame recognition for No. 92 gasoline combustion.

Key words： Gasoline; Flame; Initial combustion; Spectral characteristics

自從石油工业建立以来，国内外发生的油料火灾安全事故数不胜数。近40年来发生的油料安全事故，着火爆炸类事故占比达到了42.4%，有1 300多人在该类事故中伤亡，占总伤亡人数的84.9%，并造成巨大的经济损失以及环境影响[1]。火灾初期火焰燃烧范围不大，发展的速度较慢，发展过程中火势不稳定，此阶段是灭火的最佳时机。油料火焰光谱以光速传播，在红紫外区的抗干扰能力强，识别准确率高，能够满足油料火灾快速准确识别的要求。

近年来，大量的国内外专家学者利用火焰发射光谱对燃烧产物分析、燃烧过程监控、以及光谱测温技术等进行了一系列的研究。Yasuhisa Ichikawa[2]等比较了同样实验条件下的CO/H2/CO2/空气预混气体和甲烷/空气预混气体的燃烧情况，分析了火焰结构和燃烧速度，比较了火焰的光谱辐射特性。季明彬[3]将火焰光谱分析得出的温度及黑度应用于燃烧诊断。亚云启[4]等使用便携式光纤光谱仪测量了垃圾焚烧炉内的垃圾燃烧光谱，并使用新的算法进行了燃烧分析诊断。肖开泰[5]基于光谱气体检测技术开发了井下光谱多参数分析系统，可以监测毒害气体、预警煤矿火灾。敖文[6]使用光纤光谱仪和高速摄影仪对硼粉燃烧火焰形态及光谱进行了采集及分析。李孝斌[7]等通过分析小尺度实验测得的甲烷爆炸感应期内CN、CH、CHO、CH2O、NCN等含单C自由基特征光谱，为可燃气体爆炸感应期监测预警打下了基础。刘奎[8]等进行小尺寸实验，通过分析体积分数10%的甲烷爆炸火焰光谱，总结了分析方法。王宝璐[9]等研究了层流甲烷/空气反扩散火焰中的激发态自由基OH和CH的光谱特征。刘洪涛[10]等在开阔环境下测量了不同可燃物燃烧火焰光谱，并通过小波分解对其进行了分析研究。杨剑[11]分析了甲烷扩散火焰与超细粉体抑爆剂相互作用下的燃烧状态及辐射光谱。综上所述，目前关于火焰光谱的研究多是利用其光谱特性研究可燃物的成分，达到识别燃料种类、监测诊断燃烧火焰状态的目的，且在煤矿瓦斯、环保等方面研究较多，对油料火灾初期火焰燃烧光谱特征关注较少，将其应用于油料火灾初期智能识别的相关研究也较为缺乏。

为进一步研究油料火灾的探测手段、灭火方法和发展规律，为油料火灾的智能识别及自动跟踪灭火提供一定的理论依据，本文将利用搭建的油料燃烧模拟实验系统，分析92号汽油燃烧初期火焰光谱数据，找出92号汽油燃烧初期火焰光谱特征并对其进行分析。

1  实验部分

1.1  实验系统

油料的燃烧实验在图1所示的油料燃烧模拟实验台架上进行，主要包括油料燃燒装置、点火控制装置、光谱测量装置、数据处理系统、温湿度测试装置、消防灭火装置、排烟装置。

油料燃烧装置为直径为200 mm的圆形油池。

点火控制装置采用KTD-A型可调高能点火器，点火频率为单次触发放电一次，点火能量为1-20 J可调。

光谱测量装置采用英国产Newton Andor SR-500i阶梯光栅光谱仪，由单色仪和CCD两部分组成，其主要参数见表1，Andor SOLIS软件采集记录油料燃烧火焰发射光谱。

温湿度测量装置采用（RS-232）温湿度计TES1365，测量范围为：温度-20～60 ℃ （-4～140 ℉），湿度10% RH～95% RH。分辨率为0.1℃/0.1℉/0.1% RH，准确率为：温度±0.5 ℃、±0.9 ℉，湿度±3% RH（25 ℃时30～95% RH）、±5% RH（25 ℃时10～30% RH）。

消防灭火装置包括灭火毯与手提式干粉灭火器，用于对可能发生的火灾进行消防处理。

排烟装置包括排气扇与排烟管路，用于排除实验过程中油料燃烧产生的烟雾。

1.2  实验方案

实验在实验室内进行，通过预先采集自然光线背景光谱来消除其对实验数据的影响;通过预先采集不同电压下点火器电火花的光谱数据来排除电火花对油料燃烧火焰光谱数据的干扰。CCD数据采集模式为（kinetic mode）动力学模式，光栅单次拍摄范围约为350 nm，CCD分辨率为1 024×256，曝光时间为0.003 71 s，拍摄频率为269.54 Hz，在点火器点火前进行触发拍摄，CCD拍摄14.84 s共4 000帧数据，可完整描述燃烧光谱变化。通过CCD制冷模块保证其温度稳定于-80 ℃，以消除CCD产生热量的影响。

每次实验加入92号汽油30 mL至油池中，保证光谱仪系统参数配置正确，在光谱测量装置正常工作后使用点火器操控系统对油池进行点火。将采集数据与Andor SOLIS软件每帧数据进行对比，筛选出油料燃烧火焰发射光谱对应的数据。

由于油料燃烧的复杂性和偶然性以及火焰的闪烁特性，为减小实验误差，进行多次同样工况实验。综合光谱仪分析区间及CCD拍摄区间，可得光谱仪工作区间为200～1 100 nm。因光栅最大摄谱范围为350 nm，故实验分200～550、550～900、900～1 200 nm三部分去进行。

2  结果分析与讨论

通过对92号汽油燃烧发射光谱进行频域分析、时域分析以及特征参数分析，得出火焰发射光谱的相关特征。

2.1  频域光谱分析

（1）光谱强度 光谱强度反映了小尺度油池中心处油料燃烧火焰发射光谱在不同波长处的相对光谱强度。92号汽油火焰发射光谱强度如图2所示。

火焰发射光谱在200～380 nm波长范围内强度小且无可靠特征。在380～780 nm波长范围内强度急速升高，并于431、512、516、531、547、589、766、769 nm附近出现火焰光谱强度的特征峰值。在780～1 250 nm波长范围内强度变小，在927、933、961 nm附近出现火焰光谱强度的特征峰值。

（2）光谱密度 光谱密度反映了油料燃烧火焰发射光谱强度在不同波长上分布的密集程度，由无穷小波长范围内的光谱强度对与其波长进行求导可得，即，是火焰燃烧特性的一种。

92号汽油燃烧火焰光谱密度曲线如图3所示。

92号汽油燃烧火焰光谱密度在200～1 250 nm波段内变化整体比较规律，主要集中在可见光和近红外波段。在431、512、516、531、547、589、766、769、915、928、933、961 nm附近，光谱强度密集程度变化剧烈，表明在这些波长处出现了强度较附近处明显变大的特征峰值。

（3）波段光谱强度与波段平均光谱强度 波段光谱强度由任意波段内的光谱强度对其波长进行定积分可得;波段平均光谱强度由任意波段内的波段光谱强度对其波长范围求平均值可得，通过计算，可得92号汽油燃烧火焰光谱典型波段光谱强度、波段平均光谱强度如表2所示。

92号汽油燃烧火焰波段光谱强度和波段平均光谱强度表明在200～550 nm波段火焰光谱辐射较弱，在550～900 nm波段火焰辐射较强，与火焰发射光谱强度变化相互印证：在200～380 nm波长范围内强度及其变化均较小;在380～780 nm可见光波段强度迅速增至最强;在780 nm处强度开始逐渐减弱。

（4）光谱强度偏差 光谱强度偏差反映了油料燃烧火焰发射光谱在该波段内各波长处的光谱强度与平均值的偏离程度。92号汽油燃烧火焰的光谱强度偏差曲线如图4所示。

光谱强度偏差曲线部分揭示了92号汽油燃烧火焰光谱强度发生变动的情况，在238、259、311、384、431、467、473、490、494、512、516、531、547、563、589、766、769、811、917、928、933、961 nm附近曲线出现较为明显的偏差极大值，判断是在附近波长范围内存在中间产物自由基的特征谱带。

分析火焰发射光谱强度偏差发现，200～380 nm的近紫外光波段238、259、311 nm附近可能存在自由基谱带，而在前文的光谱图中没有表现出明显的光谱强度变化和密度变化，可能的原因是这些中间产物自由基在燃烧反应过程中存在时间极短，难以在实验中对其特征光谱进行捕捉。

2.2  时域光谱分析

（1）波段辐射能量

波段辐射能量反映了油料燃烧火焰发射光谱从点火到某一时刻任意波段内单位面积的光谱辐射能量，92号汽油燃烧火焰光谱波段辐射能量曲线如图5所示。

波段辐射能量曲线揭示了92号汽油燃烧火焰光谱在实验选定的三个波段随反应进行的变化情况：在反应初期波段辐射能量较弱，辐射能量上升的速率较小;伴随反应进行波段辐射能量急劇增强至峰值并出现一段能量的震荡期;之后辐射强度进入相对稳定期，最后燃烧辐射能量逐渐减弱。

三个波段经历火焰光谱辐射初期阶段时间均为12×3.71 ms。这一阶段燃烧反应速率较慢，主要为高分子碳氢化合物的低温裂解和脱氢氧化过程。通过对比已知的自由基光谱谱带发现，中间产物主要为OH、H、O、HO2、C2、C3、CN等自由基离子，特征光谱主要为原子线状谱，逐渐向线状与带状混合的光谱过渡。特征谱带数量较少，使得波段光谱辐射能量较低。这一阶段主要为燃烧的发展过程提供准备，OH、H、O、HO2等自由基活性极强，可以促进反应的进行，进一步积累自由基，促使燃烧进入光谱辐射的发展阶段。

火焰光谱辐射发展阶段燃烧反应速率迅速增大，主要为小分子烃的裂解和氧化过程，反应由低温反应逐步向高温反应过渡。通过对比已知的自由基光谱谱带发现，中间产物主要有HCO、CH2O、CO、CO2、OH、H2O、C2、C3、CN等自由基/分子，特征光谱为线状谱和带状谱的混合连续光谱。特征谱带强度大、数量多，活性自由基浓度和辐射强度达到最值，使得波段辐射能量达到最值，可以作为火焰识别特征。随着活性自由基的反应消耗，辐射能量迅速下降。这一阶段燃烧迅速发展达到其最猛烈阶段，进而反应逐渐进入一个相对稳定的阶段，进入光谱辐射的稳定阶段。

在发展阶段三个波段经历的时间有所不同。在200～550 nm波段，波段辐射能量经过51×3.71 ms达到最值，时间短、强度弱，与后两个波段相差一个数量级。在550～900 nm波段，波段辐射能量于275×3.71与292×3.71 ms两次达到最值，推测是最值的扫描受到炭黑粒子的干扰，真正的最值应处于两者之间，约为283×3.71 ms，强度最大。在900～1 250 nm波段，波段辐射能量达到最值经历319×3.71 ms，时间最长。

在火焰光谱辐射的稳定阶段，燃烧过程稳定进行，化学反应达到相对平衡状态，自由基的生成和消耗达到平衡，波段辐射能量保持相对稳定。火焰的闪烁特性导致波段辐射能量出现规律性波动，由曲线波动初步判断火焰闪烁时间约60×3.71 ms，频率约4.5 Hz。波段辐射能量短期停滞及起伏推测为受反应过程中碳黑粒子的干扰。

（2）波段辐射能量时间段平均值

波段辐射能量时间段平均值反映了油料燃烧火焰发射光谱时间范围内任意波段内单位面积平均辐射光功率;波段辐射能量偏差反映了油料燃烧火焰发射光谱在任意波段内的波段辐射能量与平均值的偏离程度。92号汽油燃烧火焰光谱波段辐射能量偏差曲线如图6所示。

初期阶段辐射强度变化不大，偏差较小，持续的时间与前文一致;发展阶段偏差剧烈变化并出现偏差最值，反映出辐射能量波动中的剧烈上升趋势;稳定阶段偏差数值较小，曲线形态为平滑的水平直线，略微的起伏与前文火焰闪烁特性相印证。

200～550 nm波段在51×3.71 ms时出现偏差最值，表明此时刻辐射能量存在最大幅度跃升，在（21～51）×3.71 ms中间却出现持续时间较短的偏差迅速下降，判断是因炭黑粒子的干扰而非火焰闪烁作用;550～900 nm波段在18×3.71 ms时出现偏差最值，表明有大量新的中间产物自由基生成，导致辐射能量的“瞬时井喷式爆发”，之后自由基浓度增大引起辐射能量的增强;900～1 250 nm波段在66～3.71 ms也出现辐射能量“瞬时井喷式爆发”，生成大量谱带。

2.3  特征参数光谱分析

（1）光谱强度偏度

光谱强度偏度反映了某时刻油料燃烧火焰发射光谱强度分布非对称的程度，92号汽油燃烧火焰选定时刻的光谱强度偏度曲线如图7所示。

92号汽油燃烧火焰光谱在200～1 250 nm范围内存在偏度较大的特征点，分别为512.5、515.9、531.5、543.2、547.0、588.5、766.1、769.6、927.9、933.4、961.4 nm，其中766.1 nm处偏度最大。

（2）光谱强度峰度

光谱强度峰度反映某时刻油料燃烧火焰发射光谱强度峰值的陡峭程度，92号汽油燃烧火焰选定时刻的光谱强度峰度曲线如图8所示。

光谱强度峰度曲线反映出92号汽油燃烧火焰光谱在200～550 nm和900～1 250 nm波段峰度较小，在200～1 250 nm范围内存在峰度较大的特征点，分别为512.5、515.9、531.5、539.8、543.2、547.0、766.1、769.6、927.9、933.4、961.4 nm，在766.1 nm处峰度值最大。

3  结 论

（1）92号汽油火焰发射光谱在200～380 nm波长范围内，强度小、变化弱，无明显区别于其它火焰的特征;在380～780 nm波长范围内，因燃烧的进行导致光谱强度变大，有明显升高趋势，特征谱峰数量较大;780～1 100 nm波长范围内，发射光谱强度虽较大，但随着燃烧的进行，强度逐渐减小。在380～780 nm可见光区波段光谱强度占火焰光谱辐射的主要部分，因此，可见光区可以作为粗略检测92号汽油燃烧火焰辐射强度的特征区域。

（2）结合92号汽油燃烧火焰光谱波段辐射能量分析，在火焰光谱辐射发展阶段主要为小分子烃的裂解和氧化过程，反应由低温反应逐步向高温反应过渡，主要中间产物有HCO、CH2O、CO、CO2、OH、H2O、C2、C3、CN等自由基/分子;这个阶段特征谱带强度大、数量多，活性自由基浓度和辐射强度达到最值，波段辐射能量达到最值，可以利用其特性进行火焰监测识别。

（3）200～1 100 nm的整个波段内，92号汽油燃烧火焰光谱强度在431、512、516、547、589、766、769、928、933 nm附近的特征峰值达到较易辨识的较大相对强度，这些波长比较适合应用于识别92号汽油火焰。

（4）92号汽油光谱强度偏度及峰度较大的特征点集中于380～780 nm的可见光波段光谱，在766.1、769.6 nm的特征波长处光谱强度偏度、峰度均达到较大值，可考虑作为火焰识别特征。

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