基于光谱处理和热电偶测量的生物质火焰发射率实验研究

2021-05-17

中南大学学报(自然科学版) 2021年4期

(华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室，北京，102206)

能源是社会发展的基石，目前世界能源需求仍以燃烧产生的能量为主[1]。相比化石燃料，生物质燃料为可再生能源，储量丰富，利用潜力巨大。但因生物质燃料燃烧的热能转换效率低、稳定性差、设备不完善等制约了其发展[2]。为了拓宽生物质燃料的使用领域，需进一步完善生物质燃烧设备。生物质燃料在高温设备中燃烧时，热辐射是最主要的传热方式，热辐射参数是燃烧过程数值模拟计算所必需的输入参数，也是设备参数优化设计的重要依据，而发射率是表征目标热辐射能力的物理量，其受温度、波长、材料等众多因素影响，难以直接测量，故如何准确获得生物质燃烧火焰发射率成为广大学者研究的热点。AGUEDA等[3]利用红外辐射图像信息对森林可燃物的火焰发射率进行了研究，得到了发射率与消光系数之间的关系，但是该方法不适用于大型燃烧设备中火焰发射率的计算。万振刚等[4]利用光纤光谱仪对电站煤粉锅炉的火焰发射率进行了研究，利用CCD阵列转化辐射信号，通过拟合计算可实时监测锅炉火焰各特征区的平均温度和火焰发射率。文献[5-8]利用光谱辐射测温技术，通过数据处理算法反演得到待测火焰的真实温度和光谱发射率，其中，单色法和双色法[5]均是在被测火焰发射率不随波长变化的灰体假设下进行，而多光谱辐射测温方法[6-8]则围绕建立实验过程中的发射率模型展开。然而，过往研究成果[9-10]表明光谱发射率变化复杂，很难用固定的函数关系进行表述，孙晓刚等[11-12]提出的可变发射率模型有一定的适用性，但是假设的发射率模型无法通用。此外，因为火焰温度和辐射特性参数相互耦合，温度计算值依赖于光谱发射率模型的建立，其准确性无法保证，温度的误差同时会影响到反演计算所求发射率的准确性，且算法迭代时间较长，无法满足实时测量的需求。

开展火焰温度和辐射特性参数测量研究是深入了解燃烧过程的一种有效手段；对于生物质燃烧火焰，火焰温度和发射率是反映燃烧特性的2个重要参数，这2个参数的准确测量将对生物质燃烧机理的深入研究提供指导作用。本文作者结合火焰发射光谱和热电偶测温方法，对生物质火焰燃烧过程中随波长变化的发射率分布进行实验研究。提出一种生物质火焰发射率的热电偶计算模型，并在生物质燃烧炉中对3种常见生物质燃料燃烧火焰(松木，红木，稻壳)进行检测实验，并将发射率计算结果与光谱计算模型所得结果进行对比验证。

1 发射率测量方法

1.1 热电偶计算模型

在生物质燃烧实验中，火焰光谱检测系统与热电偶测温系统同时从燃烧炉水平相对检测孔中采集数据，采样频率均为1 Hz。

在热电偶测温过程中，浸入火焰中的长度超过5 cm，忽略沿热电极的热传导所传递的热量，同时假设热电偶测温点与其周围环境处于热平衡状态，则本实验中热电偶测温点的能量平衡可由式(1)简化为式(2)。

式中：ρ为热电偶密度；Cp为热电偶比热容；V为热电偶测温点的体积；Tb为热电偶测温点的温度；t为热电偶测量时间；Qconvection为对流换热传递的热量；Qradiation为辐射换热传递的热量；Qconduction为热传导传递的热量。

对于生物质燃烧火焰，辐射传热量包括炉壁与测温点之间的辐射效应及碳烟与测温点之间的辐射效应，可得出辐射传热量的公式为

式中：σ为黑体辐射常数，为5.67×10-8W/(m2·K4)；Ab为热电偶测温点面积；Tw为炉壁温度；Tf为生物质火焰的真实温度；εb为热电偶测温点的发射率。在一定的温度范围内，εb可由经验公式(4)求得[13]：

由于炉壁的温度Tw远远低于热电偶测温点的温度Tb，因此，可以忽略式(3)中的炉壁温度，则式(3)可简化为

热电偶测温点与生物质火焰之间对流换热过程传递的热量为

式中：h为对流换热系数。

式中：Db为热电偶测温点的直径；ψ为待测火焰的导热系数，其数值基于测量点的温度，在770～2 070 K的温度范围内，由式(8)求得。

由于B型热电偶低温时的电压不精确，冷端修正与否对测量结果仅有1 ℃左右的差别，可以忽略，故利用一下数值迭代方法计算式可求解出生物质火焰的真实温度Tf：

火焰光谱测温系统利用光谱仪可以得到一定波长范围内的火焰单色辐射强度信息，但系统的原始输出信号是经光电转换后的电信号，为相对强度，因此，必须对系统输出的电信号进行绝对黑体辐射强度的标定。光谱仪通过黑体炉标定后，即可以输出测量范围内火焰在不同波长下的光谱辐射强度。

热辐射引起的光谱辐射强度由普朗克辐射定律描述如式(10)所示。根据普朗克辐射定律及测得不同波长下的实际火焰发射光谱强度I，由式(11)可求得生物质火焰随波长变化的发射率[14]。

式中：c1和c2均为普朗克常数，c1=3.742× 10-16，c2=1.438 8× 10-2；Ib为黑体光谱辐射强度；T为热力学温度；λ为波长；ε为所求生物质火焰发射率。

1.2 光谱计算模型

为了对比热电偶计算模型的准确性，引入基于多个波段下的辐射强度来计算待测火焰温度和发射率的光谱计算模型[15]。该模型基于牛顿迭代法求解温度、辐射特性参数与波长间多项式关系的各阶系数以及随多项式阶数收敛的多项式关系，从而得到生物质火焰的发射率。

对于光谱检测系统，光谱仪通过黑体炉标定后，即可以测量一定波长范围内火焰的光谱辐射强度。光谱辐射强度可表示为[16]

式中：I(λ,T)为实际辐射强度；Ib(λ,T)为黑体辐射强度；a0，a1，a2，…，an为未知的多项式系数；n为多项式的阶数，为大于等于0的整数。在此条件下，将计算转化为根据不同波长下光谱数据求解发射率各阶系数a0，a1，a2，…，an及温度T。

2 实验测量

2.1 实验原料

本实验选用3 种常见生物质燃料，分别为松木、红木和稻壳。3种生物质燃料的工业分析和元素分析结果见表1。由表1可知：松木的挥发分质量分数(78.60%)比红木(70.20%)和稻壳(63.32%)的高，红木的含水量最高，稻壳的灰分含量最高。

表1 生物质燃料的工业分析和元素分析Table 1 Industrial and elemental analysis of biomass fuels

2.2 实验装置

检测实验装置为生物质燃烧实验炉，包括生物质燃烧器、带有光学观测端口的燃烧炉、光谱检测系统、热电偶测温系统以及其他组成部分，如图1所示。

螺旋输送机输送生物质颗粒到燃烧室，由一次风机和二次风机提供燃烧所需的空气，采用变频器控制调节风机进风量。一次空气从炉排底部的3个进气口均匀地进入生物质燃料层，提供生物质颗粒一次燃烧所需的氧气。二次空气从炉室外壁和燃烧室夹层流出，并进行热量交换，然后，空气从中间层流出进入燃烧室，挥发分与二次空气充分混合在炉内燃烧。光谱检测窗口和温度检测窗口分别位于炉膛的相对侧壁，检测窗口与火焰喷嘴的水平距离为280 mm，喷嘴内径为100 mm。在温度检测窗口外放置了1个B型热电偶。热电偶的测量点浸入火焰中，与光谱检测窗口水平对齐。光谱测温系统使用的光谱仪型号为Avaspec-Mini2048CL，光谱仪的光谱响应波长范围为360～1 100 nm，光谱分辨率为1.3 nm。光谱仪的光纤前端装有准直透镜探头，以保证进入光纤的是探头正视方向的平行光，确保精确的测量角度。

2.3 光谱标定

标定实验装置包括高温黑体炉、光谱仪、计算机、光纤、透镜等。将透镜连接光纤正对黑体炉炉口，通过计算机软件控制光谱仪的采集工作。首先根据标定温度T和黑体炉发射率ε由普朗克定理式(10)计算得到黑体辐射强度Ib(λ)，其中，发射率默认为1，标定温度分别取1 677 K和1 823 K。

将光谱仪响应值扣除暗背景并标定后能得到实际的单色强度。通过直接测量黑体炉辐射得到光谱仪的响应强度S(λ)，再计算出黑体辐射强度Ib(λ)，由式(13)可以得到光谱仪标定系数C(λ)。不同温度下的标定曲线如图2所示。

式中：t为光谱仪的积分时间。

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

图2 光谱检测系统黑体炉标定曲线数Fig.2 Calibration curve of blackbody furnace for spectral detection system

3 实验结果分析

3.1 光谱分析

光谱检测系统测量得到3种生物质火焰光谱辐射强度在当量比为0.85时的分布如图3所示。从图3可知：火焰发射光谱在400～900 nm 波长范围内存在2 条强烈的特征谱线；分别为590 nm 处的Na特征谱线和767 nm 处的K 特征谱线；生物质燃料中含有大量Na 和K 等具有强烈焰色反应的碱金属元素，在火焰燃烧过程中被热激发产生特殊谱线。特征谱线的强度被认为与挥发性K 和挥发性Na 的浓度成正比[17-19]，在火焰燃烧温度下，碱金属除了少量以氧化物形式滞留在固相中外，大部分以气态的形式析出，故特征谱线的绝对辐射强度可以表征不同原料中Na和K元素相对含量比。由图3得到Na和K特征谱线的绝对辐射强度如表2所示。

图3 3种生物质燃烧火焰辐射强度Fig.3 Three biomass burning flame radiation intensity

表2 K和Na特征谱线的绝对辐射强度Table 2 Absolute radiation intensity K and Na characteristic spectral lines W·m-2·sr-1

由表2可知：3 种生物质燃料中，稻壳中K 元素含量最高，松木中其次，红木中最低；而松木中Na元素含量最高，稻壳中其次，红木中最低。

挥发分物质的燃烧产物为碳烟，生物质燃料中挥发分物质的质量分数越高，碳烟的浓度越大，生物质火焰实际光谱辐射强度越大。对比3种燃料的工业分析结果，松木的挥发分质量分数最高(78.60%)，红木的其次(70.20%)，稻壳的最低(63.32%)。由图3可知松木燃烧火焰的光谱辐射强度大于红木燃烧火焰的光谱辐射强度，也大于稻壳燃烧火焰的光谱辐射强度。

3.2 热电偶测温分析

热电偶测量温度经式(9)修正后可得生物质火焰的真实温度，如图4所示。从图4可见：松木燃烧火焰温度的热电偶测量值为1 282 K，修正后的温度为1 501 K，修正差值为219 K；红木燃烧火焰温度的热电偶测量值为1 177 K，修正后的温度为1 335 K，修正差值为158 K；稻壳燃烧火焰温度的热电偶测量值为1 203 K，修正后的温度为1 370 K，修正差值为167 K。由修正结果结合迭代计算式(9)可推断，修正的温度差受热电偶测温点的温度Tb影响，Tb越高，修正差越大，计算的燃烧火焰真实温度Tf越高。

图4 3种生物质燃烧火焰热电偶温度Fig.4 Three biomass burning blame thermocouple temperatures

对比修正后的真实温度可以判断出松木燃烧火焰温度最高，稻壳燃烧火焰温度居中，红木燃烧火焰温度最低。结合3 种生物质燃料的工业分析，红木的挥发分物质的质量分数要高于稻壳的挥发分物质的质量分数，但是，红木中含水量较高，水分蒸发吸收部分热量，导致红木燃烧火焰的温度低于稻壳燃烧火焰的温度。

3.3 发射率计算结果和误差分析

图5所示为检测实验中3 种生物质火焰通过2种计算模型所得发射率的结果及相对误差。由热电偶计算模型得到的发射率结果为：松木燃烧火焰发射率的最大值为0.066，最小值为0.026；红木燃烧火焰发射率的最大值为0.054，最小值为0.016；稻壳燃烧火焰发射率的最大值为0.038，最小值为0.009。同时由图4可观察到：火焰发射率在光谱短波段达到最大值，随波长的增大而减小，这与碳氢火焰吸收系数满足瑞利近似规律相符合，吸收系数与波长成反比。

图5 3种生物质燃烧火焰发射率结果及相对误差Fig.5 Results and relative error of flame emissivity of three biomass combustion

由于3种生物质燃料挥发分物质含量不同，而挥发分的含量决定燃烧过程碳烟的浓度，且碳氢火焰辐射主要来源于碳烟颗粒物的连续辐射[20-24]，故同一波长下松木燃烧火焰发射率最大，其次是红木燃烧火焰发射率，稻壳燃烧火焰发射率最小。

利用光谱计算模型结果对热电偶计算模型精度进行验证。定义发射率相对误差为将2种模型同波长所得发射率之差的绝对值除以热电偶模型计算范围内发射率的最大值。热电偶测温准确度最高，且只需要求解发射率，而光谱计算模型需要同时解耦温度和发射率，所得温度和发射率计算值精度都比热电偶计算模型所得的精确低。

由图5可知：短波段测量仪器噪声较大导致热电偶计算模型结果波动较大，相对误差较高，长波段相对误差较小；整体相对误差小于10%的发射率所对应的波长范围占测量波长范围的96%以上；松木的发射率平均相对误差为2.41%，红木的发射率平均相对误差为2.64%，稻壳的发射率平均相对误差为3.02%，均小于4.00%。故热电偶计算模型适用于多种生物质火焰燃烧发射率的计算。