海洋生物质燃烧温度测量实验的教学实践

(江苏海洋大学 新能源研究所，江苏 连云港 222005)

学生创新能力、实践能力的培养是高校教育教学改革的重要目标，而实验教学恰在加深学生对基础理论知识的理解及创新实践能力的培养发挥了重要作用。同时实验教学方式改革、实验教师队伍建设、实验条件改善是推进本科实验教学水平不断提高的主要措施。实验室作为实验教学的基地，完善的配套仪器与设备是开展是实验教学工作的先决条件[1-2]。依据江苏海洋大学海洋特色的发展要求，海洋生物能源的热利用作为重要的发展对象，给海洋生物质热利用实验室的建设带来了新的契机，为相关实验平台的设计和搭建提供了条件。

充分开发利用海洋空间发展海洋藻类是获取生物质原料的重要途径，海藻生物质具有产量高、适应力强、生长速度快、不占用土地与淡水资源等诸多优点，发展有效的海藻生物质产业化应用技术具有重要意义。其中，海藻生物质的热转化利用研究已取得很大的进展。20世纪70年代美国政府便开启了利用微藻产油的研究计划，筛选适应力强、含油量高的优质品种，采用开放式培养的低成本模式来提高微藻油脂产量。日本在2007年也启动了利用马尾藻规模化生产车用乙醇的研究计划。欧盟及其成员国在2000年初就聚焦于藻类的低成本种植与采集技术，持续增加藻类生物质燃料技术的研发创新投入。我国对海洋生物质的开发利用发展也很迅速，一些国家重点高校、研究所承担了多项国家及省部级研究课题，在海藻能源领域取得了一些重要进展[3]。

生物质能的热转化利用方式很多，其中燃烧技术较为成熟且便于规模化利用。藻类生物质直接以海水作为天然培养基，以海水中的矿物质营养盐、空气为基质，通过光合作用将太阳能转为化学能储存在有机质中。藻类生物质中硫的含量极少，因此燃烧时不排放有毒有害气体，同时藻类在其生长过程中会大量固定CO2，起到保护环境的作用，这使得海藻生物质具备作为燃料的应用潜质，但海藻的水分含量较高，燃烧处理与陆生生物质会有差异，能否在炉内稳定的燃烧也需要开展研究。海藻燃烧过程中温度的准确测量对深入掌握燃烧机理以及对燃烧过程中的产热和放热过程的机理具有重要意义。关于燃烧温度的检测方法有多种，常用的测温方法分为接触式与非接触式。热电偶、光学温度计作为接触式测温设备，具有使用方法简单和测温效果准确的优点，但也存在只能单点测温并会对流场造成扰动的不足。随着计算机科学、图像处理技术及光学监测仪器的快速发展，基于数字图像来定量描述火焰参数的方法得以实现。火焰图像包含了丰富的燃烧过程信息，通过工业相机获取燃烧火焰的瞬时图像，利用光学结合辐射理论和图像处理技术便可演算出瞬时温度。这类光学测温方法自20世纪60年代，便被引入到燃烧过程的监测中，成为了燃烧实验的有效工具[4-5]。

1 实验教学内容

本文利用光学测温技术，以海洋生物质为燃料设计了针对本科生的燃烧测量实验,并结合生物质能工程专业课程内容，指导学生开展了教学实践活动。通过海洋生物质燃烧测量的实验，加深了新能源专业学生对燃烧理论的理解与掌握，特别是对先进测量方法及新型测量仪器的使用方法，相关实验对锻炼学生的实际动手能力起到了积极作用。

设计搭建由小型燃烧炉、供风系统、CCD工业相机和计算机构成的海洋生物质燃烧监测系统。小型生物质燃烧炉为海藻类生物质提供燃烧环境，小型鼓风机为炉内提供0.01～0.5 m3/min的空气流量，利用转子流量计控制进入炉内的风量调整炉内稳定燃烧。MV-EM系列的以太网CCD工业相机实时采集炉内燃烧火焰，该相机采用高品质感光器件，拍摄的燃烧火焰图像清晰、低噪声、色彩还原度较好，支持1 600×1 200的最高分辨率以及40fps的帧速，完全满足本实验的需求。采集到的火焰辐射图像保存至计算机硬盘，根据图像处理技术完成火焰图像参数计算。

实验材料海藻采集于连云港海州湾，将海藻在淡水中冲洗后置于阳光下自然晾干，并放入干燥箱干燥8个小时后作为实验原料。将经过预处理后的海藻置于炉内引燃，设置CCD工业相机参数，实时采集燃烧火焰图像。某一时刻的原始火焰图像如图1所示。

图1 原始火焰图像

2 测温实验原理

对于CCD工业相机采集的彩色火焰图像中每一个像素的红(R)、绿(G)、蓝(B)值表征了燃烧火焰的单色辐射强度。可以表示为

I(λR)=α×R,I(λG)=β×G,I(λB)=γ×B

(1)

式中：I(λR),I(λG),I(λB)分别为火焰在波长λR,λG,λB下的单色辐射强度；α,β,γ为标定系数。根据文献中相关研究表明生物质燃烧火焰辐射可近似为灰体辐射，由维恩辐射定律灰体发射的单色辐射强度为[6]

(2)

式中：普朗克常数C1= 3.742×10-16W·m2，C2= 1.438 8×10-2m·K，ε(λ)为光谱发射率。结合式(1)、式(2),可得红、蓝、绿色的辐射强度分布为

(3)

根据双色法计算温度的基本原理，测量出两个不同波长下的辐射强度后，利用任意两组数值的比可消去未知的光谱发射率对测量温度的影响。由式(3)红、蓝两波长下的单色辐射强度来计算火焰的温度，需要注意这里光谱辐射率等于全波长辐射率，即ε(λR)/(λG)≈1，因此火焰温度的计算式为

(4)

式中：标定系数α/β=GIbR/RIbG，其中IbR，IbG为对红、蓝两通道的黑体辐射强度，可由维恩辐射定律直接计算。通过热电偶在燃烧火焰中进行定点测量，其结果作为参考点温度来确定标定系数，同时该参考点的相机光谱通道响应R、G值作为已知量带入计算标定系数的表达式中。该方法简单、灵活，在缺少黑体炉等标定设备的情况下是一种有效计算标定系数的方法。

3 实验结果

通过上述方法，可以计算出图1所示火焰图像的温度分布，其结果如图2所示。

图2 温度分布

通过计算结果可以发现该时间段采集的海藻生物质燃烧图像为185×210像素，其温度范围主要在450～950 ℃，温度分布与原始火焰图像的亮度基本对应，说明方法的有效性。调整燃烧条件，可以方便地计算出不同工况下燃烧火焰温度的变化规律，实现对燃烧状况的分析。

4 结 语

通过燃烧教学实验可以锻炼学生将所学专业知识应用到解决实际工程问题的能力。针对海洋生物质燃烧利用过程中的温度测量问题，通过设计并完成实验内容，包括实验原料的选择与预处理、实验因素与水平划分、实验仪器使用与调试、实验结果记录与分析等步骤，锻炼学生们的动手能力；掌握实验原理，包括海洋生物质的燃烧过程及机理、热电偶测温和光学测温原理、火焰辐射定律和辐射图像处理技术等理论知识；同时通过传热学、燃烧学、光学与计算机技术等多学科交叉解决实际问题，培养学生们的创新思维能力；实验教学过程涉及燃烧炉、高压气瓶、工业相机的使用，因此在开展实验之前对学生们进行安全教育并严格遵守实验中心的相关条例规定，在指导教师的指导下分组完成实验。各组学生合理分工，汇总完成实验报告，组与组之间相互验证实验数据的准确性，提升了学生们之间的团队协作能力。

海洋生物质燃烧测量实验的开展在培养新能源专业学生的学习兴趣、学习主动性与创造性，以及对课堂教学方法的完善等方面发挥了积极作用。