反扩散火焰的多波长温度测量研究

李长松,唐广通,翁 灿,何小煌

(1.河北建投承德热电有限责任公司,河北 承德 067000；2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021；3.成都三峰环保发电有限公司,四川 成都 610200；4.华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室,湖北 武汉 430074)

火焰燃烧温度的测定是燃烧、动力学领域所关注的重要方向。以电站锅炉为例,炉内火焰温度及发射率的测量对于炉内辐射传热过程具有举足轻重的作用,对于揭示燃烧现象的本质和燃烧理论的发展,以及提高大型电站锅炉炉膛运行的安全性、经济性和低污染性都具有重要的现实意义[1]。温度的测量方法总体上可以分为接触式和非接触式2种,非接触式测量方法中比较常用的是双色法和多波长法,但是双色法仅限于发射率均匀的火焰。对于发射率随波长变化不均匀火焰,更多地采用多波长法来获得更加精确和稳定的温度测量结果[2]。Sun等利用光纤光谱仪对可见光波段中燃烧火焰辐射进行测量,采用多波长分析方法来研究燃烧火焰的温度,并开发了一种简单的方法来判断不同火焰的灰色辐射假设[3]。

反扩散火焰(Inverse Diffusion Flame,IDF)是扩散火焰的一种,其特点在于氧化剂处于燃烧器喷嘴的中心通道,而燃料则从四周通入。反扩散火焰在航空发动机燃烧室、工业煤粉燃烧器中均有应用。此外反扩散火焰的燃料侧,由于氧化剂浓度低,生成的碳黑不易被氧化,有利于研究碳黑颗粒的生成,因此近年来对反扩散火焰的研究越来越受到重视。Wu最早对反扩散火焰的特性进行了研究,根据火焰形态对反扩散火焰进行了分类[4]。Jung等研究了富氧气体反扩散火焰工况,发现氧浓度的增加导致火焰高度显著降低[5]。Escudero研究了氧化剂中氧气的含量对反扩散火焰的温度以及碳烟生成的影响[6],试验结果表明在相同的高度上,反扩散火焰氧化剂中的氧气含量越高,其温度以及碳烟体积分数都表现出增加的趋势。

以下基于火焰热辐射原理,搭建了一套反扩散火焰实验研究装置,利用高光谱成像系统测量火焰辐射强度,采用多波长法研究乙烯和空气同轴射流反扩散火焰温度和发射率特性,得到了空气和乙烯流量对反扩散火焰的温度和发射率分布的影响,并与常规扩散火焰进行对比分析,得到二者在燃烧特性方面的差异,验证了多波长测量技术的可行性。

1 实验系统与方法

1.1 实验装置

乙烯反扩散火焰实验装置如图1所示,主要由反扩散火焰燃烧器以及高光谱成像系统2部分组成。其中反扩散燃烧器由3根同心圆管组成,中心管内径为10 mm,用以提供空气；中管内径为30 mm,用于输送燃料；氮气则通过内径为64 mm的外管送入,以隔绝外界空气,保持火焰的稳定性。整个燃烧器位于通风管道之下,防止乙烯、碳烟造成室内污染。高光谱成像系统由高光谱仪和计算机组成。该高光谱仪测量范围是400～1 000 nm,可以将拍摄图像在波长的测量范围内间隔4.687 5 nm进行分离,形成128张单独波长的火焰辐射图像。实验工况如表1所示,工况7为常规扩散火焰的标准工况,作为对比分析的常规扩散火焰样本。

表1 实验工况

图1 反扩散火焰实验装置

1.2 多波长测温原理

根据维恩定理,高光谱仪测得的火焰光谱辐射强度可以表示为

式中:ε(λj)为随波长变化的发射率；c1与c2分别为普朗克第一常数与普朗克第二常数；T为温度。在选取的600～900 nm的波长范围内,根据高光谱仪的分辨率,即有64个式(1)的方程组成超越方程组,求解各个波长下的发射率ε(λj)以及温度T。对于此超越方程组,可采用牛顿迭代法求解[7]。

在迭代计算过程中,初值的选择对求解结果的准确性有很大的影响,因此,可先采用双色法的计算结果T0和ε0(λj)作为迭代初值,保证最终迭代结果准确合理。双色法的求取温度如下

通过式(2)得到初值后,即可进行牛顿迭代,随着迭代次数r的增大,最终收敛的结果T r、εr(λj)作为本文的最终结果,收敛性则由温度的微小增量ΔT r决定,其表达式如下

式中:ΔT r为第r次迭代后的温度增量；I rc为第r次迭代得到的温度T r和εr(λj)。通过方程(1)计算得到光谱辐射强度。当温度增量ΔT r无限趋近于0时,代表计算结果收敛。图2表示工况6中根据上述方法计算的温度增量ΔT以及温度T随迭代步数的变化情况。从图中可知,经过此方法的迭代,温度增量ΔT逐渐变小,趋近于0,温度也趋于平缓,稳定在1 937 K,收敛性良好。

图2 温度增量ΔT与温度T随迭代步数的变化

运用上述方法对标准工况的常规扩散火焰的温度与发射率进行了计算,其二维分布如图3所示。与文献[4]中结果进行比对,发现二者温度和发射率的分布规律都呈现出良好的相符性,从而证明了该技术对火焰温度及发射率计算的可行性。

图3 常规扩散火焰的温度及发射率二维分布

2 实验结果和数据分析

2.1 乙烯反扩散火焰形态

不同空气流量和不同乙烯流量反扩散火焰的图像如图4所示。反扩散火焰具有明显的分层现象,内层为淡蓝色火焰,即反扩散火焰的燃烧区,而外部黄色火焰区域为碳氢化合物经过一系列化学反应后形成碳黑颗粒的反应区。

图4 不同空气流量(左)和不同乙烯流量(右)反扩散火焰图像

随着空气流量的增加,反扩散火焰的高度在增大。在氧化剂管径不变的情况下,空气的流速增大,其扩散作用增强,碳黑颗粒生成区扩大,再加上燃烧反应更加完全,使反扩散火焰的高度与亮度增加。而在火焰径向上,随着空气量的增加,加强了其在径向上的扩散和卷吸,火焰宽度增加。与不同空气流量下的结果不同,在乙烯流量增加时,反扩散火焰在轴向以及径向上的长度都有所降低。在喷口处的空气速率不变情况下,燃料量的增大加剧了燃烧反应,从而使氧化剂在轴向以及径向上的消耗增大,扩散作用下降,进而使火焰高度与宽度都有所下降。

2.2 乙烯反扩散火焰的温度特性

根据上述计算温度的方法计算得到各个工况下各点的温度,并绘制其二维分布图,如图5和图6所示。从整体上看,反扩散火焰的高温区位于火焰边缘内侧,呈细长型带状分布,处于火焰的富燃侧。在同一高度上,由于冷态氧化剂的通入,使火焰中心的温度相较于火焰两翼低。而在高温区外侧,氧化剂沿径向消耗,扩散减弱,使该区域的温度最低。在远离火焰根部的区域,由于空气与燃料沿着火焰轴向上的消耗,燃烧反应逐渐减弱,气体温度也逐渐降低。与常规扩散火焰的温度二维分布相比,反扩散火焰的温度与常规扩散火焰处于同一水平,且二者的高温区位置都位于火焰边缘内侧,但是反扩散火焰的高温区相较于常规扩散火焰更狭长。

图5 不同空气流量下的火焰温度的二维分布

图6 不同乙烯流量下火焰温度的二维分布

由图5可以看出,反扩散火焰温度在1 400～2 000 K,且随着空气量的增大,火焰最高温度逐渐升高(1 865 K、1 919 K、1 945 K),最大相差80 K。随着乙烯流量的增加,火焰温度也呈现出逐渐升高的趋势(1 898 K、1 919 K和1 990 K),即反扩散火焰的最高温度随着氧气流量以及乙烯流量的增加而升高。氧化剂和燃料的增加,都会使参与燃烧的反应物增加,提升了燃烧反应速率,从而提高了燃烧反应温度。

2.3 乙烯反扩散火焰的发射率特性

反扩散火焰的发射率峰值区域位于火焰边缘两翼以及火焰顶部的位置,见图7和图8。因为反扩散火焰中心氧气浓度高,生成碳黑颗粒易被氧化。在火焰的燃料侧,氧气浓度低,碳黑颗粒氧化程度低,易积累团聚,使碳黑体积分数高,发射率高。由于火焰顶部温度低,不利于碳烟的氧化,并且氧化剂沿轴向的消耗,顶部氧化剂的浓度低,碳烟颗粒的氧化速率很慢,因此在火焰顶部碳烟的浓度高,发射率较大。对比常规扩散火焰,反扩散火焰的发射率远低于常规扩散火焰,且峰值位置也存在较大差异。

图7 不同空气流量下的火焰发射率的二维分布

图8 不同乙烯流量下的火焰发射率的二维分布

根据不同空气流量下的火焰发射率分布可以看出,随着空气流量的增加,反扩散火焰的发射率峰值逐渐增大(0.017、0.022、0.027)。因为火焰高度增加,使得碳黑颗粒在火焰中的驻留时间增长,碳黑体积分数增加,发射率增加。随着乙烯流量增加,反扩散火焰的高度降低,碳黑颗粒在火焰中的停留时间减少,发射率的峰值降低(0.031、0.022、0.020)。

3 结论

本研究利用扩散火焰验证多波长测量技术测量火焰温度及发射率的可行性,为进一步应用于电站锅炉炉膛火焰温度及发射率测量提供了可靠的技术方案,为电站锅炉调整机组负荷及运行状态,提供了关键现场数据。

a.用多波长测量技术对常规扩散火焰和反扩散火焰进行测量,得到较为准确的温度和发射率结果,表明该测量技术是可行的,可以应用于电站锅炉燃烧火焰等实际火焰的测量。

b.随着空气流量增加以及乙烯流量减小,反扩散火焰径向和轴向的尺寸增加。

c.反扩散火焰的高温区位于火焰边缘的内侧,呈细长型带状分布,而火焰中心的温度较低,火焰的最高温度随空气流量与乙烯流量的增加而升高。

d.反扩散火焰的峰值发射率集中在火焰两翼及顶部的位置,且与空气流量呈正比关系,与乙烯流量呈反比关系。

e.与常规扩散火焰相比,反扩散火焰的最高温度与其在同一水平,高温区的位置类似,但反扩散火焰的高温区更狭长,并且峰值发射率远小于常规扩散火焰,峰值位置也不相同。