不同气体添加剂对丙烷扩散火焰结构和温度的影响

祝 健, 欧瑶琳, 杨慎林

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

研究表明,碳氢燃料燃烧会对人类健康和环境构成严重危害[1-2]。燃烧过程中排放的碳烟颗粒和CO2会吸收太阳辐射,是导致全球变暖的重要因素。前人提出各种方法来减少它们的排放(如废气再循环),CO2和N2是废气的主要成分,通常被添加到氧化剂中以稀释反应物和降低反应温度。H2是一种备受关注的清洁能源,人们将其作为添加剂加入到天然气或其他碳氢燃料中[3-5],但由于其制备、运输和存储等方面的困难,尚未得到广泛应用。有研究表明,无论是添加到燃料侧还是氧化剂侧,添加剂的加入都会通过稀释、热效应和化学作用等多种作用对燃烧状态产生影响[6]。

除添加剂外,基础燃料结构也是影响燃烧状态的一个关键因素。相关研究表明,在添加相同物质的情况下,不同的基础燃料会表现出截然不同的燃烧状态。例如,CO2的添加会降低乙烯火焰高度[3],而对甲烷火焰高度几乎没有影响[7]。丙烷是重要的碳氢燃料之一,但对丙烷扩散火焰研究的文献并不多见,因此以丙烷为基础燃料进行研究有助于丰富不同燃料的燃烧状态数据,进一步完善燃烧机理。

火焰结构和温度是评估燃烧状态的2个重要参数。文献[8]研究火焰尺寸与热释放速率之间的关系,发现火焰高度、火焰面积均与热释放速率呈线性关系。基于图像处理技术的火焰尺寸计算也成为近年来的研究热点。文献[9]将火焰分解为多个子圆柱体,通过计算每个子圆柱体的(体积、面积等)参数来描述火焰形态变化。文献[10]基于该思想进一步提出了轴对称火焰的表面积和体积计算公式,并通过基于固定阈值的图像分割方法从火焰图像中提取出完整火焰区域,实现火焰形态的高精度检测。限于实验条件,丙烷气体在燃烧过程中存在明显的光晕干扰,导致图像中火焰与背景之间的界限模糊,严重影响了火焰形态检测的准确率。火焰温度是影响碳烟生成过程反应动力学速率的重要因素,对碳烟生成过程的一些重要特征参数(如碳烟粒径分布、体积分数等)具有重大影响[11]。因此,评估不同比例的添加剂对燃料火焰温度的影响对于研究碳烟生成机理等具有重要意义。

鉴于上述研究,本文将对CO2、H2、N2这3种气体添加下的丙烷扩散火焰结构和温度进行准确的实验测量,以期为探究不同添加剂对不同性质燃料燃烧状态的影响提供更多实验数据,为发展和验证燃烧模型提供可靠的数据支撑,对推动碳烟颗粒排放控制技术和提高能源利用效率具有参考意义。在MATLAB处理图像过程中,本文提出一种动态阈值法,可以准确地识别火焰区域,而且操作简单。

1 实验方法

1.1 实验装置

丙烷基扩散火焰实验系统如图1所示,该系统主要由供气系统、燃烧器、检测系统3个部分组成。实验气体经减压阀减压后,由浮子流量计控制流量,通过混合器混合为不同体积分数的气体进入燃烧器,形成稳定的扩散火焰。其中,燃烧器喷火嘴外径为17 mm,内径为9.5 mm。在实验开始前,调整相机支架使相机和火焰底面在同一高度上,以便拍摄记录火焰形态,用于后期图像处理。测温选用K型热电偶,其测温上限为1 300 ℃,满足实验测温要求。每隔5 mm测量距离喷火嘴5～35 mm处的火焰中心线温度,每个位置的测量至少重复3次,并求平均值使实验中的操作误差最小化。

图1 实验系统示意图

1.2 实验工况

在所有实验中,丙烷流量在12 ℃、101.3 kPa的环境下保持40 mL/min不变,CO2、H2、N2等添加气体分别以体积分数φ(即添加剂流量与丙烷流量之比)的形式单独加入到燃料中,共16个不同实验工况,见表1所列。每种工况重复3次实验,3次实验得到的火焰形态相差都很小,该实验重复性强,实验结果准确可信。

表1 实验工况

1.3 图像处理方法

文献[10]基于Orloff的“圆柱体法”思想[9],修改完善了对于轴对称或近似轴对称火焰的火焰表面积计算方法。本文在此基础上,利用MATLAB软件对火焰图像进行处理和定量分析。

准确提取火焰区域是计算分析的基础,最普遍的方法是灰度阈值法。在进行预实验时发现,采集到的火焰图像中火焰周围光晕明显,其像素灰度值甚至大于火焰蓝色区域的灰度值,设置固定阈值难以高精度地提取火焰区域。因此,去除火焰周围光晕将成为图像处理的关键。

本文基于丙烷火焰边缘的灰度分布特性,设计了动态阈值法,使火焰和背景有效分割。火焰光晕处理前后的对比效果如图2所示。

图2 火焰光晕处理效果对比

在程序编写中,经过对整张图像灰度值分布情况的了解,将像素点的蓝色通道值分为[0,40]、[40,210]、[210,255]3个区间,并对3个区间内的蓝色通道值赋予新的值，即70、130、255,分别对应火焰蓝色区域、橘黄色阴影区域和明黄色区域。从图2a可以看出,由于光晕的存在和周围环境的影响,火焰区域误差极大。为此,本文在提取火焰区域时,设置阈值如下:

(1) 图像顶部处理。将每一行蓝色通道值的最大值表示为bmax,当bmax<8时,该行矩阵向量值为0。

(2) 火焰周围处理。根据图像灰度值分布情况,变阈值公式如下:

(1)

其中:T(a,b)为对应图像像素点(a,b)的新向量值;I(a,b)为图像像素点(a,b)的蓝色通道值。由于火焰蓝色区域内部有部分像素点蓝色通道值小于0.5bmax,在(1)式中被设置为0,因此将值为1的轮廓之间的0强制设置为1,得到新的只有1和0的矩阵再与原像素矩阵相乘,即可得到图2b所示的效果图。

在后续编程建模中,将每一行像素点看作是一层,只需要统计蓝色通道值为70的像素点个数,则可以求得火焰蓝色区域截面积,再统计所有蓝色通道值为70、130、255的像素点个数,就可以求得火焰总截面积。此时得到的数据并不是实际火焰尺寸,需要乘以相应的比例尺将像素尺寸进行换算,即

S=S′α2

(2)

其中:S′为按像素计算的火焰面积;S为实际火焰面积;α为比例尺,表示每个像素长度代表的实际物体长度。本文中,α为燃烧器喷火嘴实际尺寸与像素尺寸的比值。

2 结果与讨论

2.1 火焰结构

不同工况下得到的丙烷基扩散火焰原始图像如图3所示。

图3 不同工况下的丙烷基扩散火焰原始图像

基本上,火焰由黄色火焰和蓝色火焰组成。黄色部分非常明亮,是碳烟的主要分布区域;蓝色部分亮度较低,对应无烟区域。由图3可知,3种气体的添加对丙烷火焰结构造成不同的影响。本文根据上述的计算方法和处理后的图像,计算不同工况下的火焰高度、面积等。

2.1.1 火焰高度

根据弗洛德数Fr可以将射流扩散火焰划分为浮力驱动和动量驱动,区分标准见表2所列。

表2 根据Fr划分射流扩散火焰类型

弗洛德数的计算公式为:

(3)

其中:u为射流速度;g为重力加速度;d为喷口的特征尺寸。

通过计算,可以判断本实验火焰为浮力驱动的层流射流扩散火焰。根据文献[12]推导出此时的火焰高度H为:

(4)

其中:Qf为燃料体积流量;D为燃料扩散系数;Yf为燃料质量分数。因此,火焰高度与燃料体积流量成正比,与燃料扩散系数和质量分数成反比。

工况1～工况16的火焰高度情况如图4所示。

图4 不同工况下的火焰高度

由图4可知，添加N2后,火焰高度保持相对稳定，CO2的加入则使火焰高度有0.57～1.13 mm范围的下降,实验结果与文献[13]结果一致,与(4)式矛盾,这可能是温度分布造成的。随着H2增加,火焰高度明显上升,当Q(H2)为33.33 mL/min时,火焰高度达到了57.23 mm。这是由于H2是可燃物质,H2添加增大了燃料体积流量,且气流速度加快,与空气的混合速度减慢,火焰被拉长。

2.1.2 火焰面积

利用1.3节所述的方法,对提取的火焰区域进行蓝色区域截面积S1、火焰总截面积S2和火焰表面积S3计算(S3=πS2,S3和S2具有相同表征意义,因此只放表面积图),并计算S1与S2之比,计算结果如图5所示。

从图5a可以看出,蓝色区域截面积均随着添加剂的增多而增大,并且在添加剂流量相同时,面积增量关系为ΔS1(CO2)=1.5ΔS1(H2)=3ΔS1(N2)。

由图5b可知,由于CO2和N2添加对火焰形态造成的影响甚微,火焰表面积保持相对稳定;而H2添加使火焰明显变高,火焰表面积也明显增大。因此,从图5c可以看出,添加H2和N2后,蓝色区域截面积与总截面积之比只有少量增大,而CO2添加则使占比显著增大。

图5 不同工况下的火焰面积

蓝色火焰区域是碳烟颗粒前驱体的形成区域,主要产物是多环芳烃(PAH),没有碳烟生成。在一定程度上,可以认为火焰蓝色区域占总火焰区域的比例是初步判断火焰燃烧充分性的重要表征。N2化学性质稳定,在实验中常被设为对照组,CO2、H2与N2相比,在化学途径上影响了碳烟生成。CO2添加促进了反应CO2+·H=CO+·OH的正向进行,造成·OH自由基含量升高,增强了碳烟前驱体的氧化作用,同时·H自由基含量降低,抑制了碳烟颗粒表面生长过程[14]。根据脱氢加乙炔机理,H2添加促进了反应Ai+·HAi·+H2的逆反应,使芳香族自由基(Ai·)在与乙炔结合之前就失去活性,从而抑制了PAHs生长[15]。另外,H2高扩散性减少了碳烟区域的前驱体聚集[6],致使碳烟产量下降。碳烟是导致火焰发光的重要因素,碳烟颗粒越少,火焰越暗。

结合图3可以发现,CO2添加对火焰亮度的减弱作用强于H2和N2,3种气体对碳烟的抑制效果与图5的结果基本一致,CO2比H2和N2更有效地抑制了丙烷燃烧过程中的碳烟生成。火焰尺寸(高度和面积)与热释放速率有良好的相关性[8],可以作为一个更容易测量的指标,以代表热释放速率。从上述实验结果可以看出,H2添加大幅提高了热释放速率。

2.2 火焰温度

为了评估不同体积分数的CO2、H2、N2添加对温度的影响,对沿火焰中心线的温度进行测量,结果如图6所示。从图6a可以看出,火焰中心线温度首先急剧上升,然后随着火焰上部碳烟浓度增加,辐射热损失增加,温度上升缓慢,变化趋势与文献[13]中的测量结果一致。随着CO2体积分数的增加,火焰下部温度明显降低,随着高度增加,温度降低幅度减少。当Q(CO2)从0增加到6.67 mL/min时,火焰中心线z=5 mm处的温度从622.3 K下降到514.5 K,z=20 mm处的温度从794.4 K下降到765.0 K,z=35 mm处的温度从845.8 K仅下降到832.5 K。文献[7]在恒压甲烷中也发现了类似趋势,甲烷火焰中心线温度随着CO2的加入而降低,而火焰高度保持不变。火焰温度下降是由于CO2为不可燃气体,对可燃气体有绝对稀释作用。此外,由于下部火焰蓝色区域向上扩大,相同位置上的黄色火焰会过渡为蓝色火焰,而火焰上部是碳烟主要分布区域,CO2的添加降低了碳烟生成率,减少了碳烟辐射热损失,且碳烟生成是吸热过程,吸收的热量也会随着碳烟生成率的降低而减少,因此火焰下部的降温幅度比上部更大。

图6 不同工况下的火焰中心线温度分布

从图6b可以看出,H2添加后的温度行为比CO2更为复杂，火焰中心线温度变化趋势与CO2添加相同。随着H2的增加,在z=5 mm处中心线温度持续下降,而在z=10～35 mm处,当Q(H2)从6.67 mL/min增加到33.33 mL/min时,温度反而上升,渐渐靠近Q(H2)=0时,且在z=35 mm处甚至超过无添加H2。温度下降是由于氢气火焰的绝热温度低于丙烷火焰的绝热温度,H2添加稀释了丙烷。同时,H2添加使火焰高度和火焰表面积显著增大,热释放速率也随之增大。另外,H2添加使火焰传播速度增加,更多的热量被转移到燃烧器表面,这也会造成火焰温度的降低。但是H2燃烧本身也释放了一部分热量,同时会抑制碳烟生成,减少热损失量,因此火焰温度的下降并不明显。结合图2可以看出,z=10 mm处正是火焰蓝色区域和黄色区域的过渡处,因此在z=10～35 mm的火焰上部,随着H2增多,碳烟产量下降引起的热损失减少量超过了稀释和火焰表面积增加等作用造成的热损失增量,导致温度略有升高。在丙烷中加入H2对火焰整体温度分布的影响没有相同比例的CO2显著。

从图6c可以看出,N2添加对火焰中心线温度的影响趋势与CO2相同,但效果较弱。当Q(N2)从0增加到33.33 mL/min时,z=5 mm处的温度仅降低了46.3 K。

结合图3可以发现,随着H2和N2的增加,火焰亮度即火焰发射强度无明显变化,而CO2的添加则使火焰亮度明显减弱,这说明CO2的添加降低了火焰的燃烧温度,而H2和N2的加入对火焰温度作用较小,与图6的实际测温情况相符。

3 结 论

(1) 根据图像中火焰及光晕的像素灰度分布特性,设计了一种动态阈值法。在图像处理过程中,有效地过滤了光晕成分,实现了简单实验条件下火焰参数的准确提取。

(2) CO2、H2、N2添加使火焰蓝色区域扩大,且ΔS1(CO2)=1.5ΔS1(H2)=3ΔS1(N2);火焰蓝色区域截面积与总截面积之比在CO2作用下增大最为明显。因此,CO2对抑制丙烷燃烧过程中碳烟生成的效果最好。

(3) 随着CO2和N2的增加,丙烷火焰高度和表面积无明显变化,而H2添加则使其明显增加,大幅提高了热释放速率。

(4) CO2、H2、N2这3种气体添加剂中,CO2对火焰的降温作用最强。其中CO2与N2添加对火焰中心线温度的影响趋势相同,而H2更复杂。在距喷火嘴10～35 mm处,火焰温度随着H2的增多而升高,这是由于碳烟产量下降导致的热损失减少量大于稀释和火焰表面积等作用造成的热损失增量。