大气压下氦气、甲烷、空气等离子体射流发射光谱诊断研究

2023-09-11田富超白洁琪

光谱学与光谱分析 2023年9期

田富超, 陈雷, 裴欢, 白洁琪, 曾文

1. 中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室, 沈抚示范区, 辽宁沈阳 113122

2. 沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁沈阳 110136

引言

超细水雾法是煤矿矿井用于抑制瓦斯爆炸的有效方法[1-2]。在超细水雾法中, 如何增大水雾的分布范围、实现合理的液滴粒径分布是超细水雾研究的重点问题之一。在液体雾化研究中等离子体辅助雾化是一个全新的雾化方法。但等离子体中含有的活性粒子反而会降低瓦斯爆炸所需的最小点火能量。因此, 有必要诊断瓦斯与等离子体的混合气, 进而在具有两个不同的作用中找到平衡, 实现等离子体技术在瓦斯爆炸抑制领域的有效应用。

介质阻挡放电是产生低温等离子体的一种很有效的方法[3-6]。为了探明瓦斯气体-等离子体射流混合气中活性粒子的种类及特性, 了解等离子体放电的动力学过程[7], 本实验在常压条件下对氦气/甲烷-空气的混合气放电, 采用光谱诊断分析N2的第二正带系和He原子发射谱线, 进而获得了射流的振动温度和电子激发温度, 为等离子体辅助雾化技术应用于瓦斯爆炸抑制提供依据。

1 实验部分

1.1 装置

试验系统如图1所示, 等离子体发生器为自主设计的针-环射流装置, 中心为一个尖状的紫铜电极, 低压电极为一串紫铜带, 绝缘层选用石英玻璃。光谱仪的光纤探头固定在等离子体射流径向距离为10 mm的位置, 光信号由光纤导入。

图1 试验装置示意图

1.2 试验工况

氦气通过气瓶直接通入到甲烷-空气混合气中, 可以减少甲烷之间的键能来促进电离。选择当量比为1, 保证了甲烷的充分燃烧。调整空气流量为0.952 L·min-1, 加入甲烷0.1 L·min-1。经过大量的试验分析, 掺混比(氦气与空气-甲烷的气体体积流量比)在8∶1～20∶1范围内掺混效果最好。控制放电频率为10 kHz, 放电电压在10～15 kV范围内, 电压与频率通过电源的调压器进行调节, 同时也根据示波器上的读数来精准调控。表1所示为本试验具体工况。

表1 试验工况

1.3 诊断方法

目前非接触式测量主要为光谱诊断法, 可分为发射光谱诊断法和吸收光谱法[7]。本文选用原子发射光谱技术来诊断, 采用谱线的特征参数, 定性地分析谱线[11-12]。

1.3.1 振动温度诊断

等离子体振动温度值大小对等离子体内的能量存储、转移等过程有着很大的影响[9]。在发射光谱中, 双原子分子带系的谱带强度由式(1)确定

Iν′ν″=hcνν′ν″Aν′ν″Nν′

(1)

式(1)中,ν为发射光子的波数,h为普朗克常数,ν′和ν″分别为上下振动量子数,Aν′ν″为相应两个量子态间的跃迁几率,Nν′为上能级量子态上的分子数。在局部热平衡条件下, 振动量子态上的粒子数分布满足式(2)

Nν′=N0e-Eν′/kTν

(2)

双原子分子的振动能级ν′的振动能量Eν′为

(3)

式(3)中,ωe、ωexe是双原子分子对应的常数, 由于从第三项开始即为高阶小项, 因此计算时只考虑前两项即可。

(4)

式(4), 中以Eν′为横坐标, ln(Iν′ν″/Vν′ν″Aν′ν″)为纵坐标, 做出玻尔兹曼拟合图, 采用拟合曲线的斜率可计算出等离子体振动温度Tν。

1.3.2 电子激发温度

本实验的等离子体射流可以认为处于局部热力学平衡(local thermal equilibrium, LTE), 可用玻尔兹曼斜率法诊断电子激发温度。其表达式为

(5)

式(5)中,gk、Ek表示激发态k能级上的统计权重和能量,Te为电子激发温度,λ为跃迁波长,A为跃迁概率,h为普朗克常数,kB为波耳兹曼常数,c为真空光速,N为粒子密度。

对式(5)两边都取对数, 可得

(6)

2 结果与讨论

2.1 射流成分分析

选取峰值电压15 kV, 掺混比为20∶1的氦气/甲烷-空气等离子体射流如图2所示, 从图中可以看到He/CH4-空气等离子体射流呈蓝紫色。

图2 氦气/甲烷-空气等离子体射流

等离子体射流全发射光谱如图3所示。可以看到OH基团主要分布在306～312 nm之间, 氮气的连续谱带主要集中在320～430 nm之间, 甲烷脱氢后产生的CH基团分布在431 nm, He原子分布在300～800 nm之间。其中N2的第二正带系产生是由于高能电子与氮气分子的非弹性碰撞, OH基团的出现是由于空气中H2O分子的电离。

图3 氦气/甲烷-空气等离子体射流全发射光谱

2.2 CH基团浓度变化规律

氦气/甲烷-空气等离子体射流中, CH基团含量对燃烧的影响最大, 故对CH基团随试验工况的变化进行定量探究。从图4可以看出, CH基团随峰值电压升高而增加, 活性粒子主要来自自由电子的非弹性碰撞, 电压的增加导致微放电通道内的电场强度增加, 使通道内的非弹性碰撞更加剧烈。而随着氦气掺混比的增加, CH基团浓度逐渐降低, 使射流中自由电子及亚稳态氦原子数量增加, 加速了CH基团C—H键的断裂, 因此会出现随掺混比增加CH基团相对光谱强度减小的变化趋势。

图4 CH基团光谱强度随试验工况变化趋势

2.3 振动温度

采用多谱线斜率法选取N2分子谱线对等离子体振动温度进行计算, 相关参数见表2。图5为等离子体射流振动温度的变化趋势。随着电压和掺混比的增加, 振动温度主要呈上升趋势。当电压升高时, 电子平均能量增加, 碰撞过程中传递给气体分子的能量也增加, 使得振动温度升高。同时, 随着气体流量的增加, 射流器内部压强也增大, 电子与中性粒子之间的非弹性碰撞更加频繁, 也会使得振动温度升高。

表2 氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线

图5 不同工况下振动温度

2.4 电子激发温度

混合气中高能电子主要是由He电离而产生, 因此选择五条He的谱线进行电子激发温度的计算[10], 见表3。

表3 He原子特征谱线参数

如图6所示, 在一定的掺混比下, 随着峰值电压升高, 激发温度呈增加趋势。随峰值电压的增大, 自由电子获得的期望能量越大, 导致自由电子的平均动能也增大, 使激发温度随之升高。峰值电压保持恒定, 电子激发温度随掺混比的增大而减小。气体中氦气含量增加使得电子与基态原子的碰撞频率增加, 电子从电场中获得期望能量减少, 从而使电子碰撞引起激发态原子比例降低。此外, 随着氦气掺量比的增大, 发生器中的气体流量增大, 气流的流动将带走放电空间的部分热量, 进一步促进了电子激发温度随氦气掺混流量比的增大而减小的变化趋势。