利用激光吸收光谱测量火焰中的碳烟颗粒浓度、温度以及气体浓度

利用激光吸收光谱测量火焰中的碳烟颗粒浓度、温度以及气体浓

度

燃烧过程是化学反应和物理变化耦合的极其复杂的反应系统,对燃烧过程中的温度、气体组分浓度以及碳烟颗粒浓度等多种关键参数实现准确可靠的在线监测,以及对多种参数空间分布的同时测量与重建,对优化燃烧系统设计、提高能量利用效率等有着重要的现实意义。此外,对燃烧过程中的多种关键参数实现同时在线监测,对理解燃烧过程中的碳烟等污染物的生成机理也有着非常重要的帮助。

在此背景之下,本文开展了火焰中气固两相多种参数同时测量以及燃烧场中多种参数空间分布重建的研究,并且将新型的多参数同时测量方法应用碳烟颗粒生成的相关化学反应机理研究中。本文首先对研究过程中的分子吸收光谱技术的基本原理及各重要参数进行了详细阐述。

对基于吸收光谱技术的不同测量方法的特点及其适用范围进行了讨论,包括扫描波长直接吸收测量方法、固定波长直接吸收测量方法以及波长调制测量方法等。此外,还详细介绍了用于固体颗粒测量的Mie散射理论及其近似求解方法Rayleigh散射理论。

其次,研究了对高温环境下多种气体的温度和浓度的同时测量。选择位于4996 cm-1附近的CO₂吸收谱线作为本实验研究过程中高温下

CO₂温度和浓度同时测量的目标谱线对。

对吸收池内不同温度工况（873 K～1273 K）下不同CO₂浓度（4%～10%）的CO₂/N2混合气体的温度以及CO₂浓度的进行了同时在线测量,温度值与设定温度值相比,平均偏差为2.07%,峰值偏差为3.49%;测量得到CO₂气体浓度值与配比浓度值相比,平均偏差为

2.25%,峰值偏差为4.75%。同时在实验室对不同燃烧工况下的乙烯/空气预混火

焰中的CO₂浓度、温度以及H₂O浓度进行了实验测量,

得到的温度结果与热电偶测量结果十分接近,两者平均偏差为0.6%,峰值偏差为3.9%;测量得到的CO₂和H₂O度值与理论计算值吻合良好。

测量结果表明该波长位置处的CO₂吸收谱线非常适用于高温环

境下浓度和温度的同时测量。提出了在同时考虑气体吸收作用、碳烟颗粒吸收作用以及火焰自身辐射的情况下,采用单台可调谐半导体激光器同时测量并分离气体吸收系数和碳烟颗粒吸收系数的新方法,并且详细介绍了理论推导和计算过程。

对不同预混气体流速和不同燃烧当量比工况下的乙烯/空气预混平面火焰中不同高度位置处的碳烟颗粒浓度、温度以及H₂O浓度实现了同时在线监测。温度测量结果与热电偶测量结果之间平均偏差小于3%,峰值偏差小于5%。

碳烟颗粒浓度测量结果与其他研究学者的测量结果相吻合。H₂O 浓度测量的结果与理论计算结果相比,平均偏差为5%,峰值偏差小于10%。

此外,在实验室内搭建了扩散火焰燃烧试验台,利用自行设计并加工制造的

改进型Wolfhard-Parker燃烧器,产生了稳定燃烧的矩形乙烯/空气扩散火焰。基于本文提出的火焰中气固两相多参数同时在线监测的新方法,采用三台中心工作波长分别位于1398.3 nm、2001.6 nm以及2302 nm处的可调谐半导体激光器,

对扩散火焰中温度、碳烟浓度、H₂O浓度、CO浓度以及CO₂浓度进行了同时测量。

分析和讨论了 H₂O和CO₂对火焰中碳烟生成的影响。得出了 H₂O和CO₂能够抑制火焰中碳烟的生成,且

抑制作用主要是由于H₂O和CO₂的存在导致了火焰中OH 浓度的升高,从而抑制了碳烟气态前驱物PAHs的生成这一重要结论。

实验测量结果和得出的结论与其他研究学者基于化学反应动力学提出的数

值模拟计算结果相吻合,为碳烟生成机理的相关研究提供了实验数据支撑。最后,将火焰中多参数同时测量技术与层析成像技术相结合,对燃烧环境中火焰的温度、H₂O浓度以及碳烟颗粒浓度等多种参数的空间分布进行同时重建。

搭建了预混火焰燃烧试验台,提出相关的重建模型,利用单台可调谐半导体

激光器结合光纤分束技术,采用ART算法,对不同燃烧工况、不同高度测量平面内的甲烷/空气预混火焰中的温度和H₂O浓度的二维分布进行了同时

重建。此外,搭建了轴对称扩散火焰燃烧试验台,提出了适用于对轴对称扩散火焰的二维重建模型。

在测量过程中,采用本文提出的火焰中气固多参数同时测量方法,结合LSQR

算法,对火焰中的碳烟颗粒浓度、H₂O浓度以及温度进行了同时重建。