气流床撞击流水煤浆气化火焰光谱辐射特性实验研究

火焰光谱检测技术应用于气化炉有效监控,能实时反映气化炉工况,保障气化炉稳定运行。采用实验室规模的气流床撞击水煤浆气化装置,利用光纤光谱仪通过对气化炉不同部位进行探测,研究了水煤浆气化火焰在距离撞击平面不同轴向位置L处的光谱辐射特性,并利用不同自由基强度及分布对气化炉内各反应区进行表征,为气化炉运行工况提供依据。结果表明:在300~800 nm范围内可检测到明显的OH(306.7和309.8 nm),H 2(382 nm),CH(314.5和387 nm),Na(589 nm),Ar(671 nm)和K(404,768和770 nm)特征峰,而各种粒子激发方式及分布方式不同,可用于实现火焰宏观特征的表征。从紫外至可见光区域。水煤浆气化火焰中存在强烈的背景辐射,主要包括颗粒在高温下产生的黑体辐射及CO 2受热激发产生的350~600 nm的连续旋转辐射,强烈的背景辐射对自由基强度辐射测定形成干扰,需通过计算扣除背景辐射。利用检测到的各自由基强度分布可对气化火焰进行表征,OH分布可表征火焰反应区域,而CH存在范围相对较窄,仅存在于-10 cm相似文献   

MPCVD等离子体的发射光谱研究

在2.45 GHz, 800 W微波等离子体化学气相沉积装置上,利用发射光谱对CH₄/H₂等离子体进行在线诊断,分析了等离子体中存在的基团,研究了甲烷浓度对各基团浓度及基团的空间分布的影响。结果表明：等离子体中存在CH, H_α, H_β, H_γ, C₂ 基团和Mo杂质原子,随着甲烷浓度的升高,各基团的发射光谱强度均有增加,其中C₂基团强度显著增加。CH与H_α基团的发射光谱强度比值随甲烷浓度的增加变化不大,而C₂与H_α基团的发射光谱强度的比值随甲烷浓度的增加而显著增大。另外,甲烷浓度的增加使得等离子体中各基团在空间分布的均匀性变差。     

气化炉内柴油火焰光谱辐射特性及CH*二维辐射特性研究

火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、温度分布等燃烧特征参数密切相关。对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究,可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台,利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜,对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。结果表明,柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰,在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰,且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm),K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。此外,由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑,在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰,且当量比越低时背景辐射越强,对自由基特征峰检测干扰越大。基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小,CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、双峰状及单峰状,最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。随着当量比的提高,出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低,火焰主反应区面积减小且向下游移动,当量比增加到1.0附近时,理论上柴油完全燃烧,CH*辐射强度显著降低,贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度,对于单喷嘴射流火焰,火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值;火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动,燃烧更加稳定。这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、有效的方法,同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。     

基于高光谱技术的甲烷层流预混火焰自由基特性研究

高光谱技术提供了空间和光谱维度的信息,同时基于传统黑体模型的实验技术和计算方法不适用于甲烷火焰的辐射特性,而火焰中自由基的高光谱信息反映了火焰结构、组分浓度分布等燃烧的多方面特征,能够为燃烧模型的完善提供依据。利用高光谱技术在不同当量比和不同流量下研究了甲烷预混火焰中自由基的空间和光谱特性。对不同当量比的研究表明,随着当量比的增加,火焰中心处的CH*和C*₂自由基的辐射强度先增加后降低,而燃烧区域内二者的平均辐射强度一直增加,火焰中心处的点可以表征局部的燃烧状态,而燃烧区域内辐射均值表征热释率等整体燃烧状态,定量给出了两种方法的不同趋势。火焰中心处的CH*自由基辐射强度在当量比为1.01时达到峰值,而C*₂自由基辐射强度在当量比为1.12时达到峰值,两种自由基的辐射峰值可以分别作为燃烧中反应强度和稳定性的判据。当量比可以由C*₂和CH*辐射强度之比来表征,修正了C*₂/CH*和当量比的线性关系,提出应使用燃烧区域内C*₂和CH*的平均辐射强度之比,并提出了该比值与当量比的二次关系。利用高光谱技术生成了燃烧区域内C*₂/CH*的云图,得到了详细的空间信息,当量比大于1时,首次在火焰面附近发现了明显的过渡区,体现了高光谱技术的优势。对当量比保持不变情况下的不同流量的研究表明,随着流量的增加,火焰高度增加,而火焰顶部和火焰中心的自由基的浓度分布基本不发生变化,揭示了实验工况下流动的特征时间远小于化学反应特征时间,化学反应过程未受到明显影响。应用高光谱较好的识别出了火焰中的多种自由基,研究了甲烷层流预混火焰中自由基辐射特性及其随着不同当量比和流量变化的趋势,对燃烧现象和机理的认识具有重要意义。     

离子液体在甲烷等离子体转化中作用机理的光谱研究

在直流等离子体甲烷转化反应体系中分别引入C₆MIMBF₄,C₆MIMCF₃COO,C₆MIMHSO₄三种离子液体,采用光谱在线技术检测反应中活性物种的种类和光谱谱峰相对强度的变化,研究了离子液体在气液等离子体甲烷转化反应中的作用机理。结果表明：向甲烷等离子体体系中引入离子液体可得到稳定的气液界面,并提高了甲烷转化率和C₂烃产物收率,C₆MIMCF₃COO和C₆MIMBF₄有助于提高C₂烃选择性,而C₆MIMHSO₄则导致C₂烃选择性下降。在气液等离子体甲烷放电体系中检测到了C,C₂,C₃,CH,H等活性物种的发射光谱,与未引入离子液体时相比大多数活性物种的谱线强度均有增加。核磁共振研究表明反应后离子液体C₆MIMBF₄结构稳定,可认为离子液体作为液体导电介质提高了等离子体放电强度,促进等离子体区气相反应过程,同时离子液体在气液表面反应过程起催化作用。     

高气压MPCVD沉积金刚石的光谱研究

采用微波等离子体化学气相沉积方法(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)在高沉积气压(34.5 kPa)下制备多晶金刚石,利用发射光谱(optical emission spectroscopy, OES)在线诊断了CH₄/H₂/O₂等离子体内基团的谱线强度及其空间分布,并利用拉曼(Raman)光谱评价了不同O₂体积分数下沉积出的金刚石膜质量,研究了金刚石膜质量的均匀性分布问题。结果表明：随着O₂体积分数的增加,C₂, CH及H_α基团的谱线强度均呈下降的趋势,而C₂,CH与H_α谱线强度比值也随之下降,表明增加O₂体积分数不仅导致等离子体中碳源基团的绝对浓度下降,而且碳源基团相对于氢原子的相对浓度也降低,使得金刚石的沉积速率下降而沉积质量提高。此外,具有刻蚀作用的OH基团的谱线强度却随着O₂体积分数的增加而上升,这也有利于降低金刚石膜中非晶碳的含量。光谱空间诊断发现高沉积气压下等离子体内基团分布不均匀,特别是中心区域C₂基团聚集造成该区域内非晶碳含量增加,最终导致金刚石膜质量分布的不均匀。     

甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰OH*自由基的数值研究

OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一,它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、拉伸率、氧燃当量比和热释放速率等特征信息,因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象,采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算,对OH*自由基的二维分布特性进行研究,分析不同区域内OH*自由基的生成路径,并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。模拟结果与实验研究基本吻合,表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。结果表明：在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中,OH*自由基存在两种不同形态的分布区域,分别由反应CH+O₂=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成;随着氧燃当量比提高,OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张,根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断;如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态,则说明火焰处于贫氧燃烧状态。如果OH*分布呈环状形态,则说明火焰处于富氧燃烧状态;相同氧气流量条件下,缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度,从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高,增强OH*化学发光的辐射强度,提高火焰光谱诊断的准确性。     

发射光谱法研究甲基环己烷燃烧时激发态自由基时间历程

采用三组单色仪探测系统,测量了甲基环己烷在高温反射激波作用下瞬态燃烧反应过程中三种激发态自由基OH*,CH*和C*₂的特征光辐射,得到了激发态自由基时间历程和光辐射相对强度随温度的变化规律。反射激波温度1 200～1 700 K,激波压力1.5 atm,甲基环己烷摩尔分数0.1%,当量比1.0。在点火燃烧初始阶段三种自由基几乎同时产生,自由基持续时间随着温度的升高而变短。相同温度下CH*和OH*自由基持续时间大于C*₂自由基,在1 400 K以下C*₂自由基发光消失。OH*和CH*自由基发光强度在T<1 400 K时对温度变化不敏感,而在T>1 400 K时CH*自由基峰值随温度快速增长,C*₂和OH*峰值随温度增大比较平缓。将实验结果和化学反应机理模拟结果进行了对比,实验获得的OH*自由基时间历程在低温时和机理预测结果吻合较好,但在高温时有一定差异。CH*自由基时间历程在高温与机理结果吻合较好,在低温时机理预测结果CH*自由基持续时间要长于实验结果。实验测得的结果为含激发态物种化学反应动力学机理的验证和优化提供了依据。     

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明:当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.     

微波液相放电乙醇制氢发射光谱研究

氢能作为一种高热值、无污染的清洁能源日渐受到国内外专家学者的追捧。微波液相放电技术在醇类中制氢具有光明的研究前景,为氢能的研究开发开辟了一条新的途径。通过对乙醇制氢发射光谱分析,有利于分析微波液相放电醇类制氢机理的探讨,为进一步改进微波液相放电制氢技术奠定基础。本文采用2.45 GHz频率微波在液相醇类中放电实现了微波液相等离子体制氢,并借助发射光谱仪对微波液相放电乙醇制氢光谱特性进行了研究。研究结果显示：微波液相放电乙醇制氢过程中,能产生大量的H,O,OH,CH,C₂等活性粒子;乙醇放电光谱中OH自由基、H自由基和O自由基的光谱强度要远大于纯水中OH自由基、H自由基和O自由基的光谱强度;高能粒子打开水分子中的O—H键,脱氢制氢的过程较乙醇分子难度要大,因此在微波乙醇放电制氢过程中,氢气的来源主要是乙醇分子的脱氢重组,水分解产氢的贡献度较低;在外界压力与温度一定的条件下,OH,H,O自由基的发射光谱强度随着功率的增加显著增强,而CH和C₂活性粒子发射光谱强度则出现减弱趋势,这表明较大的微波功率不仅使产生的高能粒子的能量增加,同时高能粒子的密度也有所增加,导致较多的CH和C₂基团被充分碰撞打开。     

Structural response of different Lewis number premixed flames interacting with a toroidal vortex

Simultaneous measurements of temperature, CH* and OH* chemiluminescent species are carried out to explore the impact of stretch rate and curvature on the structure of premixed flames. The configuration of an initially flat premixed flame interacting with a toroidal vortex is selected for the present study and reasons for this choice are discussed. Lewis number effects are assessed by comparing methane and propane flames. It is emphasized that the flame structure experiences very strong variations. In particular, the flame is shrunk (broadened) in the initial (final) period of the interaction with the vortex where strain rate (curvature) contribution of the stretch rate is predominant. By further analysing independently the thickness of the preheat and reaction zones, it is shown that for propane flames, not only the former but also the latter is significantly altered in zones where the flame curvature is negative. Changes in the reaction zone properties are further emphasized using CH* and OH* radicals. It is demonstrated that higher thermal diffusivity plays a significant role around curved regions, in which the enhanced diffusion of heat leads to a strong increase of CH* compared to OH* intensity. As an overall conclusion, this study suggests that it would be interesting to reassess the internal flame structure at lower and moderate Karlovitz numbers since changes might appear for a moderate vortex intensity with typical size much larger than the flame thickness.     

Experimental investigation of 40 kWth methane-assisted and self-sustained pulverized biomass flames

This paper presents an assessment of the effects of methane assistance on pulverized biomass swirl flames specifically regarding flow fields and flame structure. Experiments are carried out using a pilot-scale down-fired cylindrical combustion chamber equipped with a swirl burner and biomass/methane fuel mixtures. Studied conditions have an identical thermal output of 40 kW, with the thermal output share of methane gradually decreasing from 50% to 0% while the biomass share (walnut shells) increased from 50% to 100% (self-sustained condition). A detailed flow field characterization of the respective flames is conducted by in-flame, two-dimensional laser Doppler velocimetry measurements. These measurements are complemented by narrow-band flame imaging conducted at two different wavelengths (OH* and CH* radical band heads). Results show that the methane flames have a significant influence on the ignition and the determination of the flame flow field structure, including higher peak and overall velocities, as well as major changes in the ratio of tangential over axial velocity component. Further on, flame attachment of the self-sustained flame can be permanently achieved by the initial, short-term assistance of a methane flame with comparatively low thermal output. These observations are analysed and discussed, where higher measured velocities and overall changes in the flame structure between the self-sustained and the methane-assisted flames are attributed to important local expansion and momentum changes of the combustion gases introduced by the combustion of methane.