2.2.2　各油品及混合油品池火焰光譜特性分析

油料燃燒過程一般包括燃燒發(fā)展、穩(wěn)定燃燒及衰減熄滅三個階段。油料池火燃燒屬于有焰燃燒，且燃燒過程中液態(tài)油不斷被氣化，與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，釋放大量的熱量，氧氣不斷被卷吸至火焰內(nèi)部；另外環(huán)境中風對火焰的穩(wěn)定性也有一定的影響，因此火焰的溫度是在溫度平均值上下波動的。各組油池火燃燒實驗均在開放空間條件下進行，環(huán)境條件較為統(tǒng)一。以0^?柴油池火焰光譜為例，分析火焰的光譜特征。

0^?柴油池火焰光譜測試結(jié)果如圖2.12所示，分別為InSb及MCT傳感器的測試結(jié)果，InSb傳感器光譜測試范圍為1～5.4μm，從圖中可以看出，在1.2μm附近存在發(fā)射峰，為高溫H₂O的特征發(fā)射峰；在1.7μm附近存在發(fā)射峰，為油料不完全燃燒產(chǎn)生的高溫炭黑顆粒的發(fā)射峰。油料首先在火焰的高溫作用下被氣化成油蒸氣，油蒸氣與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應(yīng)，伴隨著發(fā)光和放熱；當油蒸氣與氧氣的化學反應(yīng)在缺氧狀態(tài)下進行時，則產(chǎn)生大量的煙氣顆粒，溫度及氧氣的濃度對炭黑顆粒形成的影響較大。

在1.75～2.0μm波段范圍，大氣中的H₂O及CO₂對火焰發(fā)射光譜有較強的吸收，1.87μm是H₂O的特征吸收波段。在2.0～2.6μm波段范圍內(nèi)不存在H₂O及CO₂的特征發(fā)射峰，光譜產(chǎn)生的輻射強度主要是高溫炭黑顆粒產(chǎn)生的，在該波段范圍內(nèi)，火焰發(fā)射光譜的大氣透過率為1^［56］，即大氣在該波段范圍內(nèi)對發(fā)射光譜不存在吸收，但在2.0～2.6μm波段范圍內(nèi)出現(xiàn)了吸收現(xiàn)象，是油池表面未燃燒的油蒸氣吸收產(chǎn)生。在2.6～4.2μm波段范圍內(nèi)，大氣中的H₂O對火焰光譜發(fā)射強度存在吸收，2.66μm是H₂O特征吸收波段。在2.5～3.0μm波段范圍內(nèi)存在4個H₂O的發(fā)射峰，是火焰燃燒產(chǎn)生的高溫H₂O特征峰，油料燃燒產(chǎn)生的高溫H₂O在該波段范圍內(nèi)的發(fā)射強度被大氣中冷的H₂O部分吸收。在3.4μm附近存在發(fā)射峰，是參與油料燃燒反應(yīng)的油蒸氣中的烴類化合物的C—H伸縮振動峰。4.2～4.5μm波段范圍內(nèi)存在較強的CO₂吸收帶，在4.2μm及4.5μm附近存在CO₂發(fā)射峰，其中在4.5μm附近的CO₂發(fā)射峰強度在整個測試波長范圍內(nèi)最高，是識別高溫火焰的重要波段。

MCT傳感器的測試范圍為2.5～14μm，從圖中可以看出，在5μm后，0^?柴油池火焰光譜在6.3μm附近存在一個微弱的H₂O的發(fā)射峰，在6.3μm后0^?柴油池火焰光譜不存在明顯的發(fā)射峰與吸收谷，且光譜的強度較低。

對92^?汽油、95^?汽油、航空煤油及潤滑油的池火焰光譜進行了測試分析，并對數(shù)據(jù)進行了歸一化處理，結(jié)果如圖2.13所示。從圖中可以看出，92^?汽油、95^?汽油、航空煤油、潤滑油池火焰光譜與0^?柴油池火焰光譜特征相似：在1.2μm附近存在H₂O強發(fā)射峰。在2.0～2.6μm波段范圍內(nèi)光譜輻射亮度主要是炭黑顆粒發(fā)射產(chǎn)生的，在2.2μm附近的吸收峰是油池表面油蒸氣吸收產(chǎn)生的。在2.5～3.0μm波段范圍內(nèi)存在4個高溫H₂O發(fā)射峰。在3.4μm附近存在發(fā)射峰，是參與油料燃燒反應(yīng)的油蒸氣中的烴類化合物的C—H伸縮振動峰。在4.2μm及4.5μm附近存在CO₂發(fā)射峰。

油料火焰燃燒過程中溫度的變化對輻射強度產(chǎn)生了一定的影響，且同種油料不同的燃燒階段其火焰光譜發(fā)射強度不同。研究表明，溫度對H₂O的特征峰有影響，例如在電站鍋爐內(nèi)封閉高溫條件下，燃燒產(chǎn)生的H₂O在940nm波長處呈現(xiàn)發(fā)射峰，而在開放空間條件下，火焰溫度比鍋爐內(nèi)火焰溫度低，相同波長處H₂O的輻射光譜呈吸收峰。本研究中各油品池火焰光譜測試結(jié)果未出現(xiàn)火焰溫度改變特征峰的吸收或發(fā)射特性。原因在于本實驗是在相同的室外開放空間條件下進行的，環(huán)境條件較為穩(wěn)定，同時本研究構(gòu)建的全火焰光譜測試系統(tǒng)可以測得整個火焰的光譜信息。燃燒過程中溫度的變化對特征波段的帶寬有影響，溫度越高帶寬越寬，但溫度的變化不影響特征波段的提取分析。

實驗中測試的幾種油品池火焰光譜特征相似，經(jīng)分析主要有以下幾點原因。

①不同油品間的品質(zhì)差異主要由加工、生產(chǎn)工藝決定。各油品均提煉于原油，各油品組成成分存在差異。0^?柴油中飽和烷烴含量約為89.6%，芳香烴含量約為8%，剩下成分主要包括醇、烯及酸等。航空煤油中環(huán)烷烴含量約為92.1%，芳香烴含量約占7.9%。92^?汽油與95^?汽油主要差異體現(xiàn)在辛烷值含量的不同。

②各油品的池火焰光譜特征分析表明，在特征波段的發(fā)射峰主要由燃燒產(chǎn)物CO₂、H₂O及炭黑顆粒產(chǎn)生，吸收峰或吸收帶由空氣中的CO₂、H₂O及油料表面的油蒸氣產(chǎn)生，高溫燃燒產(chǎn)物的發(fā)射與空氣、油蒸氣的吸收共同構(gòu)成了油料池火焰紅外波段的光譜特征。

實驗中針對實際可能發(fā)生的混合油品燃燒，對92^?汽油和0^?柴油按不同的比例進行了混合，測定了混合油品火焰的光譜特征，如圖2.14所示。從圖中可以看出，混合油品火焰光譜特征與每種油品火焰光譜特征相似，特征波段均為燃燒產(chǎn)物CO₂、H₂O及炭黑顆粒產(chǎn)生的特征發(fā)射峰。