烃类火焰碳烟光谱辐射特性研究

作     者：吴润民 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于广锁

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070302[理学-分析化学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：反扩散火焰 光谱诊断 碳烟 辐射特性 喷嘴结构 原子分布 

摘      要：在气态烃类燃料非催化部分转化过程中,燃料的转化效率及关键设备(如喷嘴)的使用寿命受到转化炉反应条件的很大影响。烃类燃料不完全反应生成碳烟聚集在转化炉内壁及喷嘴端口,经高温烧蚀对其造成破坏,从而降低使用寿命。碳烟是反应系统中重要的辐射参与介质,故火焰中碳烟辐射特性的检测对精确获取反应系统内的辐射换热具有重要意义。因此,亟需开展不同条件下火焰中碳烟辐射特性等方面的检测研究。本文基于光谱诊断技术,以甲烷/氧气层流反扩散贫氧火焰为研究对象,论文的主要内容如下。首先,采用高光谱成像系统对火焰碳烟生成特性进行研究,分析氧碳比、氧流量及雷诺数对碳烟辐射分布特性的影响。结果表明,在甲烷/氧气反扩散火焰中,火焰高度及碳烟辐射强度均随氧碳比的增加而降低,碳烟颗粒主要分布在火焰中下游环隙,上游几乎不存在碳烟。CH*自由基分布于整个火焰锋面,在火焰根部蓝色火焰区有大量存在;随氧流量增加,碳烟辐射面积、峰值强度及辐射长度均随之增大;随雷诺数增加,火焰中碳烟生成核心区逐渐远离喷嘴口,火焰高度及碳烟生成长度逐渐增大,且火焰逐渐变黄、变亮,并开始趋于不稳定波动。其次,基于单喷嘴碳烟辐射特性的研究,探讨不同喷嘴结构(喷嘴直径、入射角度、端部厚度)对火焰碳烟辐射特性的影响。结果表明,火焰高度随喷嘴直径增大而降低,当[O/C]e0.46、喷嘴直径D=1 mm时,碳烟辐射明显降低,D=2 mm、3 mm时,辐射强度变化趋势基本一致。随喷嘴直径增加,碳烟生成区面积及生成区高度随之增大;火焰高度随入射角增加逐渐降低,入射角为90°的喷嘴产生碳烟生长区高度和面积最大,入射角为60°的火焰碳烟辐射强度峰值最低及碳烟生成区分布最小,入射角为75°的火焰碳烟辐射强度峰值均高于其他入射角,随着入射角减小,火焰径向剪切速度增大,火焰更趋于稳定,由此可知不同入射角会导致剪切角度不同,进而影响火焰结构和碳烟生成;随着端部厚度的增大,产生火焰高度随之降低,端部厚度为0.7 mm喷嘴所产生的碳烟辐射强度普遍高于0.3 mm、0.5 mm喷嘴,且随端部厚度增加,生成区高度十分接近,斜率变化基本一致,火焰碳烟生长区面积随喷嘴端部厚度增加而增大。综上喷嘴不同结构对反扩散火焰碳烟生成产生很大影响。最后,利用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析碳烟火焰局部原子强度分布特性与碳烟分布的相关性。结果表明,随氧碳比的增加,反扩散火焰中的C和H原子的辐射逐渐降低。原子C、CN、H和O的强度随距喷嘴端部的高度增加逐渐降低,在火焰中部呈现最大值。甲烷燃料燃烧中特征元素的光谱强度比O(777.2 nm)/C(247.8 nm)随着激光能量的增加而增加,但激光能量对O(777.2 nm)/H(656.4 nm)没有影响。O(777.2 nm)/C(247.8 nm)、O(777.2 nm)/H(656.4 nm)与氧碳比之间呈线性相关。