光学精密工程·封面 | MIR-TAS技术应用于富氢低碳燃烧温度测量

学术 2024-11-15 18:02 吉林

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导读

“碳达峰、碳中和”目标的提出对以建材、冶金、电力和交通工业等为代表的国家基础民生领域和以航空航天和国防工业等为代表的国家重大战略领域，提出了更高的减碳脱碳要求^[1]。氨作为一种高效零碳氢载体，在燃烧过程中不产生任何碳排放，通过调节其与传统碳氢燃料的掺混比例，可以在不同阶段实现燃料经济性和减碳效果的最佳平衡，当前采用零碳燃料是高温热工装备实现源头化减碳脱碳的重要技术路径，已在热力发电锅炉、内燃机和高温陶瓷窑炉中得到示范应用。但氨气存在可燃范围窄和燃烧NOx排放过高等问题，为了推动其规模化应用，需要对其基础燃烧特性进行充分解析^[2,
3]。

温度作为燃烧过程中最需要定量的热化学参数之一，其精准测量对于燃烧化学反应机理开发、燃烧器优化设计和燃烧效率评估等至关重要。此外，火焰温度影响着热力型NOx生成与选择性非催化还原过程效率，精准的温度测量结果对于实现高效低污染燃烧过程的主动控制具有重要意义。尽管氨燃料在基础燃烧研究和工业应用中受到极大关注，但当前纯氨燃料和甲烷掺氨双元混合燃料基础火焰温度数据较少，特别缺乏高保真的高空间分辨率、定量测量结果。

为了实现纯氨和甲烷掺氨燃料火焰温度的高保真测量，武汉理工大学低碳燃烧与动力研究中心王宇教授团队（http://cls-wut.cn/）在《光学精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为“中红外层析吸收光谱技术应用于甲烷掺氨层流预混火焰温度测量”的封面文章。武汉理工大学低碳燃烧与动力研究中心陆盛曜为论文的第一作者，马柳昊副研究员为论文的通信作者。

标准层流预混火焰

标准层流预混滞止火焰由McKenna型燃烧器产生，该燃烧器主要由中心烧结不锈钢多孔介质圆盘（直径为60 mm）和外环烧结铜多孔介质组成，中心多孔介质圆盘中埋有水冷管用于炉体散热。燃烧器的顶端固定了一个直径为60mm，厚度为14mm的不锈钢圆形滞止板，用于进一步降低高比例掺氨工况和纯氨燃烧工况时的火焰抖动。图1给出了甲烷/空气火焰、甲烷掺氨/空气火焰和纯氨/空气火焰的典型图片，从图中可以明显看出纯甲烷燃烧的蓝色火焰、甲烷掺氨燃烧的淡黄色火焰和纯氨燃烧的色火焰。在进行测量前，燃烧器先点火预热半小时，等待火焰完全稳定后再进行实验数据采集。

图1: 典型层流预混甲烷火焰（左）、甲烷掺氨火焰（中）和纯氨火焰（右）图片

中红外层析吸收光谱技术测温系统设计

对于以上任何一种火焰，其完全燃烧后都会产生较多的水蒸汽，为此研究团队将水汽（H₂O (g)）作为探测对象，基于团队前期提出的吸收光谱测温谱线选择理论^{[4, 5]}，选择了水汽基频谱带内2482 nm附近的强吸收谱线对进行高灵敏度温度测量。同时，为了实现高空间分辨率测量以捕捉不同燃烧工况下火焰面位置变化，专门设计了伽利略透镜组，使得入射激光经过该透镜组(凹透镜，焦距为-75 mm；两个凸透镜，焦距分别为200 mm和125 mm)后汇聚到火焰中心的光斑直径约为250 μm，该数值由刀片法测得。燃烧器被安装在一个高精度线性平移台上，如图2所示，其中平移台在水平和竖直方向上的平移精度为10 μm。本实验中，位于火焰面附近测量的垂直空间分辨率为250 μm，在燃料氧化区后的垂直空间分辨率为2 mm，水平方向的层析重建分辨率也设定为2 mm。此外，为了验证测量结果的可靠性，我们开展了燃烧反应动力学模拟，耦合详细化学反应机理进行了一维火焰的温度模拟。其中Okafor机理被用于模拟温度，该机理包含59种组分，356个基元反应。

图2：基于中红外层析吸收光谱的火焰测量实验系统示意图

实验及结果分析

激光通过火焰后，采集到的原始吸收信号如图3所示。在这个连续扫描波长的信号中，初始段为低平信号，这是由于此处的激光器电流低于其出光阈值电流，可以利用这部分信号有效扣除外部偏置信号。从图中可以看到H₂O分子的多个吸收峰被同时探测，且信噪比好，选定的目标吸收峰在图中被箭头标出。

图3：典型背景基线与吸收光谱的原始信号

我们测量了甲烷掺氨火焰在不同掺氨比(X_NH3= 20-100%)下的燃烧工况，并同时开展了基于详细化学反应机理的燃烧反应动力学模拟。由于沿着火焰轴向方向的温度变化是化学反应动力学研究最为关注的信息之一，我们在图4中展示了不同工况下的火焰温度轴向分布。从实验和仿真的对比结果可见，实测的温度分布结果趋势在测量不确定度范围内与仿真结果吻合较好（相对偏差在0.5-2.1%之间），火焰的温度起初在较小的高度变化范围内迅速上升，大约在2-3 mm范围内到达最大值，随后又逐渐下降。对于甲烷掺氨火焰，掺氨比越高，温度越高，这是由于氨气层流燃烧速度低，此时火焰面更远离燃烧器，对燃烧器的散热量减少，使得温度升高。可以看出本文所发展方法及搭建系统实现了对轴向温度分布和火焰面位置的精准捕捉，实现了对不同燃烧工况及火焰不同位置中宽温域（800~2000 K）内的温度细微差别的精准解析。纯氨燃料和甲烷/氨气混合燃料的火焰面位置高度在0.5到2 mm之间。混合燃料的体积掺氨比从20%到100%变化时，火焰温度约在1600-2000 K之间变化；

图4：甲烷掺氨火焰在不同掺氨比下（a）轴向温度分布实验与仿真结果对比和（b）火焰面附近温度的放大图

前景展望

在当前氨作为主流零碳燃料应用于高温能源动力装备低碳转型的背景下，亟需可靠、高灵敏度的温度测量技术推动氨燃料的基础燃烧研究和工程应用。本文发展了适用于甲烷掺氨火焰温度高灵敏、免标定和定量测量的中红外层析吸收光谱测量技术和系统。通过光谱数值实验，实际测量与化学反应动力学模拟对比，系统验证了所提出方法和搭建系统能够实现氨燃料层流预混火焰温度的高分辨率（250 μm）的定量测量，且能够精准分辨不同燃烧工况下的温度轴向分布和不同火焰面位置的温度细微差别。此外，本文也提供了稀缺的氨燃料标准层流火焰温度实验数据，为计算流体动力学模型开发与化学反应机理优化提供了实验支撑。未来，通过耦合波长调制光谱技术或者腔增强光谱技术等高灵敏检测技术，可以实现微小尺度火焰温度和活性中间产物定量测量。

作者简介

陆盛曜，硕士研究生，于2019在武汉理工大学获得学士学位，主要方向为基于中红外激光吸收光谱技术的燃烧诊断方法研究。

E-mail: lac-wut-lsy@whut.edu.cn

通讯作者：马柳昊，博士，副研究员，博士生导师，主要研究方向为非均匀燃烧流场光学诊断技术，新型激光光谱高温传感技术和工业气体激光传感器设计，主持国家自然科学基金面上项目，青年基金，佛山仙湖实验重大项目课题等纵向项目5项。

E-mail: liuhaoma@whut.edu.cn

论文信息

陆盛曜,马柳昊,张健鹏,等.中红外层析吸收光谱技术应用于甲烷掺氨层流预混火焰温度测量[J].光学精密工程,2024,32(18):2733-2743.

https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20243218.2733/

参考文献

[1]张莉，薛勃飞，刘玉新，等. 氨氢融合新能源交叉科学前沿战略研究 [J]. 科学通报, 2023, 68 (23): 3107-3112.

[2] A. V-M, M.O. V-Z, H. S, et al. Ammonia co-mbustion in furnaces: A review [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 49(PB): 1597-1618.

[3] ZHU X, DU J, YU Z, et al. NO_x emission and control in ammonia combustion: state-of-the-art review and future perspectives [J]. Energy & Fuels, 2024, 38(1): 43-60.

[4] 刘宁博，赵逸佳，陆盛曜，等. 热化学参数非均匀分布对双色激光吸收光谱测量碳烟火焰温度的影响 [J]. 光学精密工程, 2023, 31(19): 2799- 2808.

[5] CHEONG K-P, MA L, WANG Z, et al. Influe-nce of line pair selection on flame tomography using infrared absorption spectroscopy [J]. Appl-ied Spectroscopy, 2019, 73(5): 529-539.

团队介绍

武汉理工大学低碳燃烧与动力研究中心燃烧与激光传感实验室面向以氢能及氨氢新能源为代表的能源碳中和领域，主要开展氢能基础研究及其在动力及推进系统、清洁电力和先进制造业中的应用研究，结合光电传感、人工智能等前沿技术，致力于为国家“碳达峰、碳中和”战略目标做出贡献。实验室现有固定教学科研人员4人，其中省部级人才计划入选者3人次，主要主持包括国家自然科学基金，国家重点研发计划子课题和湖北省杰出青年基金在内的国家级和省部级项目10余项。实验室现有博士、硕士研究生共30余人，学生毕业后均在海外知名高校深造或世界500强企业就业。

监制：秦思、赵阳

编辑：赵唯

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