基于光譜處理和熱電偶測(cè)量的生物質(zhì)火焰發(fā)射率實(shí)驗(yàn)研究

(華北電力大學(xué)生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，102206)

能源是社會(huì)發(fā)展的基石，目前世界能源需求仍以燃燒產(chǎn)生的能量為主[1]。相比化石燃料，生物質(zhì)燃料為可再生能源，儲(chǔ)量豐富，利用潛力巨大。但因生物質(zhì)燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)換效率低、穩(wěn)定性差、設(shè)備不完善等制約了其發(fā)展[2]。為了拓寬生物質(zhì)燃料的使用領(lǐng)域，需進(jìn)一步完善生物質(zhì)燃燒設(shè)備。生物質(zhì)燃料在高溫設(shè)備中燃燒時(shí)，熱輻射是最主要的傳熱方式，熱輻射參數(shù)是燃燒過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算所必需的輸入?yún)?shù)，也是設(shè)備參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，而發(fā)射率是表征目標(biāo)熱輻射能力的物理量，其受溫度、波長(zhǎng)、材料等眾多因素影響，難以直接測(cè)量，故如何準(zhǔn)確獲得生物質(zhì)燃燒火焰發(fā)射率成為廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。AGUEDA等[3]利用紅外輻射圖像信息對(duì)森林可燃物的火焰發(fā)射率進(jìn)行了研究，得到了發(fā)射率與消光系數(shù)之間的關(guān)系，但是該方法不適用于大型燃燒設(shè)備中火焰發(fā)射率的計(jì)算。萬(wàn)振剛等[4]利用光纖光譜儀對(duì)電站煤粉鍋爐的火焰發(fā)射率進(jìn)行了研究，利用CCD陣列轉(zhuǎn)化輻射信號(hào)，通過(guò)擬合計(jì)算可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐火焰各特征區(qū)的平均溫度和火焰發(fā)射率。文獻(xiàn)[5-8]利用光譜輻射測(cè)溫技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理算法反演得到待測(cè)火焰的真實(shí)溫度和光譜發(fā)射率，其中，單色法和雙色法[5]均是在被測(cè)火焰發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化的灰體假設(shè)下進(jìn)行，而多光譜輻射測(cè)溫方法[6-8]則圍繞建立實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的發(fā)射率模型展開。然而，過(guò)往研究成果[9-10]表明光譜發(fā)射率變化復(fù)雜，很難用固定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行表述，孫曉剛等[11-12]提出的可變發(fā)射率模型有一定的適用性，但是假設(shè)的發(fā)射率模型無(wú)法通用。此外，因?yàn)榛鹧鏈囟群洼椛涮匦詤?shù)相互耦合，溫度計(jì)算值依賴于光譜發(fā)射率模型的建立，其準(zhǔn)確性無(wú)法保證，溫度的誤差同時(shí)會(huì)影響到反演計(jì)算所求發(fā)射率的準(zhǔn)確性，且算法迭代時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。

開展火焰溫度和輻射特性參數(shù)測(cè)量研究是深入了解燃燒過(guò)程的一種有效手段；對(duì)于生物質(zhì)燃燒火焰，火焰溫度和發(fā)射率是反映燃燒特性的2個(gè)重要參數(shù)，這2個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量將對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)理的深入研究提供指導(dǎo)作用。本文作者結(jié)合火焰發(fā)射光譜和熱電偶測(cè)溫方法，對(duì)生物質(zhì)火焰燃燒過(guò)程中隨波長(zhǎng)變化的發(fā)射率分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。提出一種生物質(zhì)火焰發(fā)射率的熱電偶計(jì)算模型，并在生物質(zhì)燃燒爐中對(duì)3種常見(jiàn)生物質(zhì)燃料燃燒火焰(松木，紅木，稻殼)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并將發(fā)射率計(jì)算結(jié)果與光譜計(jì)算模型所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 發(fā)射率測(cè)量方法

1.1 熱電偶計(jì)算模型

在生物質(zhì)燃燒實(shí)驗(yàn)中，火焰光譜檢測(cè)系統(tǒng)與熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)同時(shí)從燃燒爐水平相對(duì)檢測(cè)孔中采集數(shù)據(jù)，采樣頻率均為1 Hz。

在熱電偶測(cè)溫過(guò)程中，浸入火焰中的長(zhǎng)度超過(guò)5 cm，忽略沿?zé)犭姌O的熱傳導(dǎo)所傳遞的熱量，同時(shí)假設(shè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)與其周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，則本實(shí)驗(yàn)中熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的能量平衡可由式(1)簡(jiǎn)化為式(2)。

式中：ρ為熱電偶密度；Cp為熱電偶比熱容；V為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的體積；Tb為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的溫度；t為熱電偶測(cè)量時(shí)間；Qconvection為對(duì)流換熱傳遞的熱量；Qradiation為輻射換熱傳遞的熱量；Qconduction為熱傳導(dǎo)傳遞的熱量。

對(duì)于生物質(zhì)燃燒火焰，輻射傳熱量包括爐壁與測(cè)溫點(diǎn)之間的輻射效應(yīng)及碳煙與測(cè)溫點(diǎn)之間的輻射效應(yīng)，可得出輻射傳熱量的公式為

式中：σ為黑體輻射常數(shù)，為5.67×10-8W/(m2·K4)；Ab為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)面積；Tw為爐壁溫度；Tf為生物質(zhì)火焰的真實(shí)溫度；εb為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的發(fā)射率。在一定的溫度范圍內(nèi)，εb可由經(jīng)驗(yàn)公式(4)求得[13]：

由于爐壁的溫度Tw遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的溫度Tb，因此，可以忽略式(3)中的爐壁溫度，則式(3)可簡(jiǎn)化為

熱電偶測(cè)溫點(diǎn)與生物質(zhì)火焰之間對(duì)流換熱過(guò)程傳遞的熱量為

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)。

式中：Db為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的直徑；ψ為待測(cè)火焰的導(dǎo)熱系數(shù)，其數(shù)值基于測(cè)量點(diǎn)的溫度，在770～2 070 K的溫度范圍內(nèi)，由式(8)求得。

由于B型熱電偶低溫時(shí)的電壓不精確，冷端修正與否對(duì)測(cè)量結(jié)果僅有1 ℃左右的差別，可以忽略，故利用一下數(shù)值迭代方法計(jì)算式可求解出生物質(zhì)火焰的真實(shí)溫度Tf：

火焰光譜測(cè)溫系統(tǒng)利用光譜儀可以得到一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的火焰單色輻射強(qiáng)度信息，但系統(tǒng)的原始輸出信號(hào)是經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，為相對(duì)強(qiáng)度，因此，必須對(duì)系統(tǒng)輸出的電信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)黑體輻射強(qiáng)度的標(biāo)定。光譜儀通過(guò)黑體爐標(biāo)定后，即可以輸出測(cè)量范圍內(nèi)火焰在不同波長(zhǎng)下的光譜輻射強(qiáng)度。

熱輻射引起的光譜輻射強(qiáng)度由普朗克輻射定律描述如式(10)所示。根據(jù)普朗克輻射定律及測(cè)得不同波長(zhǎng)下的實(shí)際火焰發(fā)射光譜強(qiáng)度I，由式(11)可求得生物質(zhì)火焰隨波長(zhǎng)變化的發(fā)射率[14]。

式中：c1和c2均為普朗克常數(shù)，c1=3.742× 10-16，c2=1.438 8× 10-2；Ib為黑體光譜輻射強(qiáng)度；T為熱力學(xué)溫度；λ為波長(zhǎng)；ε為所求生物質(zhì)火焰發(fā)射率。

1.2 光譜計(jì)算模型

為了對(duì)比熱電偶計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，引入基于多個(gè)波段下的輻射強(qiáng)度來(lái)計(jì)算待測(cè)火焰溫度和發(fā)射率的光譜計(jì)算模型[15]。該模型基于牛頓迭代法求解溫度、輻射特性參數(shù)與波長(zhǎng)間多項(xiàng)式關(guān)系的各階系數(shù)以及隨多項(xiàng)式階數(shù)收斂的多項(xiàng)式關(guān)系，從而得到生物質(zhì)火焰的發(fā)射率。

對(duì)于光譜檢測(cè)系統(tǒng)，光譜儀通過(guò)黑體爐標(biāo)定后，即可以測(cè)量一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)火焰的光譜輻射強(qiáng)度。光譜輻射強(qiáng)度可表示為[16]

式中：I(λ,T)為實(shí)際輻射強(qiáng)度；Ib(λ,T)為黑體輻射強(qiáng)度；a0，a1，a2，…，an為未知的多項(xiàng)式系數(shù)；n為多項(xiàng)式的階數(shù)，為大于等于0的整數(shù)。在此條件下，將計(jì)算轉(zhuǎn)化為根據(jù)不同波長(zhǎng)下光譜數(shù)據(jù)求解發(fā)射率各階系數(shù)a0，a1，a2，…，an及溫度T。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)選用3 種常見(jiàn)生物質(zhì)燃料，分別為松木、紅木和稻殼。3種生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知：松木的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(78.60%)比紅木(70.20%)和稻殼(63.32%)的高，紅木的含水量最高，稻殼的灰分含量最高。

表1 生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Industrial and elemental analysis of biomass fuels

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置為生物質(zhì)燃燒實(shí)驗(yàn)爐，包括生物質(zhì)燃燒器、帶有光學(xué)觀測(cè)端口的燃燒爐、光譜檢測(cè)系統(tǒng)、熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)以及其他組成部分，如圖1所示。

螺旋輸送機(jī)輸送生物質(zhì)顆粒到燃燒室，由一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)提供燃燒所需的空氣，采用變頻器控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量。一次空氣從爐排底部的3個(gè)進(jìn)氣口均勻地進(jìn)入生物質(zhì)燃料層，提供生物質(zhì)顆粒一次燃燒所需的氧氣。二次空氣從爐室外壁和燃燒室?jiàn)A層流出，并進(jìn)行熱量交換，然后，空氣從中間層流出進(jìn)入燃燒室，揮發(fā)分與二次空氣充分混合在爐內(nèi)燃燒。光譜檢測(cè)窗口和溫度檢測(cè)窗口分別位于爐膛的相對(duì)側(cè)壁，檢測(cè)窗口與火焰噴嘴的水平距離為280 mm，噴嘴內(nèi)徑為100 mm。在溫度檢測(cè)窗口外放置了1個(gè)B型熱電偶。熱電偶的測(cè)量點(diǎn)浸入火焰中，與光譜檢測(cè)窗口水平對(duì)齊。光譜測(cè)溫系統(tǒng)使用的光譜儀型號(hào)為Avaspec-Mini2048CL，光譜儀的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為360～1 100 nm，光譜分辨率為1.3 nm。光譜儀的光纖前端裝有準(zhǔn)直透鏡探頭，以保證進(jìn)入光纖的是探頭正視方向的平行光，確保精確的測(cè)量角度。

2.3 光譜標(biāo)定

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置包括高溫黑體爐、光譜儀、計(jì)算機(jī)、光纖、透鏡等。將透鏡連接光纖正對(duì)黑體爐爐口，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制光譜儀的采集工作。首先根據(jù)標(biāo)定溫度T和黑體爐發(fā)射率ε由普朗克定理式(10)計(jì)算得到黑體輻射強(qiáng)度Ib(λ)，其中，發(fā)射率默認(rèn)為1，標(biāo)定溫度分別取1 677 K和1 823 K。

將光譜儀響應(yīng)值扣除暗背景并標(biāo)定后能得到實(shí)際的單色強(qiáng)度。通過(guò)直接測(cè)量黑體爐輻射得到光譜儀的響應(yīng)強(qiáng)度S(λ)，再計(jì)算出黑體輻射強(qiáng)度Ib(λ)，由式(13)可以得到光譜儀標(biāo)定系數(shù)C(λ)。不同溫度下的標(biāo)定曲線如圖2所示。

式中：t為光譜儀的積分時(shí)間。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

圖2 光譜檢測(cè)系統(tǒng)黑體爐標(biāo)定曲線數(shù)Fig.2 Calibration curve of blackbody furnace for spectral detection system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 光譜分析

光譜檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到3種生物質(zhì)火焰光譜輻射強(qiáng)度在當(dāng)量比為0.85時(shí)的分布如圖3所示。從圖3可知：火焰發(fā)射光譜在400～900 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在2 條強(qiáng)烈的特征譜線；分別為590 nm 處的Na特征譜線和767 nm 處的K 特征譜線；生物質(zhì)燃料中含有大量Na 和K 等具有強(qiáng)烈焰色反應(yīng)的堿金屬元素，在火焰燃燒過(guò)程中被熱激發(fā)產(chǎn)生特殊譜線。特征譜線的強(qiáng)度被認(rèn)為與揮發(fā)性K 和揮發(fā)性Na 的濃度成正比[17-19]，在火焰燃燒溫度下，堿金屬除了少量以氧化物形式滯留在固相中外，大部分以氣態(tài)的形式析出，故特征譜線的絕對(duì)輻射強(qiáng)度可以表征不同原料中Na和K元素相對(duì)含量比。由圖3得到Na和K特征譜線的絕對(duì)輻射強(qiáng)度如表2所示。

圖3 3種生物質(zhì)燃燒火焰輻射強(qiáng)度Fig.3 Three biomass burning flame radiation intensity

表2 K和Na特征譜線的絕對(duì)輻射強(qiáng)度Table 2 Absolute radiation intensity K and Na characteristic spectral lines W·m-2·sr-1

由表2可知：3 種生物質(zhì)燃料中，稻殼中K 元素含量最高，松木中其次，紅木中最低；而松木中Na元素含量最高，稻殼中其次，紅木中最低。

揮發(fā)分物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物為碳煙，生物質(zhì)燃料中揮發(fā)分物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，碳煙的濃度越大，生物質(zhì)火焰實(shí)際光譜輻射強(qiáng)度越大。對(duì)比3種燃料的工業(yè)分析結(jié)果，松木的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(78.60%)，紅木的其次(70.20%)，稻殼的最低(63.32%)。由圖3可知松木燃燒火焰的光譜輻射強(qiáng)度大于紅木燃燒火焰的光譜輻射強(qiáng)度，也大于稻殼燃燒火焰的光譜輻射強(qiáng)度。

3.2 熱電偶測(cè)溫分析

熱電偶測(cè)量溫度經(jīng)式(9)修正后可得生物質(zhì)火焰的真實(shí)溫度，如圖4所示。從圖4可見(jiàn)：松木燃燒火焰溫度的熱電偶測(cè)量值為1 282 K，修正后的溫度為1 501 K，修正差值為219 K；紅木燃燒火焰溫度的熱電偶測(cè)量值為1 177 K，修正后的溫度為1 335 K，修正差值為158 K；稻殼燃燒火焰溫度的熱電偶測(cè)量值為1 203 K，修正后的溫度為1 370 K，修正差值為167 K。由修正結(jié)果結(jié)合迭代計(jì)算式(9)可推斷，修正的溫度差受熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的溫度Tb影響，Tb越高，修正差越大，計(jì)算的燃燒火焰真實(shí)溫度Tf越高。

圖4 3種生物質(zhì)燃燒火焰熱電偶溫度Fig.4 Three biomass burning blame thermocouple temperatures

對(duì)比修正后的真實(shí)溫度可以判斷出松木燃燒火焰溫度最高，稻殼燃燒火焰溫度居中，紅木燃燒火焰溫度最低。結(jié)合3 種生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析，紅木的揮發(fā)分物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于稻殼的揮發(fā)分物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但是，紅木中含水量較高，水分蒸發(fā)吸收部分熱量，導(dǎo)致紅木燃燒火焰的溫度低于稻殼燃燒火焰的溫度。

3.3 發(fā)射率計(jì)算結(jié)果和誤差分析

圖5所示為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中3 種生物質(zhì)火焰通過(guò)2種計(jì)算模型所得發(fā)射率的結(jié)果及相對(duì)誤差。由熱電偶計(jì)算模型得到的發(fā)射率結(jié)果為：松木燃燒火焰發(fā)射率的最大值為0.066，最小值為0.026；紅木燃燒火焰發(fā)射率的最大值為0.054，最小值為0.016；稻殼燃燒火焰發(fā)射率的最大值為0.038，最小值為0.009。同時(shí)由圖4可觀察到：火焰發(fā)射率在光譜短波段達(dá)到最大值，隨波長(zhǎng)的增大而減小，這與碳?xì)浠鹧嫖障禂?shù)滿足瑞利近似規(guī)律相符合，吸收系數(shù)與波長(zhǎng)成反比。

圖5 3種生物質(zhì)燃燒火焰發(fā)射率結(jié)果及相對(duì)誤差Fig.5 Results and relative error of flame emissivity of three biomass combustion

由于3種生物質(zhì)燃料揮發(fā)分物質(zhì)含量不同，而揮發(fā)分的含量決定燃燒過(guò)程碳煙的濃度，且碳?xì)浠鹧孑椛渲饕獊?lái)源于碳煙顆粒物的連續(xù)輻射[20-24]，故同一波長(zhǎng)下松木燃燒火焰發(fā)射率最大，其次是紅木燃燒火焰發(fā)射率，稻殼燃燒火焰發(fā)射率最小。

利用光譜計(jì)算模型結(jié)果對(duì)熱電偶計(jì)算模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。定義發(fā)射率相對(duì)誤差為將2種模型同波長(zhǎng)所得發(fā)射率之差的絕對(duì)值除以熱電偶模型計(jì)算范圍內(nèi)發(fā)射率的最大值。熱電偶測(cè)溫準(zhǔn)確度最高，且只需要求解發(fā)射率，而光譜計(jì)算模型需要同時(shí)解耦溫度和發(fā)射率，所得溫度和發(fā)射率計(jì)算值精度都比熱電偶計(jì)算模型所得的精確低。

由圖5可知：短波段測(cè)量?jī)x器噪聲較大導(dǎo)致熱電偶計(jì)算模型結(jié)果波動(dòng)較大，相對(duì)誤差較高，長(zhǎng)波段相對(duì)誤差較?。徽w相對(duì)誤差小于10%的發(fā)射率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍占測(cè)量波長(zhǎng)范圍的96%以上；松木的發(fā)射率平均相對(duì)誤差為2.41%，紅木的發(fā)射率平均相對(duì)誤差為2.64%，稻殼的發(fā)射率平均相對(duì)誤差為3.02%，均小于4.00%。故熱電偶計(jì)算模型適用于多種生物質(zhì)火焰燃燒發(fā)射率的計(jì)算。

4 結(jié)論

1)提出了一種生物質(zhì)火焰發(fā)射率的熱電偶計(jì)算模型，并在生物質(zhì)燃燒爐中進(jìn)行了3種常見(jiàn)生物質(zhì)燃料(松木、紅木、稻殼)燃燒火焰的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2)松木燃燒火焰的發(fā)射率最大。3種生物質(zhì)燃料的發(fā)射率在光譜短波段達(dá)到最大值，隨波長(zhǎng)的增大而減小。

3)將發(fā)射率計(jì)算結(jié)果與光譜計(jì)算模型所得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，稻殼燃燒火焰發(fā)射率的平均相對(duì)誤差最大，為3.02%，證明了模型的準(zhǔn)確性與適用性。該項(xiàng)研究將為研制新型生物質(zhì)燃燒設(shè)備和生物質(zhì)燃料燃燒過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算中熱輻射參數(shù)的選取提供參考。