不同氣體添加劑對丙烷擴散火焰結構和溫度的影響

祝 健, 歐瑤琳, 楊慎林

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

研究表明,碳氫燃料燃燒會對人類健康和環境構成嚴重危害[1-2]。燃燒過程中排放的碳煙顆粒和CO2會吸收太陽輻射,是導致全球變暖的重要因素。前人提出各種方法來減少它們的排放(如廢氣再循環),CO2和N2是廢氣的主要成分,通常被添加到氧化劑中以稀釋反應物和降低反應溫度。H2是一種備受關注的清潔能源,人們將其作為添加劑加入到天然氣或其他碳氫燃料中[3-5],但由于其制備、運輸和存儲等方面的困難,尚未得到廣泛應用。有研究表明,無論是添加到燃料側還是氧化劑側,添加劑的加入都會通過稀釋、熱效應和化學作用等多種作用對燃燒狀態產生影響[6]。

除添加劑外,基礎燃料結構也是影響燃燒狀態的一個關鍵因素。相關研究表明,在添加相同物質的情況下,不同的基礎燃料會表現出截然不同的燃燒狀態。例如,CO2的添加會降低乙烯火焰高度[3],而對甲烷火焰高度幾乎沒有影響[7]。丙烷是重要的碳氫燃料之一,但對丙烷擴散火焰研究的文獻并不多見,因此以丙烷為基礎燃料進行研究有助于豐富不同燃料的燃燒狀態數據,進一步完善燃燒機理。

火焰結構和溫度是評估燃燒狀態的2個重要參數。文獻[8]研究火焰尺寸與熱釋放速率之間的關系,發現火焰高度、火焰面積均與熱釋放速率呈線性關系。基于圖像處理技術的火焰尺寸計算也成為近年來的研究熱點。文獻[9]將火焰分解為多個子圓柱體,通過計算每個子圓柱體的(體積、面積等)參數來描述火焰形態變化。文獻[10]基于該思想進一步提出了軸對稱火焰的表面積和體積計算公式,并通過基于固定閾值的圖像分割方法從火焰圖像中提取出完整火焰區域,實現火焰形態的高精度檢測。限于實驗條件,丙烷氣體在燃燒過程中存在明顯的光暈干擾,導致圖像中火焰與背景之間的界限模糊,嚴重影響了火焰形態檢測的準確率。火焰溫度是影響碳煙生成過程反應動力學速率的重要因素,對碳煙生成過程的一些重要特征參數(如碳煙粒徑分布、體積分數等)具有重大影響[11]。因此,評估不同比例的添加劑對燃料火焰溫度的影響對于研究碳煙生成機理等具有重要意義。

鑒于上述研究,本文將對CO2、H2、N2這3種氣體添加下的丙烷擴散火焰結構和溫度進行準確的實驗測量,以期為探究不同添加劑對不同性質燃料燃燒狀態的影響提供更多實驗數據,為發展和驗證燃燒模型提供可靠的數據支撐,對推動碳煙顆粒排放控制技術和提高能源利用效率具有參考意義。在MATLAB處理圖像過程中,本文提出一種動態閾值法,可以準確地識別火焰區域,而且操作簡單。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

丙烷基擴散火焰實驗系統如圖1所示,該系統主要由供氣系統、燃燒器、檢測系統3個部分組成。實驗氣體經減壓閥減壓后,由浮子流量計控制流量,通過混合器混合為不同體積分數的氣體進入燃燒器,形成穩定的擴散火焰。其中,燃燒器噴火嘴外徑為17 mm,內徑為9.5 mm。在實驗開始前,調整相機支架使相機和火焰底面在同一高度上,以便拍攝記錄火焰形態,用于后期圖像處理。測溫選用K型熱電偶,其測溫上限為1 300 ℃,滿足實驗測溫要求。每隔5 mm測量距離噴火嘴5～35 mm處的火焰中心線溫度,每個位置的測量至少重復3次,并求平均值使實驗中的操作誤差最小化。

圖1 實驗系統示意圖

1.2 實驗工況

在所有實驗中,丙烷流量在12 ℃、101.3 kPa的環境下保持40 mL/min不變,CO2、H2、N2等添加氣體分別以體積分數φ(即添加劑流量與丙烷流量之比)的形式單獨加入到燃料中,共16個不同實驗工況,見表1所列。每種工況重復3次實驗,3次實驗得到的火焰形態相差都很小,該實驗重復性強,實驗結果準確可信。

表1 實驗工況

1.3 圖像處理方法

文獻[10]基于Orloff的“圓柱體法”思想[9],修改完善了對于軸對稱或近似軸對稱火焰的火焰表面積計算方法。本文在此基礎上,利用MATLAB軟件對火焰圖像進行處理和定量分析。

準確提取火焰區域是計算分析的基礎,最普遍的方法是灰度閾值法。在進行預實驗時發現,采集到的火焰圖像中火焰周圍光暈明顯,其像素灰度值甚至大于火焰藍色區域的灰度值,設置固定閾值難以高精度地提取火焰區域。因此,去除火焰周圍光暈將成為圖像處理的關鍵。

本文基于丙烷火焰邊緣的灰度分布特性,設計了動態閾值法,使火焰和背景有效分割。火焰光暈處理前后的對比效果如圖2所示。

圖2 火焰光暈處理效果對比

在程序編寫中,經過對整張圖像灰度值分布情況的了解,將像素點的藍色通道值分為[0,40]、[40,210]、[210,255]3個區間,并對3個區間內的藍色通道值賦予新的值，即70、130、255,分別對應火焰藍色區域、橘黃色陰影區域和明黃色區域。從圖2a可以看出,由于光暈的存在和周圍環境的影響,火焰區域誤差極大。為此,本文在提取火焰區域時,設置閾值如下:

(1) 圖像頂部處理。將每一行藍色通道值的最大值表示為bmax,當bmax<8時,該行矩陣向量值為0。

(2) 火焰周圍處理。根據圖像灰度值分布情況,變閾值公式如下:

(1)

其中:T(a,b)為對應圖像像素點(a,b)的新向量值;I(a,b)為圖像像素點(a,b)的藍色通道值。由于火焰藍色區域內部有部分像素點藍色通道值小于0.5bmax,在(1)式中被設置為0,因此將值為1的輪廓之間的0強制設置為1,得到新的只有1和0的矩陣再與原像素矩陣相乘,即可得到圖2b所示的效果圖。

在后續編程建模中,將每一行像素點看作是一層,只需要統計藍色通道值為70的像素點個數,則可以求得火焰藍色區域截面積,再統計所有藍色通道值為70、130、255的像素點個數,就可以求得火焰總截面積。此時得到的數據并不是實際火焰尺寸,需要乘以相應的比例尺將像素尺寸進行換算,即

S=S′α2

(2)

其中:S′為按像素計算的火焰面積;S為實際火焰面積;α為比例尺,表示每個像素長度代表的實際物體長度。本文中,α為燃燒器噴火嘴實際尺寸與像素尺寸的比值。

2 結果與討論

2.1 火焰結構

不同工況下得到的丙烷基擴散火焰原始圖像如圖3所示。

圖3 不同工況下的丙烷基擴散火焰原始圖像

基本上,火焰由黃色火焰和藍色火焰組成。黃色部分非常明亮,是碳煙的主要分布區域;藍色部分亮度較低,對應無煙區域。由圖3可知,3種氣體的添加對丙烷火焰結構造成不同的影響。本文根據上述的計算方法和處理后的圖像,計算不同工況下的火焰高度、面積等。

2.1.1 火焰高度

根據弗洛德數Fr可以將射流擴散火焰劃分為浮力驅動和動量驅動,區分標準見表2所列。

表2 根據Fr劃分射流擴散火焰類型

弗洛德數的計算公式為:

(3)

其中:u為射流速度;g為重力加速度;d為噴口的特征尺寸。

通過計算,可以判斷本實驗火焰為浮力驅動的層流射流擴散火焰。根據文獻[12]推導出此時的火焰高度H為:

(4)

其中:Qf為燃料體積流量;D為燃料擴散系數;Yf為燃料質量分數。因此,火焰高度與燃料體積流量成正比,與燃料擴散系數和質量分數成反比。

工況1～工況16的火焰高度情況如圖4所示。

圖4 不同工況下的火焰高度

由圖4可知，添加N2后,火焰高度保持相對穩定，CO2的加入則使火焰高度有0.57～1.13 mm范圍的下降,實驗結果與文獻[13]結果一致,與(4)式矛盾,這可能是溫度分布造成的。隨著H2增加,火焰高度明顯上升,當Q(H2)為33.33 mL/min時,火焰高度達到了57.23 mm。這是由于H2是可燃物質,H2添加增大了燃料體積流量,且氣流速度加快,與空氣的混合速度減慢,火焰被拉長。

2.1.2 火焰面積

利用1.3節所述的方法,對提取的火焰區域進行藍色區域截面積S1、火焰總截面積S2和火焰表面積S3計算(S3=πS2,S3和S2具有相同表征意義,因此只放表面積圖),并計算S1與S2之比,計算結果如圖5所示。

從圖5a可以看出,藍色區域截面積均隨著添加劑的增多而增大,并且在添加劑流量相同時,面積增量關系為ΔS1(CO2)=1.5ΔS1(H2)=3ΔS1(N2)。

由圖5b可知,由于CO2和N2添加對火焰形態造成的影響甚微,火焰表面積保持相對穩定;而H2添加使火焰明顯變高,火焰表面積也明顯增大。因此,從圖5c可以看出,添加H2和N2后,藍色區域截面積與總截面積之比只有少量增大,而CO2添加則使占比顯著增大。

圖5 不同工況下的火焰面積

藍色火焰區域是碳煙顆粒前驅體的形成區域,主要產物是多環芳烴(PAH),沒有碳煙生成。在一定程度上,可以認為火焰藍色區域占總火焰區域的比例是初步判斷火焰燃燒充分性的重要表征。N2化學性質穩定,在實驗中常被設為對照組,CO2、H2與N2相比,在化學途徑上影響了碳煙生成。CO2添加促進了反應CO2+·H=CO+·OH的正向進行,造成·OH自由基含量升高,增強了碳煙前驅體的氧化作用,同時·H自由基含量降低,抑制了碳煙顆粒表面生長過程[14]。根據脫氫加乙炔機理,H2添加促進了反應Ai+·HAi·+H2的逆反應,使芳香族自由基(Ai·)在與乙炔結合之前就失去活性,從而抑制了PAHs生長[15]。另外,H2高擴散性減少了碳煙區域的前驅體聚集[6],致使碳煙產量下降。碳煙是導致火焰發光的重要因素,碳煙顆粒越少,火焰越暗。

結合圖3可以發現,CO2添加對火焰亮度的減弱作用強于H2和N2,3種氣體對碳煙的抑制效果與圖5的結果基本一致,CO2比H2和N2更有效地抑制了丙烷燃燒過程中的碳煙生成。火焰尺寸(高度和面積)與熱釋放速率有良好的相關性[8],可以作為一個更容易測量的指標,以代表熱釋放速率。從上述實驗結果可以看出,H2添加大幅提高了熱釋放速率。

2.2 火焰溫度

為了評估不同體積分數的CO2、H2、N2添加對溫度的影響,對沿火焰中心線的溫度進行測量,結果如圖6所示。從圖6a可以看出,火焰中心線溫度首先急劇上升,然后隨著火焰上部碳煙濃度增加,輻射熱損失增加,溫度上升緩慢,變化趨勢與文獻[13]中的測量結果一致。隨著CO2體積分數的增加,火焰下部溫度明顯降低,隨著高度增加,溫度降低幅度減少。當Q(CO2)從0增加到6.67 mL/min時,火焰中心線z=5 mm處的溫度從622.3 K下降到514.5 K,z=20 mm處的溫度從794.4 K下降到765.0 K,z=35 mm處的溫度從845.8 K僅下降到832.5 K。文獻[7]在恒壓甲烷中也發現了類似趨勢,甲烷火焰中心線溫度隨著CO2的加入而降低,而火焰高度保持不變。火焰溫度下降是由于CO2為不可燃氣體,對可燃氣體有絕對稀釋作用。此外,由于下部火焰藍色區域向上擴大,相同位置上的黃色火焰會過渡為藍色火焰,而火焰上部是碳煙主要分布區域,CO2的添加降低了碳煙生成率,減少了碳煙輻射熱損失,且碳煙生成是吸熱過程,吸收的熱量也會隨著碳煙生成率的降低而減少,因此火焰下部的降溫幅度比上部更大。

圖6 不同工況下的火焰中心線溫度分布

從圖6b可以看出,H2添加后的溫度行為比CO2更為復雜，火焰中心線溫度變化趨勢與CO2添加相同。隨著H2的增加,在z=5 mm處中心線溫度持續下降,而在z=10～35 mm處,當Q(H2)從6.67 mL/min增加到33.33 mL/min時,溫度反而上升,漸漸靠近Q(H2)=0時,且在z=35 mm處甚至超過無添加H2。溫度下降是由于氫氣火焰的絕熱溫度低于丙烷火焰的絕熱溫度,H2添加稀釋了丙烷。同時,H2添加使火焰高度和火焰表面積顯著增大,熱釋放速率也隨之增大。另外,H2添加使火焰傳播速度增加,更多的熱量被轉移到燃燒器表面,這也會造成火焰溫度的降低。但是H2燃燒本身也釋放了一部分熱量,同時會抑制碳煙生成,減少熱損失量,因此火焰溫度的下降并不明顯。結合圖2可以看出,z=10 mm處正是火焰藍色區域和黃色區域的過渡處,因此在z=10～35 mm的火焰上部,隨著H2增多,碳煙產量下降引起的熱損失減少量超過了稀釋和火焰表面積增加等作用造成的熱損失增量,導致溫度略有升高。在丙烷中加入H2對火焰整體溫度分布的影響沒有相同比例的CO2顯著。

從圖6c可以看出,N2添加對火焰中心線溫度的影響趨勢與CO2相同,但效果較弱。當Q(N2)從0增加到33.33 mL/min時,z=5 mm處的溫度僅降低了46.3 K。

結合圖3可以發現,隨著H2和N2的增加,火焰亮度即火焰發射強度無明顯變化,而CO2的添加則使火焰亮度明顯減弱,這說明CO2的添加降低了火焰的燃燒溫度,而H2和N2的加入對火焰溫度作用較小,與圖6的實際測溫情況相符。

3 結 論

(1) 根據圖像中火焰及光暈的像素灰度分布特性,設計了一種動態閾值法。在圖像處理過程中,有效地過濾了光暈成分,實現了簡單實驗條件下火焰參數的準確提取。

(2) CO2、H2、N2添加使火焰藍色區域擴大,且ΔS1(CO2)=1.5ΔS1(H2)=3ΔS1(N2);火焰藍色區域截面積與總截面積之比在CO2作用下增大最為明顯。因此,CO2對抑制丙烷燃燒過程中碳煙生成的效果最好。

(3) 隨著CO2和N2的增加,丙烷火焰高度和表面積無明顯變化,而H2添加則使其明顯增加,大幅提高了熱釋放速率。

(4) CO2、H2、N2這3種氣體添加劑中,CO2對火焰的降溫作用最強。其中CO2與N2添加對火焰中心線溫度的影響趨勢相同,而H2更復雜。在距噴火嘴10～35 mm處,火焰溫度隨著H2的增多而升高,這是由于碳煙產量下降導致的熱損失減少量大于稀釋和火焰表面積等作用造成的熱損失增量。