稳定阴燃过程烟气流动的纹影分析

于光鑫，闸建文，赵文涛，李舒琪，何芳

(1. 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；2. 山东理工大学 学术期刊编辑部，山东 淄博 255049)

阴燃是多孔介质燃料缓慢的无焰燃烧[1],在处理有机固废方面潜力巨大[2],目前在生物质废弃物[3]、污泥[4]、油泥[5]的处理和工业污染土壤的原位(即现场、地下)修复[6-8]等方面的应用得到了广泛的研究。稳定阴燃是阴燃技术应用的基础,其机理研究是阴燃技术开发及应用的前提。阴燃中烟气流动和氧气扩散是影响燃烧速度和温度的关键[9],因此稳定阴燃过程中烟气流动的研究是非常重要的。

目前对稳定阴燃特性已有较多研究,多采用棒状燃料。Lin等[10]对不同直径及密度的佛香在不同风速下的阴燃进行了研究,发现随着气流速度的增加,阴燃传播速率首先增加(氧反应区),然后在较大的气流速度范围内稳定在最大值(热值反应区),直到被吹掉之前阴燃传播速率是略微下降(化学反应区)的。高振强等[11]研究了含水率对佛香阴燃传播速率的影响,发现含水率从绝干增加到35%(干基)时,佛香在初始阶段(< 20 min)的阴燃传播速率从约0.58 cm/min降到约0.25 cm/min。Kadowaki等[12]通过在不同质量分数的氧气下的阴燃实验,研究了阴燃扩散的极限条件,发现当氧气的质量分数降低时,最高温度和扩散速率均降低,低于临界值时会熄灭,高于临界值时将会发生火焰转捩现象。Yan等[13]发现炭棒能在不同条件下通过调节反应面锥形实现稳定阴燃,且其反应过程简单,是研究阴燃机理的理想燃料。然而,到目前为止,无论是生物质棒还是炭棒,其稳定阴燃过程中的烟气流动特性少有报道。

烟气流动是燃烧过程的重要影响因素,其测量及可视化常采用高速粒子图像测速(PIV)技术或纹影技术。Johe等[14]使用PIV和平面激光诱导OH自由基荧光(OH-PLIF)得到了火焰速度场及其前沿位置。相龙凯等[15]通过搭建本生灯和纹影实验系统,测得了甲烷/氮气/空气的层流燃烧速度和火焰外部流场,发现甲烷的层流预混燃烧速度在当量比为1.5附近达到最大值。Cao等[16]采用纹影摄影法对垃圾填埋气体混合物的层流火焰速度进行了研究,发现火焰速度及温度随CO2质量分数的增加而降低。Choudhury等[17]应用背景纹影技术研究了火焰在封闭通道内的传播动力学,最后利用BOS技术捕捉到火焰传播后期燃烧气体区域(上行)的低强度反向流动图像。Aminfar等[18]利用背景纹影法影像,观察到了在堆积自然火灾下的热羽流,通过将密度梯度图像测速(DGIV)技术应用到背景纹影系统(BOS)的结果中,使热羽流相关的流动实现可视化,且通过比较连续的图像帧,使对流换热的可视化和量化成为可能。

PIV技术需要示踪粒子来观测烟气的流动过程[18],但炭棒稳定阴燃产生的烟气中没有固体颗粒物。另外PIV技术价格昂贵,使用条件要求高,应用不便。纹影技术具有非接触、灵敏度高及反应速度快等优点,适合用于炭棒及生物质棒稳定阴燃过程中的烟气流动观测。然而,纹影定性定量研究仍在起步阶段,其对稳定阴燃,特别是炭燃料无火焰稳定阴燃的烟气测量是否有效,目前还不明确。

本研究将尝试建立一种简洁的烟气流场纹影观测方法,并对不同直径和种类的棒状燃料的阴燃进行纹影观察和初步分析,以期为后续稳定阴燃的机理研究提供参考。

1 实验原理及装置

1.1 纹影系统

纹影系统的工作原理是当光路中的流体密度变化时,光线折射率随之改变,光线就会弯曲,与纹影对象形成共轭的颜色深浅不一的光学图像。实验采用了如图1(a)所示的单镜离轴成像原理。由图1(b)可知,该系统主要由光源、被测物体、凹面反光镜、遮光片和手机相机构成。由凹面镜的成像原理式(1)可知,在凹面镜的2倍焦距处,会呈现等大倒立的实像,此时得到的纹影图像最为清晰。

(1)

式中：l为相距,即刀口到达凹面镜的距离;s为物距,即光源到达凹面镜的距离;f为凹面镜的焦距。在实验中物距s为2倍焦距f,所以得到相距l也为2倍焦距f。

(a) 原理图

(b)装置图图1 纹影实验原理及装置图

实验中凹面镜为成都星科达光学高质量专业纹影203F750凹面反射镜,即实验所用到的凹面镜焦距f为750 mm,因此相距l和物距s的距离为s=l=2f=1 500 mm,即光源、手机镜头与凹面镜的距离为1 500 mm。点光源是由带有小孔(<1 mm)的锡箔胶带居中粘贴至Xiaomi11 手机的LED闪光灯上形成的。被测物体固定在物料夹持工具上,并放置在可横向移动的导轨上。遮光片是上下相距2 mm左右狭缝的锡箔胶带,记录纹影图像的为Xiaomi 11手机108 MP主摄像头。

1.2 实验步骤

取长度约10 cm的生物质棒或炭棒固定在物料夹具上,保证其与凹面镜的距离为2 cm。从上端用打火机点燃物料,阴燃向下传播一定距离(生物质棒约2 cm、炭棒约4 cm),达到稳定后,拍摄纹影图片,然后关闭光路,取背景板(生物质棒为黑色背景板、炭棒为白色背景板)拍摄视觉图像。需要注意的是生物质阴燃烟气图像视觉分辨率低,在光线较暗时,才能获得较为清晰的图像。由于生物质棒拍摄背景是黑色,后期需使用Photoshop反白处理。

1.3 实验物料

本项目采用传统佛香原料(榆树皮粉及柏木粉)制作常见佛香尺寸的生物质棒及其炭棒。将榆树皮粉、柏木粉和水按质量比1∶1∶3混合均匀,挤压成直径3、4和5 mm的生物质棒,在空气中自然风干。炭棒由生物质棒热解炭化制成：将生物质棒放在石英试管中,并用石棉将试管口封堵,放置在马弗炉中,以10 °C/min加热速率将其从室温加热至500 °C,保温2 h制得炭棒。

对生物质棒及其炭棒参照GB/T 28731—2012固体生物质燃料工业分析方法得到如表1所示的分析结果。需要注意的是,制作过程中因水分蒸发或挥发分逸出使生物质棒及其炭棒的实际直径与制作直径(3、 4、 5 mm)略有差别。

表1 样品参数及工业分析

2 实验结果与分析

2.1 视觉图像和纹影图像对比

生物质棒及其炭棒的视觉及纹影图像如图2所示。就纹影图像来说,生物质棒及其炭棒阴燃烟气轮廓均较为清晰。在生物质棒的视觉照片中存在较为模糊的轮廓,仅可看到生物质棒稳定阴燃过程中的烟气流动,且烟气的烟柱直径与生物质棒直径相差不大,靠近高温反应区的烟气不易观察,而炭棒稳定阴燃视觉图像无法观察到烟气流动,仅可看到灰柱及发红的高温反应区。

(a)生物质棒 (b) 炭棒图2 实验物料视觉和纹影图像对比

两者视觉图像差异是由于生物质棒阴燃过程中水分的蒸发及挥发分逸出,使其周围形成水蒸气及固体颗粒物等组成的烟气层,故可以看到烟气流动,而炭棒是由生物质棒热解炭化而成的,其烟气主要成分仅为无色的CO和CO2,故观察不到其烟气流动。

生物质棒及其炭棒的纹影图像均表明其周围烟气为层流,而这一结果与其他文献结果不同。如自然火灾中,燃烧产生的烟气是无规则的湍流流动[18],且流场复杂;蜡烛在房间内燃烧所产生的烟气在蜡烛火焰周围是湍流[19]。这表明棒状阴燃过程中烟气的流动不同于其他燃烧中烟气的湍流,氧气要经过烟气层扩散到棒状燃料表面,并与其发生反应,因此我们在后面的阴燃机理分析中需要用层流模型来计算氧气的扩散。

需要注意的是,棒状燃料在稳定阴燃过程中烟气中间有高亮白光柱,文献[20]中透明的玻璃棒图像也有高亮白光柱,这是因为光线的聚焦导致的,其具体原因后续将做进一步研究。此外, 烟气与空气形成明显的边界层,黑色阴影区域(棒状燃料烟气层)与白亮区域(空气)区分明显,且烟气半径在炭锥附近较大。

2.2 纹影图像分析

2.2.1 不同物料纹影图像对比

不同直径生物质棒及其炭棒阴燃时烟气流动的纹影图像如图3所示。从图3中可以看出两种物料的共同点是：棒状燃料稳定阴燃过程中烟气在流动至灰柱顶端时,均会出现不同程度的收缩。

(a)生物质棒 (b)炭棒图3 不同物料纹影图像对比

两种物料纹影图像的不同主要是其图像的明暗。相比生物质棒,炭棒阴燃烟气的纹影图像更暗更宽,向上延伸更长。从理论上分析,气体的折射率与其密度之间存在如下的线性关系：

n-1=kρ,

(2)

式中：n和ρ分别为透明介质的折射率和透明介质的密度;k为格拉斯通-戴尔常数,约为0.23 cm3/g。

不同温度下透明介质的折射率可由式(2)推算得到,即

nh=nl+k(ρh-ρl),

(3)

式中：nh为温度在h下透明介质的折射率,nl为温度在l下透明介质的折射率,ρh为温度在h下透明介质的密度,ρl为温度在l下透明介质的密度。

由于空气和烟气的密度随温度的升高而降低,由式(3)可知,高温下烟气的折射率要低于低温下烟气的折射率。炭棒的烟气温度要高于生物质棒,若只考虑温度的影响,则生物质棒的纹影图像应较炭棒的纹影图像更深,但实验结果与之相反。原因是由于在生物质棒及其炭棒阴燃过程中,炭棒的阴燃传播速率(约11 mm/min)要大于生物质棒(约6 mm/min),使得单位时间内炭棒产生的烟气量大于生物质棒,且生物质棒阴燃烟气的主要成分有CO、CO2、CH4和H2等,而炭棒阴燃烟气仅包括CO和CO2。上述原因使炭棒阴燃烟气中CO2的浓度更高,而CO2的折射率(1.000 490)略高于CO(1.000 338)、CH4(1.000 444)、H2(1.000 132)和空气的折射率(1.000 132)。尽管上述气体的折射率相差较小,但对光的折射程度有很大影响,使得炭棒阴燃烟气的纹影图像更暗更宽。综上所述,温度的升高会导致烟气折射率的降低,CO2浓度的升高会导致烟气折射率升高,但CO2浓度对烟气折射率的影响要大于温度对烟气折射率的影响。

2.2.2 相同物料不同直径纹影图像对比

为了便于更加直观地表征稳定阴燃烟气特性,本文定义了稳定阴燃烟气的最大烟气厚度和最大烟气直径。最大烟气厚度为棒状燃料的表面至同侧烟气边界层的最大距离,最大烟气直径为最大烟气厚度处的烟气直径。相同材料不同直径的稳定阴燃纹影图像中最大烟气直径见表2。

表2 实验物料纹影图像中的最大烟气直径 单位：mm

由表2可知,同一物料的最大烟气直径随其直径的增加而略微增加。生物质棒阴燃最大烟气直径约为其直径的2倍,炭棒最大烟气直径约为其直径的3倍。由于受到纹影系统观测范围及灵敏性的限制,生物质棒烟柱的长度均大于45.13 mm,炭棒烟柱的长度均大于51.60 mm。

3 结束语

本文搭建了单镜离轴纹影系统对不同直径不同种类的棒状燃料阴燃烟气流动的情况进行观察和记录。实验结果表明,相对于生物质棒及其炭棒稳定阴燃烟气流动的视觉图像较模糊(生物质棒)或不可见(炭棒),所搭建的系统可清晰地观察和记录生物质棒及其炭棒阴燃烟气流动区域的纹影图像,纹影图像显示棒状燃料周围的烟气流动为层流。棒状燃料纹影图像内均存在高亮白光柱,这是由于烟气对光的折射引起的光线聚焦现象。通过对比相同直径下不同物料的纹影图像,发现炭棒烟气流动纹影图像比生物质棒更加明显,最大烟气厚度更大,可能是由于炭棒中的CO2浓度更高,具体原因将做进一步研究。通过进一步对比,发现生物质棒阴燃最大烟气直径约为其直径的2倍,炭棒最大烟气直径约为其直径的3倍。实验结果可为稳定阴燃的机理研究提供参考。