穩定陰燃過程煙氣流動的紋影分析

于光鑫，閘建文，趙文濤，李舒琪，何芳

(1. 山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2. 山東理工大學 學術期刊編輯部，山東 淄博 255049)

陰燃是多孔介質燃料緩慢的無焰燃燒[1],在處理有機固廢方面潛力巨大[2],目前在生物質廢棄物[3]、污泥[4]、油泥[5]的處理和工業污染土壤的原位(即現場、地下)修復[6-8]等方面的應用得到了廣泛的研究。穩定陰燃是陰燃技術應用的基礎,其機理研究是陰燃技術開發及應用的前提。陰燃中煙氣流動和氧氣擴散是影響燃燒速度和溫度的關鍵[9],因此穩定陰燃過程中煙氣流動的研究是非常重要的。

目前對穩定陰燃特性已有較多研究,多采用棒狀燃料。Lin等[10]對不同直徑及密度的佛香在不同風速下的陰燃進行了研究,發現隨著氣流速度的增加,陰燃傳播速率首先增加(氧反應區),然后在較大的氣流速度范圍內穩定在最大值(熱值反應區),直到被吹掉之前陰燃傳播速率是略微下降(化學反應區)的。高振強等[11]研究了含水率對佛香陰燃傳播速率的影響,發現含水率從絕干增加到35%(干基)時,佛香在初始階段(< 20 min)的陰燃傳播速率從約0.58 cm/min降到約0.25 cm/min。Kadowaki等[12]通過在不同質量分數的氧氣下的陰燃實驗,研究了陰燃擴散的極限條件,發現當氧氣的質量分數降低時,最高溫度和擴散速率均降低,低于臨界值時會熄滅,高于臨界值時將會發生火焰轉捩現象。Yan等[13]發現炭棒能在不同條件下通過調節反應面錐形實現穩定陰燃,且其反應過程簡單,是研究陰燃機理的理想燃料。然而,到目前為止,無論是生物質棒還是炭棒,其穩定陰燃過程中的煙氣流動特性少有報道。

煙氣流動是燃燒過程的重要影響因素,其測量及可視化常采用高速粒子圖像測速(PIV)技術或紋影技術。Johe等[14]使用PIV和平面激光誘導OH自由基熒光(OH-PLIF)得到了火焰速度場及其前沿位置。相龍凱等[15]通過搭建本生燈和紋影實驗系統,測得了甲烷/氮氣/空氣的層流燃燒速度和火焰外部流場,發現甲烷的層流預混燃燒速度在當量比為1.5附近達到最大值。Cao等[16]采用紋影攝影法對垃圾填埋氣體混合物的層流火焰速度進行了研究,發現火焰速度及溫度隨CO2質量分數的增加而降低。Choudhury等[17]應用背景紋影技術研究了火焰在封閉通道內的傳播動力學,最后利用BOS技術捕捉到火焰傳播后期燃燒氣體區域(上行)的低強度反向流動圖像。Aminfar等[18]利用背景紋影法影像,觀察到了在堆積自然火災下的熱羽流,通過將密度梯度圖像測速(DGIV)技術應用到背景紋影系統(BOS)的結果中,使熱羽流相關的流動實現可視化,且通過比較連續的圖像幀,使對流換熱的可視化和量化成為可能。

PIV技術需要示蹤粒子來觀測煙氣的流動過程[18],但炭棒穩定陰燃產生的煙氣中沒有固體顆粒物。另外PIV技術價格昂貴,使用條件要求高,應用不便。紋影技術具有非接觸、靈敏度高及反應速度快等優點,適合用于炭棒及生物質棒穩定陰燃過程中的煙氣流動觀測。然而,紋影定性定量研究仍在起步階段,其對穩定陰燃,特別是炭燃料無火焰穩定陰燃的煙氣測量是否有效,目前還不明確。

本研究將嘗試建立一種簡潔的煙氣流場紋影觀測方法,并對不同直徑和種類的棒狀燃料的陰燃進行紋影觀察和初步分析,以期為后續穩定陰燃的機理研究提供參考。

1 實驗原理及裝置

1.1 紋影系統

紋影系統的工作原理是當光路中的流體密度變化時,光線折射率隨之改變,光線就會彎曲,與紋影對象形成共軛的顏色深淺不一的光學圖像。實驗采用了如圖1(a)所示的單鏡離軸成像原理。由圖1(b)可知,該系統主要由光源、被測物體、凹面反光鏡、遮光片和手機相機構成。由凹面鏡的成像原理式(1)可知,在凹面鏡的2倍焦距處,會呈現等大倒立的實像,此時得到的紋影圖像最為清晰。

(1)

式中：l為相距,即刀口到達凹面鏡的距離;s為物距,即光源到達凹面鏡的距離;f為凹面鏡的焦距。在實驗中物距s為2倍焦距f,所以得到相距l也為2倍焦距f。

(a) 原理圖

(b)裝置圖圖1 紋影實驗原理及裝置圖

實驗中凹面鏡為成都星科達光學高質量專業紋影203F750凹面反射鏡,即實驗所用到的凹面鏡焦距f為750 mm,因此相距l和物距s的距離為s=l=2f=1 500 mm,即光源、手機鏡頭與凹面鏡的距離為1 500 mm。點光源是由帶有小孔(<1 mm)的錫箔膠帶居中粘貼至Xiaomi11 手機的LED閃光燈上形成的。被測物體固定在物料夾持工具上,并放置在可橫向移動的導軌上。遮光片是上下相距2 mm左右狹縫的錫箔膠帶,記錄紋影圖像的為Xiaomi 11手機108 MP主攝像頭。

1.2 實驗步驟

取長度約10 cm的生物質棒或炭棒固定在物料夾具上,保證其與凹面鏡的距離為2 cm。從上端用打火機點燃物料,陰燃向下傳播一定距離(生物質棒約2 cm、炭棒約4 cm),達到穩定后,拍攝紋影圖片,然后關閉光路,取背景板(生物質棒為黑色背景板、炭棒為白色背景板)拍攝視覺圖像。需要注意的是生物質陰燃煙氣圖像視覺分辨率低,在光線較暗時,才能獲得較為清晰的圖像。由于生物質棒拍攝背景是黑色,后期需使用Photoshop反白處理。

1.3 實驗物料

本項目采用傳統佛香原料(榆樹皮粉及柏木粉)制作常見佛香尺寸的生物質棒及其炭棒。將榆樹皮粉、柏木粉和水按質量比1∶1∶3混合均勻,擠壓成直徑3、4和5 mm的生物質棒,在空氣中自然風干。炭棒由生物質棒熱解炭化制成：將生物質棒放在石英試管中,并用石棉將試管口封堵,放置在馬弗爐中,以10 °C/min加熱速率將其從室溫加熱至500 °C,保溫2 h制得炭棒。

對生物質棒及其炭棒參照GB/T 28731—2012固體生物質燃料工業分析方法得到如表1所示的分析結果。需要注意的是,制作過程中因水分蒸發或揮發分逸出使生物質棒及其炭棒的實際直徑與制作直徑(3、 4、 5 mm)略有差別。

表1 樣品參數及工業分析

2 實驗結果與分析

2.1 視覺圖像和紋影圖像對比

生物質棒及其炭棒的視覺及紋影圖像如圖2所示。就紋影圖像來說,生物質棒及其炭棒陰燃煙氣輪廓均較為清晰。在生物質棒的視覺照片中存在較為模糊的輪廓,僅可看到生物質棒穩定陰燃過程中的煙氣流動,且煙氣的煙柱直徑與生物質棒直徑相差不大,靠近高溫反應區的煙氣不易觀察,而炭棒穩定陰燃視覺圖像無法觀察到煙氣流動,僅可看到灰柱及發紅的高溫反應區。

(a)生物質棒 (b) 炭棒圖2 實驗物料視覺和紋影圖像對比

兩者視覺圖像差異是由于生物質棒陰燃過程中水分的蒸發及揮發分逸出,使其周圍形成水蒸氣及固體顆粒物等組成的煙氣層,故可以看到煙氣流動,而炭棒是由生物質棒熱解炭化而成的,其煙氣主要成分僅為無色的CO和CO2,故觀察不到其煙氣流動。

生物質棒及其炭棒的紋影圖像均表明其周圍煙氣為層流,而這一結果與其他文獻結果不同。如自然火災中,燃燒產生的煙氣是無規則的湍流流動[18],且流場復雜;蠟燭在房間內燃燒所產生的煙氣在蠟燭火焰周圍是湍流[19]。這表明棒狀陰燃過程中煙氣的流動不同于其他燃燒中煙氣的湍流,氧氣要經過煙氣層擴散到棒狀燃料表面,并與其發生反應,因此我們在后面的陰燃機理分析中需要用層流模型來計算氧氣的擴散。

需要注意的是,棒狀燃料在穩定陰燃過程中煙氣中間有高亮白光柱,文獻[20]中透明的玻璃棒圖像也有高亮白光柱,這是因為光線的聚焦導致的,其具體原因后續將做進一步研究。此外, 煙氣與空氣形成明顯的邊界層,黑色陰影區域(棒狀燃料煙氣層)與白亮區域(空氣)區分明顯,且煙氣半徑在炭錐附近較大。

2.2 紋影圖像分析

2.2.1 不同物料紋影圖像對比

不同直徑生物質棒及其炭棒陰燃時煙氣流動的紋影圖像如圖3所示。從圖3中可以看出兩種物料的共同點是：棒狀燃料穩定陰燃過程中煙氣在流動至灰柱頂端時,均會出現不同程度的收縮。

(a)生物質棒 (b)炭棒圖3 不同物料紋影圖像對比

兩種物料紋影圖像的不同主要是其圖像的明暗。相比生物質棒,炭棒陰燃煙氣的紋影圖像更暗更寬,向上延伸更長。從理論上分析,氣體的折射率與其密度之間存在如下的線性關系：

n-1=kρ,

(2)

式中：n和ρ分別為透明介質的折射率和透明介質的密度;k為格拉斯通-戴爾常數,約為0.23 cm3/g。

不同溫度下透明介質的折射率可由式(2)推算得到,即

nh=nl+k(ρh-ρl),

(3)

式中：nh為溫度在h下透明介質的折射率,nl為溫度在l下透明介質的折射率,ρh為溫度在h下透明介質的密度,ρl為溫度在l下透明介質的密度。

由于空氣和煙氣的密度隨溫度的升高而降低,由式(3)可知,高溫下煙氣的折射率要低于低溫下煙氣的折射率。炭棒的煙氣溫度要高于生物質棒,若只考慮溫度的影響,則生物質棒的紋影圖像應較炭棒的紋影圖像更深,但實驗結果與之相反。原因是由于在生物質棒及其炭棒陰燃過程中,炭棒的陰燃傳播速率(約11 mm/min)要大于生物質棒(約6 mm/min),使得單位時間內炭棒產生的煙氣量大于生物質棒,且生物質棒陰燃煙氣的主要成分有CO、CO2、CH4和H2等,而炭棒陰燃煙氣僅包括CO和CO2。上述原因使炭棒陰燃煙氣中CO2的濃度更高,而CO2的折射率(1.000 490)略高于CO(1.000 338)、CH4(1.000 444)、H2(1.000 132)和空氣的折射率(1.000 132)。盡管上述氣體的折射率相差較小,但對光的折射程度有很大影響,使得炭棒陰燃煙氣的紋影圖像更暗更寬。綜上所述,溫度的升高會導致煙氣折射率的降低,CO2濃度的升高會導致煙氣折射率升高,但CO2濃度對煙氣折射率的影響要大于溫度對煙氣折射率的影響。

2.2.2 相同物料不同直徑紋影圖像對比

為了便于更加直觀地表征穩定陰燃煙氣特性,本文定義了穩定陰燃煙氣的最大煙氣厚度和最大煙氣直徑。最大煙氣厚度為棒狀燃料的表面至同側煙氣邊界層的最大距離,最大煙氣直徑為最大煙氣厚度處的煙氣直徑。相同材料不同直徑的穩定陰燃紋影圖像中最大煙氣直徑見表2。

表2 實驗物料紋影圖像中的最大煙氣直徑 單位：mm

由表2可知,同一物料的最大煙氣直徑隨其直徑的增加而略微增加。生物質棒陰燃最大煙氣直徑約為其直徑的2倍,炭棒最大煙氣直徑約為其直徑的3倍。由于受到紋影系統觀測范圍及靈敏性的限制,生物質棒煙柱的長度均大于45.13 mm,炭棒煙柱的長度均大于51.60 mm。

3 結束語

本文搭建了單鏡離軸紋影系統對不同直徑不同種類的棒狀燃料陰燃煙氣流動的情況進行觀察和記錄。實驗結果表明,相對于生物質棒及其炭棒穩定陰燃煙氣流動的視覺圖像較模糊(生物質棒)或不可見(炭棒),所搭建的系統可清晰地觀察和記錄生物質棒及其炭棒陰燃煙氣流動區域的紋影圖像,紋影圖像顯示棒狀燃料周圍的煙氣流動為層流。棒狀燃料紋影圖像內均存在高亮白光柱,這是由于煙氣對光的折射引起的光線聚焦現象。通過對比相同直徑下不同物料的紋影圖像,發現炭棒煙氣流動紋影圖像比生物質棒更加明顯,最大煙氣厚度更大,可能是由于炭棒中的CO2濃度更高,具體原因將做進一步研究。通過進一步對比,發現生物質棒陰燃最大煙氣直徑約為其直徑的2倍,炭棒最大煙氣直徑約為其直徑的3倍。實驗結果可為穩定陰燃的機理研究提供參考。