基于改进的双色法并结合吸收系数比值模型，对C?H?/NH?扩散火焰中的温度和烟尘体积分数进行了重建

《Fuel》：Reconstruction of temperature and soot volume fraction in C 2H 4/NH 3 diffusion flame based on the improved two-color method integrated with the absorption coefficient ratio model

本研究优化了氨掺杂烃类火焰的吸收系数比模型中经验系数α，通过光谱辐射强度结合牛顿迭代算法和数值模拟，揭示了NH3抑制烟灰成核、凝聚及HACA增长过程，使α值随NH3掺混比升高（0%-40%）从1.376降至1.293，并验证改进模型在温度（误差1.59%）和烟灰体积分数（平均误差6.60%）测量中的优越性。

　　

田子军|郑书|杨宇|蔡伟光|吕志晨|孔尧|刘浩|卢强

华北电力大学新能源发电国家工程研究中心，北京102206，中国

摘要

氨（NH₃）与碳氢燃料的共燃可以提高燃烧性能并减少烟尘形成。为了揭示NH₃对烟尘的抑制机制，在掺氨火焰中准确量化火焰温度和烟尘体积分数（SVF）至关重要。然而，之前广泛使用的吸收系数比模型（ ${\kappa }_{\lambda }\propto {\lambda }^{-\alpha }$ 无法用于掺氨火焰的重建，因为经验系数α会随着烟尘粒径的减小而减小。在这项工作中，优化了之前吸收系数比模型中的经验系数α，并重建了C₂H₄/NH₃扩散火焰的温度和SVF。结合光谱仪测量的辐射强度信息，通过牛顿迭代算法对C₂H₄和C₂H₄/NH₃的α值进行了修正。当NH₃混合比例从0%增加到40%时，α值从1.376降低到1.293，这是因为NH₃减少了烟尘粒径。通过对C₂H₄和C₄/NH₃扩散火焰的烟尘形成进行模拟，发现烟尘粒径减小。模拟结果表明，NH₃的添加通过抑制烟尘的成核、凝结和HACA生长过程来减小烟尘粒径，从而降低了C₂H₄/NH₃火焰中的α值。A1的前体（C₃H₃、C₂H₂）被NO消耗，抑制了烟尘的成核过程；C₂H₂和PAHs的减少抑制了烟尘表面生长过程。最后，将本研究模型测量的火焰温度和SVF与灰体模型和传统的Hottel模型测量的结果进行了比较。当添加40%的NH₃时，改进后的α值重建的火焰温度峰值误差为1.59%，低于灰体模型（4.87%）和Hottel模型（4.67%）。使用改进后的α重建的C₂H₄/NH₃火焰的SVF平均误差分别为6.60%和5.69%，比使用灰体和Hottel模型时低10%。

引言

碳氢燃料燃烧产生的烟尘对人体健康和大气结构有害[1]、[2]。近年来，氨（NH₃）被认为是一种有前景的替代燃料，可以减少烟尘排放[3]。然而，由于NH₃的燃烧速度较慢且点火温度较高[4]、[5]、[6]，其广泛应用受到限制。将NH₃与传统的碳氢燃料混合的双燃料策略是一种折中的方法[7]、[8]。

火焰温度是直接影响燃烧过程中烟尘生成的关键参数。准确测量温度和烟尘体积分数（SVF）对于研究NH₃对烟尘的抑制机制非常重要[9]、[10]。辐射测温技术因响应速度快且非侵入式测量能力而受到越来越多的关注。特别是，双色测温方法已被验证为重建火焰温度和SVF的有效方法[11]。火焰温度是通过假设两个选定波长下的吸收系数比值与波长无关（即灰体模型）并结合火焰光谱辐射强度来确定的。Yan等人[12]使用光谱仪通过灰体模型测量了固体废物焚烧炉的火焰温度，发现平均火焰温度误差为5%。Sun等人[13]计算了200–1100 nm范围内不同类型火焰的温度和发射率。他们的结果表明，固化汽油火焰和煤燃烧火焰可以视为具有恒定发射率的灰体。但在200–1100 nm范围内，红磷火焰的发射率表现出强烈的波长依赖性，这表明灰体模型不适用于所有类型的燃料[14]。Hottel和Broughton假设吸收系数与波长有关，并开发了相应的模型[15]：