2.2.2　各油品及混合油品池火焰光谱特性分析

油料燃烧过程一般包括燃烧发展、稳定燃烧及衰减熄灭三个阶段。油料池火燃烧属于有焰燃烧，且燃烧过程中液态油不断被气化，与空气中的氧气发生反应，释放大量的热量，氧气不断被卷吸至火焰内部；另外环境中风对火焰的稳定性也有一定的影响，因此火焰的温度是在温度平均值上下波动的。各组油池火燃烧实验均在开放空间条件下进行，环境条件较为统一。以0^⋕柴油池火焰光谱为例，分析火焰的光谱特征。

0^⋕柴油池火焰光谱测试结果如图2.12所示，分别为InSb及MCT传感器的测试结果，InSb传感器光谱测试范围为1～5.4μm，从图中可以看出，在1.2μm附近存在发射峰，为高温H₂O的特征发射峰；在1.7μm附近存在发射峰，为油料不完全燃烧产生的高温炭黑颗粒的发射峰。油料首先在火焰的高温作用下被气化成油蒸气，油蒸气与空气中的氧气发生化学反应，伴随着发光和放热；当油蒸气与氧气的化学反应在缺氧状态下进行时，则产生大量的烟气颗粒，温度及氧气的浓度对炭黑颗粒形成的影响较大。

图2.12　0^⋕柴油池火焰光谱测试结果

在1.75～2.0μm波段范围，大气中的H₂O及CO₂对火焰发射光谱有较强的吸收，1.87μm是H₂O的特征吸收波段。在2.0～2.6μm波段范围内不存在H₂O及CO₂的特征发射峰，光谱产生的辐射强度主要是高温炭黑颗粒产生的，在该波段范围内，火焰发射光谱的大气透过率为1^［56］，即大气在该波段范围内对发射光谱不存在吸收，但在2.0～2.6μm波段范围内出现了吸收现象，是油池表面未燃烧的油蒸气吸收产生。在2.6～4.2μm波段范围内，大气中的H₂O对火焰光谱发射强度存在吸收，2.66μm是H₂O特征吸收波段。在2.5～3.0μm波段范围内存在4个H₂O的发射峰，是火焰燃烧产生的高温H₂O特征峰，油料燃烧产生的高温H₂O在该波段范围内的发射强度被大气中冷的H₂O部分吸收。在3.4μm附近存在发射峰，是参与油料燃烧反应的油蒸气中的烃类化合物的C—H伸缩振动峰。4.2～4.5μm波段范围内存在较强的CO₂吸收带，在4.2μm及4.5μm附近存在CO₂发射峰，其中在4.5μm附近的CO₂发射峰强度在整个测试波长范围内最高，是识别高温火焰的重要波段。

MCT传感器的测试范围为2.5～14μm，从图中可以看出，在5μm后，0^⋕柴油池火焰光谱在6.3μm附近存在一个微弱的H₂O的发射峰，在6.3μm后0^⋕柴油池火焰光谱不存在明显的发射峰与吸收谷，且光谱的强度较低。

对92^⋕汽油、95^⋕汽油、航空煤油及润滑油的池火焰光谱进行了测试分析，并对数据进行了归一化处理，结果如图2.13所示。从图中可以看出，92^⋕汽油、95^⋕汽油、航空煤油、润滑油池火焰光谱与0^⋕柴油池火焰光谱特征相似：在1.2μm附近存在H₂O强发射峰。在2.0～2.6μm波段范围内光谱辐射亮度主要是炭黑颗粒发射产生的，在2.2μm附近的吸收峰是油池表面油蒸气吸收产生的。在2.5～3.0μm波段范围内存在4个高温H₂O发射峰。在3.4μm附近存在发射峰，是参与油料燃烧反应的油蒸气中的烃类化合物的C—H伸缩振动峰。在4.2μm及4.5μm附近存在CO₂发射峰。

图2.13　其他油品池火焰光谱测试分析结果

油料火焰燃烧过程中温度的变化对辐射强度产生了一定的影响，且同种油料不同的燃烧阶段其火焰光谱发射强度不同。研究表明，温度对H₂O的特征峰有影响，例如在电站锅炉内封闭高温条件下，燃烧产生的H₂O在940nm波长处呈现发射峰，而在开放空间条件下，火焰温度比锅炉内火焰温度低，相同波长处H₂O的辐射光谱呈吸收峰。本研究中各油品池火焰光谱测试结果未出现火焰温度改变特征峰的吸收或发射特性。原因在于本实验是在相同的室外开放空间条件下进行的，环境条件较为稳定，同时本研究构建的全火焰光谱测试系统可以测得整个火焰的光谱信息。燃烧过程中温度的变化对特征波段的带宽有影响，温度越高带宽越宽，但温度的变化不影响特征波段的提取分析。

实验中测试的几种油品池火焰光谱特征相似，经分析主要有以下几点原因。

①不同油品间的品质差异主要由加工、生产工艺决定。各油品均提炼于原油，各油品组成成分存在差异。0^⋕柴油中饱和烷烃含量约为89.6%，芳香烃含量约为8%，剩下成分主要包括醇、烯及酸等。航空煤油中环烷烃含量约为92.1%，芳香烃含量约占7.9%。92^⋕汽油与95^⋕汽油主要差异体现在辛烷值含量的不同。

②各油品的池火焰光谱特征分析表明，在特征波段的发射峰主要由燃烧产物CO₂、H₂O及炭黑颗粒产生，吸收峰或吸收带由空气中的CO₂、H₂O及油料表面的油蒸气产生，高温燃烧产物的发射与空气、油蒸气的吸收共同构成了油料池火焰红外波段的光谱特征。

实验中针对实际可能发生的混合油品燃烧，对92^⋕汽油和0^⋕柴油按不同的比例进行了混合，测定了混合油品火焰的光谱特征，如图2.14所示。从图中可以看出，混合油品火焰光谱特征与每种油品火焰光谱特征相似，特征波段均为燃烧产物CO₂、H₂O及炭黑颗粒产生的特征发射峰。

图2.14　混合油品火焰光谱特征