2.2.2　各油品及混合油品池火焰光譜特性分析

油料燃燒過程一般包括燃燒發展、穩定燃燒及衰減熄滅三個階段。油料池火燃燒屬于有焰燃燒，且燃燒過程中液態油不斷被氣化，與空氣中的氧氣發生反應，釋放大量的熱量，氧氣不斷被卷吸至火焰內部；另外環境中風對火焰的穩定性也有一定的影響，因此火焰的溫度是在溫度平均值上下波動的。各組油池火燃燒實驗均在開放空間條件下進行，環境條件較為統一。以0^?柴油池火焰光譜為例，分析火焰的光譜特征。

0^?柴油池火焰光譜測試結果如圖2.12所示，分別為InSb及MCT傳感器的測試結果，InSb傳感器光譜測試范圍為1～5.4μm，從圖中可以看出，在1.2μm附近存在發射峰，為高溫H₂O的特征發射峰；在1.7μm附近存在發射峰，為油料不完全燃燒產生的高溫炭黑顆粒的發射峰。油料首先在火焰的高溫作用下被氣化成油蒸氣，油蒸氣與空氣中的氧氣發生化學反應，伴隨著發光和放熱；當油蒸氣與氧氣的化學反應在缺氧狀態下進行時，則產生大量的煙氣顆粒，溫度及氧氣的濃度對炭黑顆粒形成的影響較大。

在1.75～2.0μm波段范圍，大氣中的H₂O及CO₂對火焰發射光譜有較強的吸收，1.87μm是H₂O的特征吸收波段。在2.0～2.6μm波段范圍內不存在H₂O及CO₂的特征發射峰，光譜產生的輻射強度主要是高溫炭黑顆粒產生的，在該波段范圍內，火焰發射光譜的大氣透過率為1^［56］，即大氣在該波段范圍內對發射光譜不存在吸收，但在2.0～2.6μm波段范圍內出現了吸收現象，是油池表面未燃燒的油蒸氣吸收產生。在2.6～4.2μm波段范圍內，大氣中的H₂O對火焰光譜發射強度存在吸收，2.66μm是H₂O特征吸收波段。在2.5～3.0μm波段范圍內存在4個H₂O的發射峰，是火焰燃燒產生的高溫H₂O特征峰，油料燃燒產生的高溫H₂O在該波段范圍內的發射強度被大氣中冷的H₂O部分吸收。在3.4μm附近存在發射峰，是參與油料燃燒反應的油蒸氣中的烴類化合物的C—H伸縮振動峰。4.2～4.5μm波段范圍內存在較強的CO₂吸收帶，在4.2μm及4.5μm附近存在CO₂發射峰，其中在4.5μm附近的CO₂發射峰強度在整個測試波長范圍內最高，是識別高溫火焰的重要波段。

MCT傳感器的測試范圍為2.5～14μm，從圖中可以看出，在5μm后，0^?柴油池火焰光譜在6.3μm附近存在一個微弱的H₂O的發射峰，在6.3μm后0^?柴油池火焰光譜不存在明顯的發射峰與吸收谷，且光譜的強度較低。

對92^?汽油、95^?汽油、航空煤油及潤滑油的池火焰光譜進行了測試分析，并對數據進行了歸一化處理，結果如圖2.13所示。從圖中可以看出，92^?汽油、95^?汽油、航空煤油、潤滑油池火焰光譜與0^?柴油池火焰光譜特征相似：在1.2μm附近存在H₂O強發射峰。在2.0～2.6μm波段范圍內光譜輻射亮度主要是炭黑顆粒發射產生的，在2.2μm附近的吸收峰是油池表面油蒸氣吸收產生的。在2.5～3.0μm波段范圍內存在4個高溫H₂O發射峰。在3.4μm附近存在發射峰，是參與油料燃燒反應的油蒸氣中的烴類化合物的C—H伸縮振動峰。在4.2μm及4.5μm附近存在CO₂發射峰。

油料火焰燃燒過程中溫度的變化對輻射強度產生了一定的影響，且同種油料不同的燃燒階段其火焰光譜發射強度不同。研究表明，溫度對H₂O的特征峰有影響，例如在電站鍋爐內封閉高溫條件下，燃燒產生的H₂O在940nm波長處呈現發射峰，而在開放空間條件下，火焰溫度比鍋爐內火焰溫度低，相同波長處H₂O的輻射光譜呈吸收峰。本研究中各油品池火焰光譜測試結果未出現火焰溫度改變特征峰的吸收或發射特性。原因在于本實驗是在相同的室外開放空間條件下進行的，環境條件較為穩定，同時本研究構建的全火焰光譜測試系統可以測得整個火焰的光譜信息。燃燒過程中溫度的變化對特征波段的帶寬有影響，溫度越高帶寬越寬，但溫度的變化不影響特征波段的提取分析。

實驗中測試的幾種油品池火焰光譜特征相似，經分析主要有以下幾點原因。

①不同油品間的品質差異主要由加工、生產工藝決定。各油品均提煉于原油，各油品組成成分存在差異。0^?柴油中飽和烷烴含量約為89.6%，芳香烴含量約為8%，剩下成分主要包括醇、烯及酸等。航空煤油中環烷烴含量約為92.1%，芳香烴含量約占7.9%。92^?汽油與95^?汽油主要差異體現在辛烷值含量的不同。

②各油品的池火焰光譜特征分析表明，在特征波段的發射峰主要由燃燒產物CO₂、H₂O及炭黑顆粒產生，吸收峰或吸收帶由空氣中的CO₂、H₂O及油料表面的油蒸氣產生，高溫燃燒產物的發射與空氣、油蒸氣的吸收共同構成了油料池火焰紅外波段的光譜特征。

實驗中針對實際可能發生的混合油品燃燒，對92^?汽油和0^?柴油按不同的比例進行了混合，測定了混合油品火焰的光譜特征，如圖2.14所示。從圖中可以看出，混合油品火焰光譜特征與每種油品火焰光譜特征相似，特征波段均為燃燒產物CO₂、H₂O及炭黑顆粒產生的特征發射峰。