2.2.4　其他燃料火焰光譜特性分析

為提取分析油料池火焰的紅外光譜特征，對酒精（乙醇含量99%）、紙張、蜂窩煤及木柴的火焰光譜進行了測試分析。蜂窩煤的火焰光譜如圖2.22所示。

蜂窩煤的火焰光譜與各油料池火焰光譜相比差異明顯，曲線為連續光譜，在4.0～4.5μm范圍內存在較強的一谷兩峰的特征，且兩峰的相對強度幾乎相等；4.25μm處CO₂吸收特征明顯；在2.5～2.8μm范圍內存在H₂O吸收帶，3.3μm處存在吸收峰。

蜂窩煤主要由一種或幾種煤粉在外界壓力及黏合劑的作用下加工成的具有特定形狀的煤炭制品。蜂窩煤燃燒是固體可燃物燃燒反應過程，與油料這種液體燃料燃燒機理不同。煤包括揮發分、固定碳、灰分及水分四個主要成分，其中固定碳及揮發分是煤燃燒的主要成分。煤的燃燒過程同樣復雜，目前未有詳細統一的關于煤燃燒化學反應動力學，煤的起火過程常被看作氧化劑與煤的連續反應過程。早期研究認為，煤燃燒首先是裂解出揮發分，揮發分在高溫環境下與氧氣發生燃燒反應，產生的高溫不斷對煤本身加熱，當煤中的焦炭達到著火溫度后開始持續燃燒。但也有研究表明，煤燃燒時可產生非均相燃燒，揮發分的燃燒與焦炭的燃燒并不孤立。隨著燃燒反應的進行，煤燃燒過的殘渣固體不再分解出揮發分，固體殘渣主要包括煤粉顆粒、焦炭粒子及炭黑等，這些物質在高溫環境下都會發射連續光譜，在蜂窩煤火焰光譜中起主導作用。本測試系統得到的煤火焰光譜為整塊燃煤火焰及高溫固體殘渣組成的混合光譜。

酒精火焰光譜測試結果如圖2.23所示。通過圖2.23可以看出，酒精火焰光譜與各油料池火焰光譜之間也存在較大差異。與酒精火焰光譜相比，在1.0～1.5μm的波段范圍內，油料池火焰光譜在1.2μm附近存在一個H₂O發射峰，而酒精在1.2μm及1.47μm附近存在兩個發射峰；在2.5～3.0μm波段范圍內油料池火焰光譜存在4個發射峰，而酒精只存在3個發射峰，在該波段范圍內大氣中的H₂O對酒精火焰光譜輻射強度吸收更強烈；酒精屬于低碳燃料，燃燒沒有產生大量的濃煙，在3.0～4.0μm波段范圍內發射強度較低，在2.8～3.3μm及3.4～4.1μm波段范圍內存在較強的吸收帶。酒精主要由乙醇組成，但其燃燒反應過程也較為復雜，包含383個基元反應。汽油組成成分比酒精更復雜，同為液體燃料，汽油與酒精火焰光譜的差異主要是燃料化學組成及燃燒反應機理不同決定的。

木柴火焰光譜如圖2.24所示。木柴火焰光譜的特征主要體現在4.5μm附近的CO₂發射峰，與各油料池火焰光譜差異主要體現在3.4μm處無C—H伸縮振動峰。木柴燃燒機理與油料池火燃燒機理相比差別較大。木柴可看作由半纖維素、木質素及纖維素組成。木柴燃燒的過程為：外界熱源對木柴加熱，溫度達到100℃，木柴內部液態H₂O開始蒸發；溫度進一步升高，木柴發生熱解反應，揮發出少量的揮發分；當溫度在280～500℃時，熱解反應強烈，是木質素和纖維素的熱解過程；當溫度超過500℃時，木柴的積炭緩慢燃燒。

紙張火焰光譜如圖2.25所示，從圖中可以看出4.5μm附近的CO₂發射峰最強，與各油料池火焰光譜差異主要體現3.4μm處無C—H伸縮振動峰。木柴與紙張同為固體燃料，燃燒反應過程相似。油料、木柴與紙張的火焰光譜因燃料組成及化學反應機理的不同而表現出差異性。木柴與紙張的完全燃燒產物主要為CO₂及H₂O，因此火焰光譜的主要特征體現在此兩種燃燒產物的發射波段處。

為進一步深入分析油料池火焰與其他燃料火焰光譜特征的差異，對各燃料的火焰光譜信號進行小波分解處理。選用db2小波基函數進行5層分解處理，分別對比各燃料火焰光譜的低頻信號及高頻信號。由于各油品火焰光譜特征相似，因此選擇0^?柴油、92^?汽油池火焰光譜信號為代表。蜂窩煤火焰光譜最特殊，因此不做小波分解處理。

0^?柴油、92^?汽油與酒精、木柴及紙張火焰光譜的低頻系數對比分析結果如圖2.26所示。油料及酒精同屬液體燃料，油料中的烷烴是重要組分，酒精主要組分為乙醇。烴類化合物在3.0～4.5μm區間存在特征紅外光譜，因此主要在該波段范圍內對0^?柴油、92^?汽油、酒精、木柴及紙張的火焰光譜細節系數進行了分析，結果如圖2.27所示。各燃料火焰光譜低頻系數及高頻系數特征波段統計如表2.4所列。

從圖2.26可以看出，五種燃料火焰光譜低頻系數具有較大差別，具體表現為：0^?柴油、92^?汽油及酒精火焰光譜在3.4μm處呈現出較強的發射峰，是液態燃料蒸氣C—H伸縮振動引起的，且酒精在4.0μm附近還存在一個吸收峰；紙張及木柴的火焰光譜在3.4μm處無C—H伸縮振動峰。0^?柴油、92^?汽油、木柴與紙張的火焰光譜因燃料組成及化學反應機理的不同而表現出差異性。木柴與紙張的完全燃燒產物主要為CO₂及H₂O，因此火焰光譜的主要特征體現在此兩種燃燒產物的發射波段處。0^?柴油、92^?汽油、酒精、木柴及紙張的火焰光譜小波分解細節系數如圖2.27所示。從圖2.27中可以看出，木柴、紙張在3.3～4.0μm區間內光譜曲線近似一條水平直線，無明顯特征；0^?柴油、92^?汽油、酒精在3.4μm處呈現出較強的發射峰，且酒精在4.3μm附近的吸收強度不及其他幾種燃料，且在3.8μm附近存在較強的發射峰，是區別于油料火焰光譜的主要特征波段。