CN108956693B - 一种氢气火焰温度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢气火焰温度测量方法，测量氢气火焰中惰性气体浓度，确认氢气火焰温度。本发明提出一种新的测试氢火焰温度的方法原理，该方法可以组合现有火焰中惰性组分的测量技术，实现标准火焰和燃烧装置中氢气燃料火焰面上温度场的快速准确测量。

Description

一种氢气火焰温度测量方法
技术领域：
本发明属于火焰温度测量方法技术领域，具体涉及一种氢气火焰温度测量方法。
背景技术：
当今世界80％以上能源来自化石燃料燃烧释放化学能，燃料燃烧在提供热量的同时，也产生各种污染物，因此，提高燃料燃烧效率和抑制燃烧污染物的生成是能源高效清洁利用所追求的目标。为达到上述目标，必须对燃料燃烧过程，特别是燃烧中火焰结构有着清楚的认识，其中，火焰温度是一个非常重要的参数，是决定燃烧化学反应剧烈程度、火焰与环境换热、以及燃烧装置材料耐受性的关键参数。火焰面中的燃料燃烧反应是一个包含众多中间基团与组分所形成的复杂化学反应体系，在时间或空间上，火焰温度是该体系所包含的化学反应吸放热与放热总体平衡的结果。目前，已有多种方法可以进行火焰面温度场的测量，典型如直接利用热电偶测量各种火焰的温度，包含实验研究用的各种型号与类别的微型热电偶，或工业用途的铠装热电偶。另一方面，利用各种非接触式的光学方法也可以测量高温火焰的温度，如热像仪、双色法、瑞利散射和激光诱导荧光法等。
氢气是一种洁净燃料，热值高、反应速度快且无碳氢污染物生成，具有良好的应用前景。但是，对于氢气火焰温度测量，存在较大的困难，目前还没有很好的解决办法。如当采用常规热电偶测温时，一方便热电偶测量固有存在热平衡问题使得测温结果与真实温度存在偏差；同时由于氢气高的反应活性，高温热电偶材料普遍具有催化作用，热电偶直接接触火焰时，表面催化效应明显影响化学反应过程，从而影响测量准确度；此外，氢气火焰面很薄，即使采用微米级别直径的微型热电偶也会对火焰结构存在较大的干涉，使得准确测量氢气火焰温度困难。另一方面，当采用非接触的光学方法时，虽然可以避免测量过程对火焰面的物理干扰，但是氢火焰本身的特殊性使得光学方法测温困难，多数激光测温方法均是基于含碳基团成份探测原理，对应无碳元素存在的氢气火焰实现温度测量面临应用困难。
发明内容：
本发明的目的是提供一种氢气火焰温度测量方法，本发明提出的氢气火焰温度测量方法，实现对氢火焰燃烧过程的研究，可提升清洁燃料氢气的燃烧利用技术水平。
本发明的目的是提供了一种氢气火焰温度测量方法，通过测量氢气火焰中惰性气体浓度，来确认氢气火焰温度。
发明人发现一种与氢火焰燃烧温度场分布相关度非常好的组分分布，即火焰面中惰性气体浓度变化与氢火焰温度场变化是一一对应的关系，惰性气体是氢气/氧化剂预混气中的惰性成份，如采用氢气/空气预混火焰时，空气中惰性气体为氮气，当采用氢气/氧气/氩气预混火焰时，惰性气体为氩气，诸如此类的其他氢气预混火焰中，均可通过测量氢气预混火焰中惰性气体浓度变化特征，来确定氢气火焰面温度分布特性，从而实现氢气火焰温度的测量。
通过氢气/氧气/惰性气体燃烧反应体系热平衡分析，建立了火焰面中温度与惰性气体浓度关系式，该关系式是本专利申请氢气火焰温度测量方法的基本原理。在技术方案上，以氢气/空气火焰为例，进行火焰结构模拟计算，验证了氢气/空气火焰中温度分布与氮气组分浓度分布存在相同的特征趋势。进而提出通过测量氢火焰中N2变化规律，可实现间接测量氢气/空气火焰面上的温度场这一方法。火焰中N2的组分测量可以通过各种方法来实现，如传统的平面火焰与射流火焰中进行火焰面取样的气相色谱分析，也可以采用光学方法进行氢气火焰中N2的在线非接触式单一组分浓度测量。
测试方法原理
本发明通过测量氢气火焰中惰性气体浓度，来确认氢气火焰温度的测试原理如下：
氢气火焰中发生如下一步化学反应：
Figure BDA0001646565850000031
化学反应式中：M为惰性气体。
氢气/氧化剂初始配比比例可由当量比
Figure BDA00016465658500000310
表示：
Figure BDA0001646565850000032
其中：
Figure BDA0001646565850000033
初始混合气中氢气摩尔数，
Figure BDA0001646565850000034
初始混合气中氧气摩尔数。
假设惰性气体M与氧气初始比例为：
Figure BDA0001646565850000035
则初始混合气中惰性气体浓度
Figure BDA0001646565850000036
为：
Figure BDA0001646565850000037
简化起见，(4)式中
Figure BDA0001646565850000038
a为惰性气体与氧气摩尔比。其中：
Figure BDA0001646565850000039
为混合气中惰性气体初始摩尔数。
假设反应进行到一定程度时，例如在均相反应中某个时刻或平面火焰中某个空间位置，氢气消耗比例为x，x在0到1之间。
所以，火焰中各组分摩尔数为：
Figure BDA0001646565850000041
Figure BDA0001646565850000042
Figure BDA0001646565850000043
其中：nH2，nO2，nH2O，nM分别为对应时刻下氢气、氧气、水和惰性气体摩尔数。
由于惰性气体不参与反应：
Figure BDA0001646565850000044
此时，火焰中惰性气体浓度YM为：
Figure BDA0001646565850000045
即：
Figure BDA0001646565850000046
即
Figure BDA0001646565850000047
在绝热条件下，根据燃烧放热反应热平衡：燃烧放出热量全部用来加热混合气，包括反应物、生成物和惰性气体，所以：
Figure BDA0001646565850000048
式中：QH2，单位摩尔氢气燃烧热值，ni，ci，对应i成分的摩尔数和比热容，cH2，cO2，cH2O，cM，分别为氢气、氧气、水蒸汽和惰性气体比热容，T，火焰温度，T0，初始气体温度。
由式(8)可知，火焰温度为：
Figure BDA0001646565850000051
令参数F1，F2分别为：
Figure BDA0001646565850000052
Figure BDA0001646565850000053
(9)式可简化为
Figure BDA0001646565850000054
由式(7)可知：
Figure BDA0001646565850000055
根据式(10)和式(11)可知，火焰温度与惰性气体组分浓度存在一一对应的关系：
Figure BDA0001646565850000056
通过上述分析，得到了氢气火焰温度T随火焰中惰性气体成分YM唯一变化的相关联关系式(12)，公式中气体参数均为可以根据火焰初始成份特性可以直接计算的具体数值，因此，基于上述原理可以通过测量惰性气体成分分布来测量火焰温度。
优选地，所述的氢气火焰为氢气/空气预混火焰时，所述的惰性气体为氮气。
优选地，所述的氢气火焰为氢气/氧气/氩气预混火焰时，所述的惰性气体为氩气。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：本发明提出一种新的测试氢火焰温度的方法原理，该方法可以组合现有火焰中惰性组分的测量技术，实现标准火焰和燃烧装置中氢气燃料火焰面上温度场的快速准确测量。
附图说明：
图1a为标准零维均向反应器中氢气/空气火焰温度与N2组分分布的关系，压力0.1MPa、初温1200K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000061
图1b为标准零维均向反应器中氢气/空气火焰温度与N2组分分布的关系，压力0.1MPa、初温1200K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000062
图1c为标准零维均向反应器中氢气/空气火焰温度与N2组分分布的关系，压力0.1MPa、初温1200K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000063
图2a为标准一维预混平面火焰中氢气/空气火焰发热率与N2组分分布的关系，压力0.1
MPa、初温300K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000064
图2b为标准一维预混平面火焰中氢气/空气火焰发热率与N2组分分布的关系，压力0.1MPa、初温300K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000065
图2c为标准一维预混平面火焰中氢气/空气火焰发热率与N2组分分布的关系，压力0.1MPa、初温300K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000066
图3为实施例2中一维平面火焰。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
利用商用Chemkin软件，在标准零维均向反应器中对氢气/空气预混气氧化反应温度与N2分布进行计算，反应条件为压力0.1MPa、初温1200K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000071
分别为0.5、1和1.5时，标准零维均向反应器中氢气/空气火焰温度与N2分布的关系如图1a、图1b和图1c所示。
由图1a、图1b和图1c可以得出：燃料空气当量比不同的条件下，火焰温度与N2组分变化关系有一一对应性。
实施例2：
本实施例采用的平面火焰，如图3所示，所形成的氢气/空气或者氢气/空气/氩气火焰在燃烧装置出口高度方向形成一维火焰形态，通过取样分析或者光学测量方法得到惰性气体N2或氩气浓度分布，从而演算出温度分布，实现火焰温度测量。
利用商用Chemkin软件，在标准一维均向反应器中对氢气/空气预混气氧化反应温度与N2分布进行计算，反应条件为压力0.1MPa、初温1200K，燃料空气当量比
Figure BDA0001646565850000072
分别为0.5、1和1.5时，标准零维均向反应器中氢气/空气火焰温度与N2分布的关系如图2a、图2b和图2c所示。
由图2a、图2b和图2c可以得出：燃料空气当量比不同的条件下，在标准一维预混火焰中氢气/空气火焰中发热率与N2分布有着对应的关系，火焰温度与N2组分变化关系有一一对应性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种氢气火焰温度测量方法，其特征在于，测量氢气火焰中惰性气体浓度，确认氢气火焰温度；
所述的氢气火焰温度T和惰性气体浓度YM满足下列公式：
Figure FDA0002675385920000011
Figure FDA0002675385920000012
Figure FDA0002675385920000013
其中：T0代表初始混合气体温度，a代表初始惰性气体与初始氧气摩尔比，
Figure FDA0002675385920000018
代表初始氢气与初始氧气的摩尔数比，
Figure FDA0002675385920000014
QH2代表单位摩尔氢气燃烧热值，CH2、CO2、CH2O、CM，分别为氢气、氧气、水蒸汽和惰性气体比热容，
Figure FDA0002675385920000015
Figure FDA0002675385920000016
代表初始混合气中惰性气体摩尔数，
Figure FDA0002675385920000017
代表初始混合气中氧气摩尔数。
2.根据权利要求1所述的氢气火焰温度测量方法，其特征在于：所述的氢气火焰为氢气/空气预混火焰时，所述的惰性气体为氮气。
3.根据权利要求1所述的氢气火焰温度测量方法，其特征在于：所述的氢气火焰为氢气/氧气/氩气预混火焰时，所述的惰性气体为氩气。
4.根据权利要求1所述的氢气火焰温度测量方法，其特征在于：所述的氢气火焰为氢气/氧气/惰性气体预混火焰时，所述的火焰为平面火焰。
5.根据权利要求1所述的氢气火焰温度测量方法，其特征在于：所述的氢气火焰为氢气/氧气/氩气预混火焰时，所述的火焰为均相反应器中的火焰。
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