第36卷，第11期 2016年11月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究
Vol. 36 , No. 11 pp34923496
November,2016
桂欣扬，AymericAlliot，杨斌，周鹭，平力，蔡小舒
上海理工大学，颗粒与两相流测量研究所/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海200093
摘要针对煤粉燃烧辐射光谱向题，利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量，详细分析了煤粉辐射光谱特征，并基于普朗克辐射传热定律，通过对光谱仪波长响应特性的标定，得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况，进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数，由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量，开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究，研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1100 nm波段具有较强且连续的光谱特征，基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量；煤粉燃烧火焰辐射光谱在590，766，769和779nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线，并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关：随着煤粉浓度的提高，虽然燃烧温度变化不大，但由于火焰辐射率的增加，造成辐射光谱强度的大幅提升，这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。
关键词辐射光谱；煤粉燃烧；温度测量；辐射率测量；燃烧诊断
中图分类号：0433.4
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/i. issn. 10000593(2016)11349205
光谱波长段的辐射机理来说，紫外和可见光波段辐射一般由电子能量的变化产生；近红外波段光谱则主要来源于分子振动能和转动能的变化，因此，对于紫外波段主要关注燃烧反
煤炭燃烧目前仍占我国一次能源消费的70%以上，是我国实施节能减排和环境保护国家战略的关键问题门。为提高燃烧效率及优化调节控制，工业锅炉通常采用煤粉炉形式，将煤燃料制成几十微米粒径的煤粉，随空气一起进入燃烧室中，在悬浮状态下燃烧，火焰通过辐射传递热量满足工业需求2)。火焰作为煤粉燃烧的现象表征，其辐射光谱蕴含着大量与燃烧特征参数相关的信息，并且煤粉火焰主要依靠焦炭粒子发光辐射热量，其辐射力一般比透明火焰大2～3 倍3-4)。因此，煤粉燃烧火焰辐射光谱研究不仅可为揭示燃烧机理提供数据支撑，并且直接关系到能源的高效利用。
煤粉燃烧火焰的辐射和吸收是在整个容积中同时进行的。火焰主要由三原子气体（CO和H.O等）和悬浮固体粒子（炭黑、飞灰、焦炭粒子)所组成，两者的辐射与吸收特征完全不同：三原子气体辐射集中在红外波段，并且由于分子吸收特性，光谱呈现带状特征；固体粒子射为连续光谱，并且特定条件下金属原子被激发将产生很强的原子发射谱线5-}。而煤粉辐射光谱正是这些特征的综合效果，从不同
收稿日期：2015-09-05，修订日期：2016-01-15
应中激发的电子能级跃迁产生的离散光谱；可见光波段主要关注炭黑等浮固体颗粒等灰体燃烧产生的连续辐射光谱；近红外和红外区域则主要通过分析燃气组分及燃烧产物如 HO，CO和CO等反映燃烧现象从而得到温度和气体产物浓度，综合关注光谱范围、仪器造价及工业应用等因素，针对可见光和近红外波段范围，选用200～1100nm波段光纤光谱仪，对煤粉燃烧火焰辐射光谱开展实验研究。通过详细分析煤粉辐射光谱特征与火焰参数的关系，建立基于辐射光谱的燃烧参数测量方法，可为燃烧的优化组织与能源的高效利用提供重要参考，
实验部分 1
火焰辐射光谱测量装置如图1所示，火焰辐射信号经探头中的透镜汇聚于光纤接口端面并由光纤将其传输至光纤光谱仪中，该信号在光谱仪中经模数转换后送人计算机进行数据记录和处理。
基金项目：国家自然科学基金项目（51327803，51206112），上海市科委科研计划项目（13DZ2260900），华东理工大学煤气化及能源化工教育
部重点实验室开放课题基金项目（2016KY11-046)和上海高校青年教师培养资助计划项目（ZZslg15002)资助
作者简介：桂欣扬，1991年生，上海理工大学颗粒与两相流测量研究所硕士研究生
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