可再生能源的利用对于保障国家的能源安全及改善日趋严重的环境问题有着重要意义. 生物质燃料作为一种可再生能源，具有CO₂零排放的特点. 根据中国《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国生物燃料乙醇年利用量达到1 000万吨，生物柴油年利用量达到200万吨，总计年替代约1 000万吨成品油^[1]. 液体燃料通常被雾化为液滴以促进其蒸发及与周围气体的混合. 在工业领域，气动雾化方式具有能耗低、雾化质量高等优势被广泛应用，包括内燃机、燃气汽轮机、燃油锅炉等^[2]. 鉴于生物乙醇的重要性，开展乙醇燃料的雾化、蒸发、燃烧特性等基础研究十分必要.

燃料燃烧过程产生的CO₂造成了严重的温室效应，富氧燃烧技术是一种可实现CO₂捕捉与封存的重要方法，被广泛应用于工业燃烧当中^[3-5]. 通常条件下，富氧燃烧是将纯氧和循环烟气混合替代空气，作为燃烧过程的氧化剂^[6]，和传统燃烧相比，富氧燃烧氛围中不存在N₂，取而代之的是大量的CO₂和部分水蒸气^[7]. 富氧燃烧的这种特殊气体氛围对于燃烧过程中的火焰稳定性、传热特性、污染物生成等都具有很大的影响^[8]. 许多学者对不同类型燃料的富氧燃烧特性进行了实验研究，包括煤/生物质等固体燃料^[9-13]和甲烷等气体燃料^[14-19]. 在O₂/CO₂气氛下，O₂的体积分数需30%才能达到和空气气氛相近的燃烧温度峰值^[13]. Andersson等^[14]对比研究了丙烷在空气和O₂/CO₂氛围下的燃烧特性，发现空气和O₂/CO₂氛围下燃烧的辐射强度明显不同. Amato等 ^[15]在甲烷富氧燃烧中发现高浓度的CO₂可导致更高水平的CO排放，Heil等^[16]在无焰富氧燃烧条件下观察到了同样的现象. Zhu等^[17]研究发现，甲烷富氧燃烧条件下的火焰传播速度小于空气燃烧条件下，此外还有研究发现O₂/CO₂富氧条件下提高O₂的浓度可以提高火焰绝热温度^[18-19]. 当前国内外的研究工作主要针对于固体燃料和气体燃料的富氧燃烧特性，而关于富氧条件下液体燃料的喷雾燃烧特性的研究较少. Cléon等^[8]研究了富氧条件下乙醇压力喷雾燃烧特性，发现富氧条件下CO₂的加入彻底改变了化学反应时间和火焰结构，从而进一步改变了喷雾火焰中液滴的蒸发时间和粒径分布. 此外，Gan等^[20-22]对小尺度条件下液体乙醇静电雾化及燃烧特性也进行了一系列研究.

本文利用McKenna型平面火焰燃烧器和气动雾化喷嘴搭建富氧热伴流乙醇喷雾燃烧实验台架，通过高速相机采集乙醇喷雾火焰图像和CH*自由基图像. 基于数字图像处理技术提取喷雾火焰特征参数及CH*自由基分布特征参数，研究富氧条件下伴流气体参数（包括伴流气体O₂浓度、伴流气体CO₂浓度）及乙醇与雾化N₂质量流量比M_E/ $ M_{{\rm N}_2}$ 对乙醇喷雾燃烧火焰特征及CH*自由基分布特征的影响规律.

本文利用McKenna型平面火焰燃烧器自主设计搭建的富氧喷雾燃烧实验系统如图1（a）所示，系统主要由McKenna型平面火焰燃烧器、平面火焰燃烧器供气系统、图像采集系统、喷雾系统组成. 平面火焰燃烧器可以提供高温稳定的一维温度和组分分布，燃料气体采用C₃H₈. 本实验以平面火焰燃烧器所产生的高温烟气作为乙醇喷雾燃烧的伴流气体，伴流气体有两方面的作用：一是通过伴流气体的高温以维持乙醇喷雾的自动着火，二是通过控制伴流气体的气体组分以模拟喷雾燃烧的富氧氛围，称之为富氧热伴流. 实验中通过4台控制精度为±0.5%的Alicat气体质量流量计调节平面火焰燃烧器入口气体配比（包括C₃H₈、O₂、CO₂和Ar），从而控制平面火焰燃烧器所产生热烟气（即伴流气体）的气体组分. 为了尽可能减小周围环境空气与高温伴流气体对流作用的影响，实验中高温伴流气体的总流量恒定控制在50标准升每分钟（SLMP），高温伴流气体的总流量通过平面火焰燃烧器入口气体流量控制. 如图2所示为利用烟气探针测得的体积分数φ（O₂）=30%工况条件下平面火焰燃烧器中心轴线上的O₂浓度分布.

图 1

图 1 喷雾燃烧实验装置 Fig. 1 Experimental system of spray combustion

图 2

图 2 平面火焰燃烧器中心轴线上烟气O2体积分数分布测量结果 Fig. 2 Oxygen profile along center axis of flat flame burner

液体乙醇通过一个置于平面火焰燃烧器中心部位的小型气动雾化喷嘴进行雾化，雾化气体采用N₂. 喷嘴的结构如图1（b）所示，中心燃料通道的内径和外径分别为0.5 mm和0.8 mm，外部雾化气体通道内径和外径分别为1.5 mm和2.5 mm，乙醇质量流量M_E通过一台精度为±0.5%的注射泵控制，雾化N₂质量流量 $M_{{\rm N}_2} $ 通过一台Alicat气体质量流量计控制. 实验中保持 $M_{{\rm N}_2} $ 恒定为5.6 g/min，通过改变M_E的大小调节乙醇质量流量与雾化N₂质量流量之比M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 的大小.

实验过程中利用高速CCD相机采集喷雾燃烧火焰的原始图像，火焰CH*自由基分布图像通过另一台加装CH*光学滤光片（430FS10-50）的高速CCD相机进行采集. 实验中2台相机的像素均设置为450×800，帧率均为80 fps，喷雾火焰原始图像和CH*图像同步采集.

为了研究不同工况对于喷雾燃烧火焰特性的影响，利用Matlab软件对火焰原始图像进行处理，以提取喷雾火焰的一系列特征参数，包括火焰面积、火焰高度和火焰平均亮度. 火焰图像的处理过程如图3所示，图3（a）为采集的典型喷雾燃烧火焰原始图像. 为了准确检测火焰边缘，对火焰原始图像进行去背景化操作，同时采用高斯滤波法提高火焰图像的信噪比，图3（b）为基于自适应边缘检测算法^[23-24]提取连续且清晰的喷雾燃烧火焰边缘. 图3（c）为利用提取的火焰边缘生成的感兴趣区域（ROI）二值图.图3（d）为利用提取的火焰边缘生成的喷雾火焰ROI图像.

图 3

图 3 喷雾火焰图像处理过程 Fig. 3 Spray flame image processing

火焰面积（A_f）定义为

式中：A_f为火焰面积，Z_ROI为火焰的ROI区域.

火焰高度（L_f）定义为利用Matlab生成的火焰的ROI区域的高度，如图3（c）所示. 火焰平均亮度（B_ave）是火焰ROI区域亮度的空间平均值，定义为

式中：B_ave为火焰平均亮度；i表示火焰图像中每个像素点亮度，可由图像像素点RGB三分量进行加权平均式i=0.299g_R+0.587g_G+0.114g_B计算，其中g_R、g_G、g_B分别表示图像像素点的R、G、B分量.

图 4

图 4 火焰CH*图像处理过程 Fig. 4 Flame CH* image processing

CH*自由基是燃烧过程中的一个重要中间产物，作为一种最简单的碳氢化合物自由基，CH*自由基化学性质活泼能够与许多分子和自由基发生化学反应，同时是大分子完成降解的一个标志，CH*信号的分布能够在一定意义上显示出火焰的反应区域，CH*信号强度能够表征燃烧反应强度. 本研究利用CCD相机结合CH*光学滤光片（430FS10-50）采集乙醇喷雾燃烧过程中的火焰CH*图像. 由于火焰CH*图像中每个像素点的R分量和G分量都近似等于0，选取像素点的B分量代表CH*信号强度. 如图4（a）所示为采集到的一种典型的喷雾火焰CH*信号强度分布云图. 为了能够定量分析比较不同工况下火焰CH*信号特性，对于采集的火焰CH*图像利用Matlab软件进行处理，获得燃烧反应区域内火焰横截面上CH*信号总强度I_h-sum沿火焰轴向高度h的变化规律，如图4（b）所示即为与图4（a）对应的I_h-sum随h的变化曲线.

为了研究富氧条件下O₂浓度对喷雾燃烧特性的影响，通过调节平面火焰燃烧器入口气体配比使得伴流气体中的O₂浓度分别为21%、30%、40%、50%和55%（体积分数）.图5为不同O₂浓度对于火焰特性的影响（M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ =0.45）. 图中每个数据点为高速相机连续采集的100张图像数据的平均值，误差条代表数据的标准偏差. 从图5（a）和图5（b）中可以看出，随着O₂浓度的增加，喷雾火焰的面积、高度均呈现下降的趋势，且随着O₂浓度的增加，火焰的下降趋势变缓. 由图5（c）可发现，火焰平均亮度随着O₂浓度的增加而稳定增加. 根据Arrhenius定律，O₂浓度越高，喷雾液滴蒸发出的乙醇分子在扩散过程中的均相燃烧反应速率越大，从而促进了喷雾液滴的进一步蒸发，降低了液滴的停留时间，进而导致火焰高度、火焰面积的减小. 此外，燃烧反应速率越大，喷雾燃烧强度越强，火焰温度越高，导致火焰平均亮度随着O₂浓度的增加而增加.

图 5

图 5 伴流气体O2浓度对火焰特性的影响 Fig. 5 Effect of co-flow O2 concentration on flame characteristics

火焰中CH*自由基的分布可以表征燃烧区域的燃烧反应强度. 图6为不同O₂浓度对CH*自由基分布特性的影响（M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ =0.45）. 由图6可以看出，不同O₂浓度条件下，火焰横截面上CH*信号总强度沿火焰轴向高度的变化趋势一致，都呈现出单峰分布的特性，从喷嘴出口（即h=0）处开始，CH*信号总强度迅速增加达到峰值，接着缓慢下降直至趋于0. 由图6还可以发现，O₂浓度越高，火焰横截面上CH*信号总强度的峰值越大，但CH*信号的分布高度范围有所缩小，使得曲线看起来相对于低O₂浓度条件下显得更加“瘦高”，这说明O₂浓度越高，燃烧反应区域的分布范围越小，反应强度越大. 另外值得注意的一点是，从图中可以观察到在伴流气体中的O₂浓度大于40%影响趋势一致，即当O₂浓度达到一定数值（40%）之后，继续增加O₂浓度的影响有所减弱.

图 6

图 6 伴流气体O2浓度对CH*自由基分布特性的影响：火焰横截面上CH*信号总强度随火焰轴向高度的变化曲线 Fig. 6 Effect of co-flow O2 concentration on CH* distribution characteristics: total CH* signal intensity of flame cross section varying with flame axial height

为了研究富氧条件下CO₂浓度对喷雾燃烧特性的影响，在保持伴流气体中的O₂浓度为30%不变的情况下，通过引入惰性气体Ar调节CO₂的浓度，使得CO₂浓度分别为20%、30%、40%、50%（体积分数）.图7为不同CO₂浓度对于火焰特性的影响（φ（O₂）=30%，M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ =0.45）. 从图7（a）和图7（b）中可以看出，在O₂浓度为30%不变的情况下，喷雾火焰的面积、高度都随着CO₂浓度的增加呈现升高的趋势，但升高的幅度很小. 而图7（c）中的火焰平均亮度随着CO₂浓度的增加呈显明显的降低趋势，这说明CO₂对喷雾火焰亮度的影响明显大于对喷雾火焰尺寸的影响. CO₂拥有相对较高的摩尔比热容^[14]，因此在O₂浓度和燃料量不变的情况下，增加CO₂的浓度使得燃烧区域内的温度降低，温度下降减小了燃烧速率，增加了喷雾液滴的停留时间，进而导致火焰面积和火焰高度的增加. 此外，越低的燃烧温度也降低了火焰的平均亮度. 总之，CO₂浓度对于火焰尺寸及火焰亮度的影响趋势与O₂浓度刚好相反，而且影响的程度也不同，总体上讲，O₂浓度的影响明显要大于CO₂浓度的影响.

图 7

图 7 伴流气体CO2浓度对火焰特性的影响 Fig. 7 Effect of co-flow CO2 concentration on flame characteristics

图8为伴流气体CO₂浓度对CH*自由基分布特性的影响（φ（O₂）=30%，M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ =0.45），从图中可以看出，火焰横截面上CH*信号总强度的峰值随着伴流气体CO₂浓度的增加而减小，且CH*信号的分布高度范围随着伴流气体CO₂浓度的增加呈现略微缩小趋势，这说明CO₂浓度的增加抑制了喷雾燃烧反应区域内的燃烧反应强度，燃烧反应区域的分布范围也有所减小.

图 8

图 8 伴流气体CO2浓度对CH*自由基分布特性的影响：火焰横截面上CH*信号总强度随火焰轴向高度的变化曲线 Fig. 8 Effect of co-flow CO2 concentration on CH* distribution characteristics: total CH* signal intensity of flame cross section varying with famle axial height

为了研究喷雾参数M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ （乙醇/雾化N₂质量流量比）的影响，保持雾化N₂的质量流量 $M_{{\rm N}_2} $ 等于5.6 g/min不变，通过调节乙醇的质量流量使得M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 分别为0.35、0.45、0.55、0.65. 图9为不同M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 条件对于喷雾燃烧火焰特性的影响（φ（O₂）=30%）. 从图中可以看出，随着M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 的增加，火焰面积、火焰高度、火焰平均亮度呈现稳定增加趋势. 这是因为随着M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 的增加，喷雾中乙醇液滴的质量浓度增加，从而导致喷雾燃烧火焰尺寸的增加. 喷雾中乙醇液滴的质量浓度的增加，使得燃烧反应也更加剧烈，火焰平均亮度也随之增加. 因此，越高的M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 比导致了尺寸越大亮度越高的喷雾火焰.

图 9

图 9 乙醇与雾化N2质量流量比对火焰特性的影响 Fig. 9 Effect of ethanol/N2 mass flow rate ratio on flame characteristics

图10展示了M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 对CH*自由基分布特性的影响（φ（O₂）=30%），从图中可以看出，M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 越大，火焰横截面上CH*信号总强度的峰值越大，CH*信号分布的高度范围也显著扩大，这表明增加M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ ，喷雾燃烧的燃烧反应强度增加，同时燃烧反应区域的分布范围也显著扩大. 从图10还可以发现，当M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 大于0.55之后，M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 对CH*自由基分布特性的影响开始减弱.

图 10

图 10 乙醇与雾化N2质量流量比对CH*自由基分布特性的影响：火焰横截面上CH*信号总强度随火焰轴向高度的变化曲线 Fig. 10 Effect of ME/ $M_{{\rm N}_2} $ ratio on CH*distribution characteristics: total CH* signal intensity of flame cross section varying with famle axial height

（1）增加伴流气体中的O₂浓度，喷雾火焰的面积、高度减小，而火焰平均亮度增大. O₂浓度的增加提升了喷雾燃烧反应区域内的燃烧反应强度，但燃烧反应区域的分布范围随着O₂浓度的增加而缩小.

（2）在保持伴流气体O₂浓度恒定的条件下，随着CO₂浓度的增加，喷雾火焰的面积、高度略微增加而火焰平均亮度明显减小，CO₂对喷雾火焰亮度的影响明显大于对喷雾火焰尺寸的影响. CO₂浓度的增加抑制了喷雾燃烧反应区域内的燃烧反应强度. 此外，燃烧反应区域的分布范围随着CO₂浓度的增加而缩小.

（3）在雾化N₂质量流量不变的情况下，随着M_E/M_N2的增加，火焰面积、火焰高度、火焰亮度均增加. 随着M_E/ $M_{{\rm N}_2} $ 的增加，喷雾燃烧反应区域内的燃烧反应强度增加，燃烧反应区域的分布范围呈扩大趋势.