乙腈池火燃烧场分析与特征产物浓度的定量反演研究

乙腈广泛应用于医药、化工等领域,而乙腈属于易燃易爆化学品,其引发的火灾事故具有极大的危害。研究乙腈燃烧的温度场与浓度场、火焰辐射光谱以探究其火灾污染特性具有重要实用价值。首先采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)与Fluent数值模拟方法,获取了5 cm尺度乙腈池火燃烧产物NO在20、 40、 60和80 s时刻的空间浓度值,并结合CFD与FDS仿真模拟获取了不同时刻下乙腈燃烧温度场与浓度场信息。其次,采用所获取的乙腈火焰温度场和浓度场数据(将火焰划分为6个热力学平衡区域),并基于HITRAN数据库内高温气体分子吸收系数与火焰总体辐射传输方程构建了乙腈火焰光谱辐射模型。再次,将所得乙腈浓度场与温度场数据代入火焰光谱辐射模型,模型模拟计算结果与相同条件下乙腈火焰光谱实测数据进行对比,以验证模型精度,然后再与Radcal模型进行精度对比。最后,利用自行构建的火焰光谱辐射模型对燃烧特征污染产物NO进行了浓度反演。结果表明:(1)5 cm尺度乙腈池火火焰温度范围为400~1 000 K,在池火上方60~80 mm区域温度较高,最高温度为945 K。(2)在20、 40、 60和80 s时刻下5 cm乙腈池火燃烧产物NO的体积分数为0.005%~0.025 5%, H_(2)O的体积分数为0.034 5%~0.062 5%, CO_(2)的体积分数为0.055 5%~0.085 5%。(3)自行构建了乙腈火焰光谱辐射模型,模型模拟值与实测值对比得出,燃烧产物中CO_(2)特征峰处准确度最小为86.8%,最大为88.7%;NO特征峰处准确度最小为79.6%,最大为84.9%;H2O特征峰处准确度最小为84.6%,最大为89.1%。与Radcal模型计算的光谱辐射值进行对比,自行构建的模型计算精度提升约10%。(4)在5.62~5.66μm主导波段,乙腈燃烧特征产物NO在20、 40、 60和80 s时刻下的浓度反演精度分别为76.9%、 78.5%、 94.7%和81.3%。此研究可为探测大尺度乙腈类化学品火灾的燃烧场信息以及遥感定量反演燃烧污染产物浓度提供基础与参考。

CS_(2)燃烧火焰光谱辐射模型的构建与特征污染产物浓度反演研究

CS_(2)在当今化工等领域占据了重要地位,而CS_(2)火灾污染事故危害性极大。通过研究CS_(2)燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS_(2)燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS_(2)燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS_(2)整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS_(2)火焰中主要含有高温SO_(2),CO_(2),CO气体和空气中卷入的H_(2)O分子,并获取了特征污染产物SO_(2)的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS_(2)火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2μm附近特征峰为高温CO_(2)气体的发射峰,4.7μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4μm附近特征峰为高温SO_(2)气体的发射峰,并获得了CS_(2)燃烧时产生的SO_(2),CO_(2),CO和H_(2)O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS_(2)燃烧时产生的SO_(2),CO_(2),CO和H_(2)O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS_(2)燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO_(2)的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO_(2)分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS_(2)型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。

基于统计窄谱带模型的油料火焰辐射光谱模拟

近年来油料火灾污染事故频发危害性极大,通过分析光谱特性来提取火灾信息已成为研究油料火灾事故的重要途径。目前国内外学者已建立了多种气体辐射和炭黑辐射的模型对燃料燃烧进行研究,但少有对火焰光谱进行建模深入分析燃烧污染产物光谱特征信息。本文搭建了油料火焰光谱测试平台,测量了单一尺度下酒精、92号汽油、95号汽油和0号柴油的火焰光谱,以及多尺度下0号柴油的火焰光谱。实验结果表明3种油料的火焰光谱相似,随着尺度的增大辐射亮度呈非线性增大。基于统计窄谱带法(statistical narrow band,SNB)构建了油料火焰光谱辐射模型,通过实验数据验证曲线拟合度达0.895。利用该光谱辐射模型计算出油料火焰大尺度下的平均辐射亮度与平均透过率、不同烟气浓度下的平均透过率,能为遥感探测火灾污染及反演污染物浓度提供帮助。

低碳化学品火焰红外光谱辐射特性研究

低碳化学品火灾事故风险高、危害极大,探究低碳化学品火焰光谱特性对探测识别该类火灾危害污染意义重大,但目前国内外对大型低碳化学品火灾事故产生有毒、有害的硫化物(SO_(X))和氮化物(NO_(X))气体等相关研究较少。通过搭建1.2~12μm红外波段火焰光谱测试实验平台,对二硫化碳、92#汽油和酒精进行5,14和20 cm三种不同燃烧尺度火焰光谱测试,探究火焰燃烧尺度对高温火焰分子辐射光谱的影响。随着燃烧尺度的增大,火焰辐射强度增强和特征波段出现增宽现象。分析5 cm燃烧尺度下四种典型化学品中液化天然气(LNG)、丙烯腈、乙腈和95#汽油不同的火焰光谱特征。通过用傅里叶变换红外光谱仪测量高温黑体炉的不同温度,对火焰光谱信号进行辐射定标,得出准确的辐射定标系数,从而得到高温火焰分子发射的辐射亮度值。并且与HITRAN数据库模拟大气压1 atm、温度1300 K单一的SO_(2),H_(2)O,CO_(2)和NO_(2)分子辐射光谱进行对比分析。其中高温火焰分子光谱主要有7.3~7.6,8.7和4.0μm SO_(2)波段、1.8~2.1和6.4μm H_(2)O波段和4.2~4.6μm CO_(2)波段,以及2.5~2.9μm H_(2)O和CO_(2)共同波段。高温NO_(2)气体未达到红外光谱仪的检测限,通过HITRAN数据库模拟可知6.0~6.4,3.4和2.4μm NO_(2)波段。为了进一步区分各种化学品火焰光谱,对定标后的火焰光谱信号进行归一化处理,用db2小波基函数进行6层分解得到高频部分近似系数和低频部分的细节系数,通过对比不同化学品高温火焰光谱的近似和细节系数的差异。结果表明,二硫化碳火焰光谱特征和小波分析的化学品火焰光谱特征,可作为区分低碳化学品与油料重要依据,并为后续遥感探测低碳化学品特征污染物、组分浓度反演以及识别评估其污染危害奠定重要基础。