ARCoptix中红外光谱仪助力富氧氨燃料辐射特性研究
2026-05-25 来源:本站 点击次数:24
非预混氨-氧-氮湍流射流火焰的气体辐射特性及其与富氧条件下甲烷射流火焰的对比研究
氨作为氢能源载体和零碳燃料，在工业脱碳领域具有显著潜力。然而与碳氢燃料相比，其在空气中燃烧时火焰温度较低且辐射传热效率较差。富氧氨燃烧技术虽具应用前景，但其辐射特性仍缺乏深入研究。
本研究通过实验测量并对比了氨-氧-氮与甲烷-氧-氮非预混湍流射流火焰在不同氧浓度及最高10kW热输出条件下的辐射光谱与总辐射强度（全局当量比为1）。同时基于 HITRAN 数据库和光学薄模型（OTM），分别从化学平衡燃烧状态出发，对氨与甲烷火焰的辐射光谱及总辐射强度进行理论计算。
结果表明：氨火焰中水蒸气是主要辐射气体组分，而甲烷火焰中水蒸气与二氧化碳是主要辐射气体组分。此外，火焰的辐射光谱强度与总辐射强度随氧化剂中氧浓度升高及热输出条件增强而显著增加。实验结果与 OTM 理论预测的火焰总辐射强度对比表明， OTM 是估算此类火焰总辐射强度的合理方法。值得注意的是，在相同热输出和氧浓度条件下，甲烷火焰的总辐射强度约为氨火焰的两倍。此外，当氧化剂中的氧摩尔分数提高至0.5时，氨火焰的总辐射强度可提升至与甲烷-空气火焰相当的水平。这些发现不仅印证了氨气在各类能源设施中的潜在应用价值，也为工业领域脱碳转型提供了重要支撑。
实验装置示意图及详细参数
为研究氨-氧-氮与甲烷-氧-氮非预混湍流射流火焰的辐射特性，研究人员搭建了如上图所示的实验装置。采用配备光纤的ARCoptix VIS- NIR -FIB光谱仪对氨气火焰在400-1500 nm波段的辐射光谱进行测量，同时使用ARCoptix FT-MIR Rocket光谱仪测量1500-8500 nm波段的辐射光谱。
氧浓度对非预混氨和甲烷湍流射流火焰辐射光谱的影响
研究人员研究了在7.5 kW热输出功率及200 mm高度条件下，氧气浓度对非预混氨气与甲烷湍流射流火焰辐射光谱的影响。对于两种湍流射流火焰而言，提高氧化剂中的氧气浓度均会导致光谱强度增强。这一趋势在不同热输出工况下均具有一致性：在200 mm高度处以及410 mm高度处均观察到相同规律。
热输出对非预混氨气与甲烷湍流射流火焰辐射光谱的影响
研究人员研究了在氧浓度 βO2 =1.0、高度200 mm的富氧条件下，非预混氨气与甲烷湍流射流火焰的辐射光谱随热输出的变化规律。如上图所示，火焰辐射光谱强度随热输出增加而增强，热输出范围从5 kW到10 kW。这一趋势在不同氧浓度条件下均保持一致，无论是在200 mm高度还是410 mm高度。辐射光谱强度随热输出升高而增强的主要原因在于辐射组分浓度增加及火焰温度上升。高热输出条件下燃料燃烧量增加，导致辐射组分浓度升高并伴随更大热量释放。此外，已有研究表明废气温度会随火焰热输出增加而升高。值得注意的是，同向流动的温度分布特征在不同热输出工况下也存在差异。
本研究通过实验与理论分析，系统揭示了富氧环境中非预混氨气与甲烷湍流喷射火焰的基本辐射光谱特征及总辐射强度特性。实验中测量了400 nm至8500 nm波长范围内的辐射光谱，并采用辐射传感器记录总辐射强度数据。理论计算分别基于 HITRAN 数据库和光学薄层模型开展，同时考虑混合气体处于化学平衡燃烧状态。通过实验与理论结果的对比分析，明确了氨气火焰中的主要辐射气体组分，并建立了适用于工程应用的总辐射强度估算方法。此外，通过氨气与甲烷火焰的对比研究，揭示了氨气火焰中总辐射强度降低的机制。本研究的核心发现总结如下：
(1) 对于氨火焰，实验与理论辐射光谱的对比表明水蒸气是主要的辐射气体物种，OH自由基贡献较小。相比之下，对于甲烷火焰，水蒸气和二氧化碳被发现是主要的辐射气体物种，OH和CO物种的贡献较小。
(2) 非预混氨和甲烷湍流射流火焰的辐射光谱强度及总辐射强度均随氧浓度和热输出的升高而增加，这是由于火焰温度升高及火焰中辐射物种的摩尔分数增加所致。
(3) 实验总辐射强度数据与采用光学薄模型（OTM）的理论预测结果对比表明， OTM 是估算氨火焰总辐射强度的有效工具。
(4) 在相同的热输出和氧浓度条件下，氨火焰的总辐射强度约为甲烷火焰的一半。这归因于氨火焰中缺乏二氧化碳以及较低的火焰温度。然而，当氧浓度达到0.5时氨氧化剂火焰的总辐射强度可接近甲烷-空气火焰的水平。
本研究中所使用的ARCoptix的红外光谱仪具有小巧紧凑，高性价比，高分辨率，宽波长范围，高灵敏度等优点。ARCoptix的光谱仪具有内置的固体参考激光和密封的自补偿干涉仪，具有极高的波长稳定性和强度稳定性，非常适合高重复性的化学计量分析。
傅里叶变换红外光谱仪
产品特点
1、结构紧凑、坚固耐用
2、波长和强度稳定性高（无基线漂移）
3、具有高分辨以及高波长精度（适合波峰探测）
4、具有抗振动和温度变化的高稳定性
5、适用于光纤系统以及空间光系统
6、没有增益波动、暗电流波动和像素缺陷
7、与光栅光谱仪不同，不会受到二阶三阶衍射谱的影响
主要应用
矿物检测、太阳能电池特性测试、近红外和中红外脉冲激光测量、环境监测、气体探测等
脉冲光源测量-15 kHz
中红外激光测量-1280 cm-1
矿物检测
标准太阳光谱测量
参考文献
Yu Xia, Daichi Matsumoto, Sophie Colson, Taku Kudo, Kai Tanji, Marina Kovaleva, Akihiro Hayakawa, Hideaki Kobayashi, Gas radiation characteristics of non-premixed ammonia–oxygen–nitrogen turbulent jet flames and comparison with methane jet flames under oxygen-enriched conditions, Fuel, 2025, 396, 135274.
氨作为氢能源载体和零碳燃料，在工业脱碳领域具有显著潜力。然而与碳氢燃料相比，其在空气中燃烧时火焰温度较低且辐射传热效率较差。富氧氨燃烧技术虽具应用前景，但其辐射特性仍缺乏深入研究。
本研究通过实验测量并对比了氨-氧-氮与甲烷-氧-氮非预混湍流射流火焰在不同氧浓度及最高10kW热输出条件下的辐射光谱与总辐射强度（全局当量比为1）。同时基于 HITRAN 数据库和光学薄模型（OTM），分别从化学平衡燃烧状态出发，对氨与甲烷火焰的辐射光谱及总辐射强度进行理论计算。
结果表明：氨火焰中水蒸气是主要辐射气体组分，而甲烷火焰中水蒸气与二氧化碳是主要辐射气体组分。此外，火焰的辐射光谱强度与总辐射强度随氧化剂中氧浓度升高及热输出条件增强而显著增加。实验结果与 OTM 理论预测的火焰总辐射强度对比表明， OTM 是估算此类火焰总辐射强度的合理方法。值得注意的是，在相同热输出和氧浓度条件下，甲烷火焰的总辐射强度约为氨火焰的两倍。此外，当氧化剂中的氧摩尔分数提高至0.5时，氨火焰的总辐射强度可提升至与甲烷-空气火焰相当的水平。这些发现不仅印证了氨气在各类能源设施中的潜在应用价值，也为工业领域脱碳转型提供了重要支撑。
实验装置示意图及详细参数为研究氨-氧-氮与甲烷-氧-氮非预混湍流射流火焰的辐射特性，研究人员搭建了如上图所示的实验装置。采用配备光纤的ARCoptix VIS- NIR -FIB光谱仪对氨气火焰在400-1500 nm波段的辐射光谱进行测量，同时使用ARCoptix FT-MIR Rocket光谱仪测量1500-8500 nm波段的辐射光谱。
氧浓度对非预混氨和甲烷湍流射流火焰辐射光谱的影响研究人员研究了在7.5 kW热输出功率及200 mm高度条件下，氧气浓度对非预混氨气与甲烷湍流射流火焰辐射光谱的影响。对于两种湍流射流火焰而言，提高氧化剂中的氧气浓度均会导致光谱强度增强。这一趋势在不同热输出工况下均具有一致性：在200 mm高度处以及410 mm高度处均观察到相同规律。
热输出对非预混氨气与甲烷湍流射流火焰辐射光谱的影响研究人员研究了在氧浓度 βO2 =1.0、高度200 mm的富氧条件下，非预混氨气与甲烷湍流射流火焰的辐射光谱随热输出的变化规律。如上图所示，火焰辐射光谱强度随热输出增加而增强，热输出范围从5 kW到10 kW。这一趋势在不同氧浓度条件下均保持一致，无论是在200 mm高度还是410 mm高度。辐射光谱强度随热输出升高而增强的主要原因在于辐射组分浓度增加及火焰温度上升。高热输出条件下燃料燃烧量增加，导致辐射组分浓度升高并伴随更大热量释放。此外，已有研究表明废气温度会随火焰热输出增加而升高。值得注意的是，同向流动的温度分布特征在不同热输出工况下也存在差异。
本研究通过实验与理论分析，系统揭示了富氧环境中非预混氨气与甲烷湍流喷射火焰的基本辐射光谱特征及总辐射强度特性。实验中测量了400 nm至8500 nm波长范围内的辐射光谱，并采用辐射传感器记录总辐射强度数据。理论计算分别基于 HITRAN 数据库和光学薄层模型开展，同时考虑混合气体处于化学平衡燃烧状态。通过实验与理论结果的对比分析，明确了氨气火焰中的主要辐射气体组分，并建立了适用于工程应用的总辐射强度估算方法。此外，通过氨气与甲烷火焰的对比研究，揭示了氨气火焰中总辐射强度降低的机制。本研究的核心发现总结如下：
(1) 对于氨火焰，实验与理论辐射光谱的对比表明水蒸气是主要的辐射气体物种，OH自由基贡献较小。相比之下，对于甲烷火焰，水蒸气和二氧化碳被发现是主要的辐射气体物种，OH和CO物种的贡献较小。
(2) 非预混氨和甲烷湍流射流火焰的辐射光谱强度及总辐射强度均随氧浓度和热输出的升高而增加，这是由于火焰温度升高及火焰中辐射物种的摩尔分数增加所致。
(3) 实验总辐射强度数据与采用光学薄模型（OTM）的理论预测结果对比表明， OTM 是估算氨火焰总辐射强度的有效工具。
(4) 在相同的热输出和氧浓度条件下，氨火焰的总辐射强度约为甲烷火焰的一半。这归因于氨火焰中缺乏二氧化碳以及较低的火焰温度。然而，当氧浓度达到0.5时氨氧化剂火焰的总辐射强度可接近甲烷-空气火焰的水平。
仪器信息
本研究中所使用的ARCoptix的红外光谱仪具有小巧紧凑，高性价比，高分辨率，宽波长范围，高灵敏度等优点。ARCoptix的光谱仪具有内置的固体参考激光和密封的自补偿干涉仪，具有极高的波长稳定性和强度稳定性，非常适合高重复性的化学计量分析。傅里叶变换红外光谱仪
产品特点1、结构紧凑、坚固耐用
2、波长和强度稳定性高（无基线漂移）
3、具有高分辨以及高波长精度（适合波峰探测）
4、具有抗振动和温度变化的高稳定性
5、适用于光纤系统以及空间光系统
6、没有增益波动、暗电流波动和像素缺陷
7、与光栅光谱仪不同，不会受到二阶三阶衍射谱的影响
主要应用
矿物检测、太阳能电池特性测试、近红外和中红外脉冲激光测量、环境监测、气体探测等
脉冲光源测量-15 kHz中红外激光测量-1280 cm-1矿物检测标准太阳光谱测量
Yu Xia, Daichi Matsumoto, Sophie Colson, Taku Kudo, Kai Tanji, Marina Kovaleva, Akihiro Hayakawa, Hideaki Kobayashi, Gas radiation characteristics of non-premixed ammonia–oxygen–nitrogen turbulent jet flames and comparison with methane jet flames under oxygen-enriched conditions, Fuel, 2025, 396, 135274.
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