基于简化光学方法的生物质衍生合成气层流火焰速度研究

《Results in Engineering》：Laminar flame speed of biomass-derived synthesis gas using a simplified optical approach

　　

层流火焰速度是预混燃烧系统中控制火焰稳定、回火和吹熄的关键参数。本研究开发了一种基于包围盒图像评估的简化自动光学锥角法，用于估算以甲烷为基础及生物质衍生合成气混合物的表观层流火焰速度。该方法通过与甲烷-空气 mora 火焰的文献热通量数据进行验证，随后应用于CH₄/H₂混合物、以CO₂和N₂稀释的甲烷火焰，以及两种具有代表性的生物质衍生合成气组分。甲烷测量结果复现了当量比特性的依赖性，偏差约为5 – 15%，与本生型火焰已知的拉伸和几何效应一致。氢气富集显著提高了表观层流火焰速度，在约45 vol.% H₂以上出现阈值式加速，而惰性气体稀释则降低了火焰传播速度，其中CO₂表现出比N₂强得多的抑制作用。富氢外热式合成气表现出高达0.56 m/s的升高层流火焰速度，但由于回火和吹熄限制，仅在狭窄的稳定性操作窗口内成立。相比之下，甲烷化自热式合成气在近化学计量条件下表现出接近甲烷的燃烧特性，因为氢气增强效应在很大程度上被惰性气体稀释所补偿。尽管该方法不能提供无拉伸层流火焰速度，但基于图像的自动化工序能够实现对不同燃料组分和非理想火焰形状下合成气燃烧行为的快速可重复比较评估，使其成为生物质衍生合成气应用的实用筛选工具。

本研究旨在解决工业高温过程热脱碳中替代燃料燃烧特性表征的关键技术需求。当前工业部门是最大的高温过程热消费者，其主要依赖化石天然气。为实现全球气候目标并减少温室气体排放，迅速替代天然气势在必行。现有两种主要替代方案：工业热过程电气化与氢气作为燃料的应用。然而，电气化常需对工业装置进行根本性重新设计，导致高昂资本成本和漫长改造周期；氢气虽被广泛认可为高潜力技术成熟的能源载体，但其大规模经济可行性仍存不确定性，尤其针对远离氢气管网的分散式应用场景，运输、储存和分配成本可能使其在经济上不可行。在此背景下，生物质衍生合成气（syngas）作为可再生能源载体展现出重要前景，其通常被认为是碳中性的，且利用废弃物或残余生物质生产时甚至可实现负碳平衡。

与直接燃烧不同，生物质气化实现了化学能转化与热量释放点的解耦，使产生的合成气可被储存、加工或用于独立的燃烧或合成单元。然而，生物质衍生合成气的利用面临显著挑战：其组分通常包含可变比例的H₂、CO、CH₄、CO₂和N₂，与性质已充分表征的天然气（主要为甲烷）存在本质差异。这些组分差异导致点火特性改变、火焰稳定区显著变化，以及对回火和吹熄等关键现象的敏感性增加。特别是富氢合成气表现出更高的层流火焰速度和扩散性，促进回火风险；而CO₂和N₂含量的增加则降低火焰温度，减缓反应速率并增加吹熄倾向。因此，精确表征合成气燃烧特性对确保燃烧器安全高效运行至关重要，而层流火焰速度作为关键参数，直接决定了火焰锚定、火焰锋面位置和操作极限。

另一方面，现有层流火焰速度测量方法虽种类繁多，包括本生燃烧器技术、密闭容器内球形火焰传播、对向流燃烧器和热通量法等，但这些技术通常依赖先进的燃烧器配置、光学诊断和案例特异性后处理程序。同时，生物质衍生合成气组分因原料、气化条件和下游甲烷化方案的不同而大幅变化，限制了系统可比较火焰传播数据集的可用性。因此，本研究不引入新的火焰速度测量原理，而是提出一种简化和自动化的包围盒评估流程，用于在变化和非理想合成气火焰构型中进行表观层流火焰速度的比较估算。

研究人员在Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg (FAU)能源过程工程教席开发了专用层流火焰试验台。该系统包括独立的燃料气和空气供应管线，合成气混合物通过加热保温的不锈钢管线输送，确保传输过程温度稳定。体积燃料流量由集成于20 kW气体混合站的质量流量控制器调节，预混气体总质量流量则由上游的科里奥利质量流量计监控。空气来自实验室压缩空气系统，经减压阀调节后，通过在线管式加热器预热以接近与燃料的热平衡。两股气流在T型接头处混合，经多孔金属板促进均匀混合并抑制回火趋势后，进入内径12 mm的垂直燃烧器管。燃烧发生在燃烧器出口处，由圆柱形石英玻璃罩围封以稳定火焰并减少外部扰动。为消除环境光影响，燃烧器和火焰区由哑光黑色铝制外壳包围，通过垂直于火焰轴的相机端口进行光学采集。图像采集使用固定位置和焦距的智能手机相机，在封闭测量腔内恒定光学条件下进行。

研究人员采用基于MATLAB的图像处理流程实现自动化分析。原始RGB图像首先转换为灰度强度图，沿图像中心水平线识别最大亮度值以定位火焰核心，在此基础上定义对称强度窗口进行自适应强度阈值分割，生成初步二值火焰掩膜。随后应用形态学操作减少噪声并消除小伪影，使用imclose函数（采用圆盘形结构元素）平滑火焰轮廓并填充小孔洞，再通过bwpropfilt函数保留最大连通白色区域作为火焰包络。为避免燃烧器引起的火焰底部失真干扰，对二值图像下部六分之一进行裁剪，重新定位火焰的顶部和底部边界。

在角度提取方法上，研究人员初步尝试霍夫变换（Hough transform）自动识别火焰侧翼作为主导直线，但发现该方法在氢气富集和蒸汽稀释合成气火焰中存在局限性：火焰发光度波动、内部亮度结构和火焰锋面曲率导致直线识别不一致，对局部图像特征敏感。因此，研究人员开发了包围盒矩形方法替代：对分割后的火焰定义包围盒并提取其宽度w和高度h，几何近似火焰角为α=tan^-1(w/2h)，进而通过公式S_L,app=u·sin(α)估算表观层流火焰速度。该方法对弯曲、不对称或不稳定火焰锋面具有更高鲁棒性，对图像噪声和内部亮度变化敏感度低，可实现全自动图像后处理和批量标准化处理。

主要技术方法包括：基于经典本生燃烧器原理的锥角法几何关系；自适应强度阈值分割与形态学优化的火焰图像预处理；包围盒矩形的自动化角度提取；使用质量流量控制器和科里奥利质量流量计精确控制气体流量；以及通过多次重复测量评估工作流程重复性。

4.1 试验台验证

研究人员使用热通量法文献数据对光学方法进行验证。与Hermanns的热通量基准数据比较，甲烷-空气火焰的表观火焰速度在?=1.0 – 1.3范围内与文献值偏差约5 – 15%，验证了该光学方法重现正确数量级和甲烷火焰传播特征趋势的能力。数据表明S_L,app随体积流速u的增加而系统性增加，这是本生型配置的非理想效应所致：更高流速减少燃烧器边缘导热损失并促进部分抬升，同时包围盒评估对较高火焰的侧翼角度略有高估。但在极浓条件（?=1.67）下，随u的单调增加趋势减弱并部分反转，这可归因于低绝热火焰温度和甲烷在此浓混合物中的近中性马尔斯坦（Markstein）响应。

4.2 氢气添加的影响

研究人员在?=1.6下考察氢气富集火焰。由于中等氢气分数即导致回火，更稀条件无法操作，稳定火焰需要富混合物和u=1.1 – 1.3 m/s的高体积流速作为安全裕度，超过50 vol.% H₂则因回火无法稳定。结果显示：S_L,app在约40 vol.% H₂以下几乎线性增加，更高分数时上升陡化，45 vol.%以上出现类指数加速，这与火焰化学从甲烷主导向氢气控制动力学转变的阈值行为一致。数据还揭示了流速依赖性的交叉现象：低氢分数时u=1.1 m/s系列给出最低表观火焰速度，而高富集时该系列转为数据集上限，这可由燃烧器相关效应和物理化学机制共同解释。

4.3 惰性气体稀释的影响

研究人员在?=1.6和u=1.1 m/s下考察惰性气体对甲烷-空气火焰的影响。N₂添加使S_L,app从0 vol.%时约0.18 m/s逐渐减少至40 vol.%时约0.15 m/s，反映热惰性作用和氧置换的中等影响。相反，CO₂添加产生强得多抑制：仅5 – 10 vol.%即导致显著降低，20 vol.%时火焰速度已降至0.15 m/s以下，超过35 vol.%则无法维持稳定火焰。CO₂更强影响主要归因于其更高摩尔热容降低绝热火焰温度、增强辐射损失以及三体复合反应降低自由基浓度，且CO₂与燃烧化学的主动相互作用进一步抑制火焰传播。

4.4 真实合成气混合物

4.4.1 外热式气化合成气

研究人员考察模拟外热气化（50 vol.% H₂, 25 vol.% CO₂, 25 vol.% CO，原文组分比例以实际为准，此处按研究描述为富氢外热式合成气）的合成气混合物，仅在?=0.5 – 0.7的窄范围富燃区可稳定操作。高H₂分数提供大固有燃烧速度和低于1的Lewis数（Le），促进优先扩散和胞状不稳定性；同时显著CO₂分数降低绝热火焰温度并增加热惰性，强烈促进稀条件下的吹熄。在此窗口内，表观火焰速度从?=0.52时0.37 m/s增至?=0.71时0.56 m/s。

4.4.2 甲烷化自热式气化合成气

研究人员考察模拟甲烷化自热气化（30 vol.% CH₄, 20 vol.% H₂, 5 vol.% CO₂和45 vol.% N₂）的合成气混合物。在近化学计量范围（?=1.1 – 1.3），测量火焰速度仅略低于纯甲烷，表明20 vol.% H₂的加速影响被45 vol.% N₂和5 vol.% CO₂的稀释效应大量补偿，CH₄成为主导组分。该混合物有效Lewis数接近1，抑制了优先扩散效应。随操作变浓，数值稳步降至?=1.67时0.17 m/s。

讨论部分总结：研究人员强调表观火焰速度不能仅从氢气含量预测，反应性和惰性物种的组合效应共同决定火焰传播和运行稳定性。光学工作流程成功解析了这些相互作用，是合成气燃料比较燃烧评估的实用工具。从工业视角，富氢外热气化合成气对火焰燃烧器稳定性构成重大挑战，而自热气化混合物更接近甲烷行为，可较容易地集成到现有系统中。未来工作应致力于改进基于图像的角度确定，通过缓解回火和吹熄限制扩展可操作窗口，并将火焰速度表征与详细排放测量相结合，以全面评估生物质衍生合成气。