[发明专利]一种氢气火焰温度测量方法

说明书

本发明提供一种氢气火焰温度测量方法，测量氢气火焰中惰性气体浓度，确认氢气火焰温度。本发明提出一种新的测试氢火焰温度的方法原理，该方法可以组合现有火焰中惰性组分的测量技术，实现标准火焰和燃烧装置中氢气燃料火焰面上温度场的快速准确测量。

技术领域：

本发明属于火焰温度测量方法技术领域，具体涉及一种氢气火焰温度测量方法。

背景技术：

当今世界80％以上能源来自化石燃料燃烧释放化学能，燃料燃烧在提供热量的同时，也产生各种污染物，因此，提高燃料燃烧效率和抑制燃烧污染物的生成是能源高效清洁利用所追求的目标。为达到上述目标，必须对燃料燃烧过程，特别是燃烧中火焰结构有着清楚的认识，其中，火焰温度是一个非常重要的参数，是决定燃烧化学反应剧烈程度、火焰与环境换热、以及燃烧装置材料耐受性的关键参数。火焰面中的燃料燃烧反应是一个包含众多中间基团与组分所形成的复杂化学反应体系，在时间或空间上，火焰温度是该体系所包含的化学反应吸放热与放热总体平衡的结果。目前，已有多种方法可以进行火焰面温度场的测量，典型如直接利用热电偶测量各种火焰的温度，包含实验研究用的各种型号与类别的微型热电偶，或工业用途的铠装热电偶。另一方面，利用各种非接触式的光学方法也可以测量高温火焰的温度，如热像仪、双色法、瑞利散射和激光诱导荧光法等。

氢气是一种洁净燃料，热值高、反应速度快且无碳氢污染物生成，具有良好的应用前景。但是，对于氢气火焰温度测量，存在较大的困难，目前还没有很好的解决办法。如当采用常规热电偶测温时，一方便热电偶测量固有存在热平衡问题使得测温结果与真实温度存在偏差；同时由于氢气高的反应活性，高温热电偶材料普遍具有催化作用，热电偶直接接触火焰时，表面催化效应明显影响化学反应过程，从而影响测量准确度；此外，氢气火焰面很薄，即使采用微米级别直径的微型热电偶也会对火焰结构存在较大的干涉，使得准确测量氢气火焰温度困难。另一方面，当采用非接触的光学方法时，虽然可以避免测量过程对火焰面的物理干扰，但是氢火焰本身的特殊性使得光学方法测温困难，多数激光测温方法均是基于含碳基团成份探测原理，对应无碳元素存在的氢气火焰实现温度测量面临应用困难。

发明内容：

本发明的目的是提供一种氢气火焰温度测量方法，本发明提出的氢气火焰温度测量方法，实现对氢火焰燃烧过程的研究，可提升清洁燃料氢气的燃烧利用技术水平。

本发明的目的是提供了一种氢气火焰温度测量方法，通过测量氢气火焰中惰性气体浓度，来确认氢气火焰温度。

发明人发现一种与氢火焰燃烧温度场分布相关度非常好的组分分布，即火焰面中惰性气体浓度变化与氢火焰温度场变化是一一对应的关系，惰性气体是氢气/氧化剂预混气中的惰性成份，如采用氢气/空气预混火焰时，空气中惰性气体为氮气，当采用氢气/氧气/氩气预混火焰时，惰性气体为氩气，诸如此类的其他氢气预混火焰中，均可通过测量氢气预混火焰中惰性气体浓度变化特征，来确定氢气火焰面温度分布特性，从而实现氢气火焰温度的测量。

通过氢气/氧气/惰性气体燃烧反应体系热平衡分析，建立了火焰面中温度与惰性气体浓度关系式，该关系式是本专利申请氢气火焰温度测量方法的基本原理。在技术方案上，以氢气/空气火焰为例，进行火焰结构模拟计算，验证了氢气/空气火焰中温度分布与氮气组分浓度分布存在相同的特征趋势。进而提出通过测量氢火焰中N₂变化规律，可实现间接测量氢气/空气火焰面上的温度场这一方法。火焰中N₂的组分测量可以通过各种方法来实现，如传统的平面火焰与射流火焰中进行火焰面取样的气相色谱分析，也可以采用光学方法进行氢气火焰中N₂的在线非接触式单一组分浓度测量。

测试方法原理

本发明通过测量氢气火焰中惰性气体浓度，来确认氢气火焰温度的测试原理如下：

氢气火焰中发生如下一步化学反应：

化学反应式中：M为惰性气体。