CC BY
9Статья поступила в редакцию 22.02.10. Ред. рег. № 734
The article has entered in publishing office 22.02.10. Ed. reg. No. 734
УДК 629.125:551.521
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИНГРЕДИЕНТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНГРЕДИЕНТНОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ МЕТОДОМ ТОНКОСТРУКТУРНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ
Н.И. Москаленко, Н.Ф. Локтев, Я.С. Сафиуллина, М.С. Садыкова
Казанский государственный энергетический университет 420066, г. Казань, ул.Красносельская, д. 51 Тел.: 8(843)-234-64-06, e-mail: yanasafiullina@yandex.ru
Заключение совета рецензентов: 03.03.10 Заключение совета экспертов: 09.03.10 Принято к публикации: 14.03.10
Рассматривается применение метода поглощающей спектроскопии для определения ингредиентного состава атмосферных выбросов и продуктов сгорания, включая газовые компоненты и сажевый золь. Разработанный спектрофотомет-рический комплекс аппаратуры обеспечивает измерение концентрации различных ингредиентов в продуктах сгорания и атмосферных выбросах с предельной чувствительностью 1-10 ррш. Обсуждаются технологии репрезентативного забора пробы спектрометрических анализов. Ошибки измерений концентраций ингредиентов составляют 5-15% и зависят от химического состава пробы и минимальны при разрешенной электронной и колебательно-вращательной структуре полос. Анализируется изменение ингредиентного состава продуктов сгорания некоторых видов углеводородных топлив и атмосферных выбросов.
Ключевые слова: функция спектрального пропускания, спектральная линия поглощения, ингредиентный состав, продукты сгорания, сажевый золь.
INGREDIENTS IDENTIFICATION AND DETERMINATION OF INGREDIENT
COMPOSITION OF ATMOSPHERIC EMISSIONS AND COMBUSTION PRODUCTS BY MEANS OF FINE-STRUCTURE SPECTROMETRY METHOD
N.I. Moskalenko, N.F. Loktev, Ya.S. Safiullina, M.S. Sadykova
Kazan State Energetic University 51 Krasnoselskaya str., Kazan', 420066, Russia Tel.: 8(843)-234-64-06, e-mail: yanasafiullina@yandex.ru
Referred: 03.03.10 Expertise: 09.03.10 Accepted: 14.03.10
Use of a method of absorbing spectroscopy to determine an ingredient composition of atmospheric emissions and combustion products, including gas components and carbon-black sol, is considered in the paper. A developed spectro-photometric complex of equipment provides with concentration measurement of different ingredients in the combustion products and atmospheric emissions with a limited sensitivity of 1-10 ppm. Technologies of a representative sampling of the spectrometer analysis are discussed. The ingredients concentration measurement errors are 5-15%. They depend on chemical composition of the sample and minimal at allowed oscillating-rotational bands structure. Change of the ingredient composition of the combustion products of some types of hydrocarbon fuels and atmospheric emissions is analyzed.
Введение
Проблема возрастающих антропогенных воздействий на оптические свойства атмосферы, радиационный теплообмен и климат вызывает необходимость контроля атмосферных загрязнений, обусловленных хозяйственной деятельностью. Особенно актуальны измерения ингредиентного состава про-
дуктов сгорания различных видов топлив естественного или искусственного происхождения и атмосферных выбросов в результате промышленной переработки сырья, нефтепродуктов и отходов промышленного производства. Малые компоненты продуктов сгорания часто имеют токсическое или канцерогенное воздействие, и их контроль приобретает важное экологическое и социальное значение.
Отличительной особенностью антропогенных атмосферных выбросов является то, что они двухфазны и включают как газовые компоненты, так и дисперсную фазу, которая является сильно поглощающей для УФ, видимого и ИК излучения. Последнее обусловлено высоким содержанием сажистых частиц, которые образуются в процессе полимеризации из газовой фазы при горении топлива. Как показали выполненные нами экспериментальные исследования, сажевый золь продуктов сгорания является гигроскопичным и, по-видимому, содержит растворимые ингредиенты, в том числе тяжелые углеводороды.
В настоящей работе рассматривается функционирование и применение спектрометрических измерительных комплексов для определения ингредиентно-го состава газовой и дисперсной фаз антропогенных выбросов, выполнение измерений и некоторые результаты качественных и количественных измерений ингредиентного состава продуктов сгорания методом тонкоструктурной спектрометрии. При этом пробы отбирались в предварительно вакуумированные про-бозаборники по подогревным (при температуре 120150° С) газоходам линий пробозабора. Последнее обеспечило репрезентативность забора пробы, достоверность выполненных измерений. Для выполнения количественных анализов были измерены и параметризованы спектры поглощения различных ингредиентов, входящих в состав антропогенных выбросов, и численное имитационное моделирование спектров поглощения многокомпонентных сред разнообразного ингредиентного состава с целью выбора наиболее информативных спектральных диапазонов (каналов) измерений и оценки погрешностей спектрометрических анализов. Для определения микроструктуры и оптических свойств сажевого золя в пламенах использованы измерительные комплексы [1, 2].
Спектрометрическая аналитическая лаборатория
Спектрометрическая аналитическая лаборатория предназначена для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив котлоагрегатов и антропогенных выбросов в атмосферу, включая летучие, слаболетучие и нелетучие (золь) компоненты. Она представляет собой подогревной спектрофото-метрический комплекс, использующий в качестве рабочей камеры многоходовую рабочую камеру с внутренним и внешним обогревом. Система обогрева позволяет изменять температуру рабочей среды в диапазоне 300-900 К, а вакуумированные монохрома-тор и осветитель обеспечивают репрезентативность выполнения анализов качественного и количественного состава продуктов сгорания отобранных проб.
Необходимость разработки подогревной рабочей камеры возникла вследствие потребности измерения многокомпонентного состава продуктов сгорания, включающих в себя летучие и нелетучие в обычных атмосферных условиях компоненты с температурами
конденсации в диапазоне от 30 до 150° С, а также зольную фракцию дисперсной фазы. В обычных атмосферных условиях многие компоненты оказываются захваченными зольными частицами или растворяются в каплях воды. Тем самым результаты измерений широко используемыми технологиями становятся нерепрезентативными и не отражают реального ингредиентного состава продуктов сгорания.
Применение рабочей камеры с многоходовой схемой прохождения излучения позволяет изменять длину оптического пути (чувствительность измерений) в процессе выполнения измерений. Диапазон давлений в рабочей камере может быть расширен за счет разбавления пробы инертным оптически неактивным газом. Высокое спектральное разрешение позволяет идентифицировать компоненты продуктов сгорания по тонкой структуре спектров поглощения.
Для обеспечения репрезентативного забора проб разработано пробозаборное устройство с подогревными линиями газоходов, обогреваемыми газовыми розетками, обеспечивающее независимый отбор проб по трем линиям. Забор проб осуществляется в стальные пятилитровые пробозаборники, предварительно вакуумируемые с помощью форвакуумного насоса. Все элементы пробозаборного устройства изготовлены из нержавеющей стали и имеют электрический обогрев. Пробозаборное устройство было испытано на вакуум и высокое давление и очищено от загрязнений путем промыва этиловым спиртом под давлением воздуха в пять атмосфер. Три кассеты пробозаборников обеспечивают забор пятнадцати проб из одного места отбора или по пять проб из трех мест отбора.
При использовании внешнего обогрева внутренняя полость кюветы нагревается до температуры 120° С, а внутренний обогрев позволяет повысить температуру газов до 800 К. Внутренняя печь смонтирована между зеркалами оптической скамьи Уайта многоходовой кюветы в цилиндрическом теплоизоляционном кожухе, изготовленном из асбоцемента, прокаленного при температуре 1000 К в вакууме. На торцах печи поставлены отражающие диафрагмы. Температура вдоль оптического пути луча радиации контролируется термопарами с погрешностью + 3 К с помощью ампервольтметра Ф-30. Расположение обогревателей было выбрано таким образом, чтобы обеспечить однородность температуры вдоль оптического пути. Корпус кюветы представляет собой изготовленную из нержавеющей стали сборную конструкцию. Поверхности внутренней полости рабочей камеры и оптических приставок были подвержены антикоррозийной обработке и чернению для ликвидации рассеянного света. Все металлические узлы соединяются с помощью герметических уплотнителей. Степень прогрева регулируется величиной напряжения, подведенного к электрической печи от автотрансформатора АОМН-40-220. Откачка системы и запуск пробы в рабочую камеру выполняются с помощью вакуумно-дозирующей системы. Давление
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
и вакуум контролируются стрелочными манометрами и вакуумметрами модели 1227. Откачка кюветы, осветителя и монохроматора ИКС осуществляется с помощью вакуумного насоса 2НВР-БД.
Излучение осветителя через систему зеркал фокусируется на входной щели многоходовой газовой кюветы и после многократного прохождения в рабочей камере системой зеркал проецируется на входной щели монохроматора ИКС. Дифракционная система мо-нохроматора обеспечивает регистрацию монохроматического потока излучения с помощью болометра. Сканирование спектра осуществляется разворотом дифракционной решетки. Для фильтрации спектра налагающихся порядков используется блок сменных отражающих и полосовых светофильтров. Регистрация спектров осуществляется графопостроителем.
Технология выполнения анализов ингредиентно-го состава продуктов сгорания топлива требует предварительного нагрева пробозаборников до температуры 120-150 К, после чего проба из пробоза-борника вводится в предварительно нагретую до температуры 120-150 К и вакуумированную кювету. Последнее необходимо выполнять во избежание прилипания частиц золя на стенках пробозаборника и рабочей камеры. Чтобы исключить воздействие засветок от рабочей камеры, электромеханический модулятор излучения устанавливается перед входом излучения в рабочую камеру. Электронная приемно-регистрирующая система регистрирует только модулированное излучение и не реагирует на излучение постоянных засветок рабочей камеры.
Для получения спектров эталонных метрологически обеспеченных газовых компонентов также используется двухлучевой измерительный комплекс на базе спектрометра ИКС-24, позволяющий непосредственно регистрировать спектральные коэффициенты поглощения газовых компонентов без последующей обработки. Компенсация атмосферного поглощения на регистрируемые спектры здесь проводится автоматически. Двухлучевая многоходовая оптическая приставка обеспечивает оптические трассы протяженностью до семи метров.
Аналитическая лаборатория была испытана при измерениях состава продуктов сгорания автомобильного топлива, продуктов сгорания соснового бруса, в модельных огневых испытаниях в камерах сгорания [1, 2], в натурных огневых испытаниях фрагмента здания системы «ПЛАСТБАУ». В последнем случае измерения выполнялись в течение всего периода огневого эксперимента при полном контроле температурного поля в точках отбора проб и в окрестностях огневого эксперимента. Ингредиентный состав продуктов сгорания контролировался с момента загорания до конца сгорания древесины. Были выполнены измерения ингредиентного состава продуктов сгорания и обнаружены и идентифицированы 34 оптически активных ингредиента, большую часть которых составляют летучие и тяжелые слаболетучие углеводороды.
Рис. 1. Спектрограмма ослабления излучения Jk продуктами сгорания соснового бруса при горении в свободной атмосфере: 1 - в спектральном диапазоне 3,9-5,5 мкм; 2 - базовая линия ослабления излучения; 3 - базовая линия поглощения излучения; 4 - Q-ветви
полосы поглощения С2Н4 Fig. 1. Spectrogram of Jx radiation attenuation by a deal bar combustion products at burning in free air: 1 - in spectral range of 3.9-5.5 |jm; 2 - base line of radiation attenuation; 3 - base line of radiation absorption; 4 - Q-branch of С2Н4 absorption band
Рис. 2. Иллюстрация воздействия изменений химического состава продуктов сгорания на спектры молекулярного поглощения в полосах поглощения углеводородов в спектральном диапазоне 3,2-3,6 мкм. Температура в точках забора пробы: 1 - 1200° С; 2 - 460° С; 3 - базовая линия молекулярного поглощения Fig. 2. Illustration of effect of combustion products chemical composition change on molecular absorption spectra in hydrocarbon absorption bands in spectral range of 3.2-3.6 jim. Temperature in sampling points: 1 - 1200° C; 2 - 460° C; 3 - base line of molecular absorption
На рис. 1 приведена спектрограмма поглощения для области спектра 3,9-5,5 мкм продуктов сгорания соснового бруса при температуре в точке забора пробы Т = 1260 К. Наблюдаются полосы поглощения СО2 (4,3; 4,8 мкм), СО (4,67 мкм), М20 (4,54 мкм), рН3 (4,1 мкм), р-ветви этилена (5,334 и 4,874 мкм), диффузное поглощение стирола в окрестности X = = 5 мкм, сильные линии водяного пара в области спектра X > 4,8 мкм. На рис. 2 иллюстрируется воздействие изменений химического состава продуктов сгорания на спектры молекулярного поглощения излучения в спектральном диапазоне 3,2-3,6 мкм. Температура в точках забора проб составляла 1200 и 460° С. В указанной области спектра поглощение определяется преимущественно тяжелыми углеводородами. Спектры соединения воскового ряда
(СтН2т+2) и ароматических углеводородов смещены относительно друг друга, и изменение концентраций этих соединений легко обнаруживается даже визуально. При понижении температуры наблюдается увеличение общего содержания углеводородов и ароматических углеводородов.
Разработанный измерительный комплекс функционирует на базе спектрометра ИКС-31. Однако наиболее эффективно функционирование аналитической спектрометрической лаборатории на базе фурье-спектрометра, обеспечивающего менее габаритную компоновку спектрометрического комплекса и полную автоматизацию управления измерениями и обработки спектроскопической информации с помощью ПЭВМ.
Информационное содержание спектров молекулярного поглощения
Спектральная градуировка спектрофотометриче-ской аппаратуры осуществляется по линиям атмосферных паров Н2О, СО2, СО, N0, ^0 и заключается в установлении однозначного соответствия делений барабана развертки спектра ИКС-31 с длиной волны или волновым числом. Абсолютная калибровка спектров поглощения заключается в установлении спектрального поглощения А(у) и концентрации измеряемого компонента в зависимости от длины оптической трассы измерений Ь в рабочей камере кюветы, эффективного давления Рэ и температуры Т анализируемой пробы. Она выполняется путем измерений спектров поглощения в строго контролируемых условиях по метрологически обеспеченным эталонам газовых смесей известной концентрации. Минимальная погрешность измерений концентрации компонента наблюдается при величине функции спектрального пропускания ту(С) (С - объемная концентрация) в диапазоне значений {0,4; 0,6}. Проверка линейности измерительных каналов осуществлялась в соответствии с ГОСТ 12.22.01-84 по стандартной методике при помощи ряда аттестованных нейтральных ослабителей типа НС по ГОСТ 9.41175. Пропускание последних должно пробегать ряд значений в пределах динамического диапазона измерений функции поглощения {0,1}.
Исходной информацией для проведения качественного и количественного анализа атмосферных выбросов и состава продуктов сгорания во время огневых испытаний является функция спектрального пропускания (ФСП) т^) = 1 - А (V), которая определяется из измеренных спектрограмм по формуле т(V) = J(V)/J0(V), где ./(V) - спектрограмма поглощения исследуемой пробы; /0^) - базовая линия (спектрограмма в условиях отсутствия пробы в ва-куумированной рабочей камере), А(V) - функция спектрального поглощения излучения.
В участках спектра, где спектральные линии отсутствуют (в окнах прозрачности), ФСП определяет-
ся только ослаблением излучения дисперсной фазой, и из значений т^) в окнах прозрачности определяется объемная концентрация летучего золя.
В интересах выполнения количественных анализов были проведены расчеты по теории Ми [3, 4] оптических характеристик (спектральных коэффициентов поглощения, рассеяния и индикатрисы рассеяния) дисперсной фазы продуктов сгорания топ-лив различного химического состава и микроструктуры зольного остатка, сажи и пепла, которые были использованы при выполнении количественных анализов и для определения калибровочного множителя объемной концентрации золя. Кроме этого, было выполнено моделирование переноса излучения в многоходовой рабочей камере для реальной оптической схемы и для различных длин оптических путей при многократном прохождении луча радиации между зеркалами оптической скамьи Уайта для реально наблюдаемых химических составов и микроструктур летучего золя продуктов сгорания. Как было показано в [5, 6], сажевый аэрозоль обладает определенной гигроскопичностью, которая приводит к росту коэффициента ослабления с повышением относительной влажности и увеличению вытянутости индикатрисы рассеяния. Конденсационный фактор воздействия на спектральные оптические характеристики золя и на кривые роста оптической плотности может использоваться как средство повышения чувствительности (до 10 раз) количественного анализа концентрации золя.
Используя априорную информацию о спектральной зависимости коэффициентов ослабления [3, 7] по опорным оптическим толщинам золя в окнах прозрачности, легко восстановить ФСП газовой фазы в рабочей камере для аппаратной функции спектрометра 8„:
TSv = T0v / Та (V),
(1)
где т^, - функция спектрального ослабления излучения с учетом молекулярного поглощения и ослабления излучения аэрозолем; та (V) - спектральная функция ослабления излучения аэрозолем;
TSv = П Т'SV '
(2)
где т(&, - ФСП для 1-го компонента газовой фазы.
Для получения сведений о концентрациях газовых компонентов необходимо выделить вклады тйу.
В случае высокого спектрального разрешения сложную функцию
ASv = 1 TSv
(3)
разложим на отдельные составляющие, используя метод дифференциальных моментов. С этой целью измеренные спектры подвергаются разбиению с мелким шагом 5 = А/5, где Д - спектральное разрешение
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
спектрометра. Уменьшение случайных шумов достигается процедурой сглаживания по пяти или семи точкам сплайном в виде полинома 5-й степени. Полученный в цифровом виде спектр Аподвергается разложению по индивидуальным компонентам линий методом дифференциальных моментов, согласно которому любой сложный спектр описывается следующим соотношением [3, 7-10]:
А( v) = У А
у A (v-v0 )и
/ j mn V m J
(4)
где Ат - максимум интенсивности т-го компонента; Атп - коэффициенты обобщенного контура,
gm = 1У Amn (v - vm)n .
(5)
Характеристики Атп дают полную информацию об отдельных контурах и определяются как коэффициенты разложения в ряд Тейлора некоторой функции /т(у), описывающей т-й контур:
fm (V) = -1 У Amn (V - V°Jn .
m n=0
(6)
Lm =
Д
m2 + 4 Am4 Am2
2 Am
(7)
Km (v)wt =-£n (l - Am (V));
sm =J Km (v)dv=Km ™m,
(8)
(9)
емная концентрация ингредиента '; ат = аотрэ, рэ -эффективное давление в рабочей камере; а'от - полуширина линии при стандартном давлении.
Многие молекулы слабо летучих углеводородов имеют диффузные спектры в связи с сильным перекрыванием спектральных линий поглощения. Для них, как правило, ФСП подчиняется закону Бугера, и для этих ингредиентов концентрация р,- определяется по ФСП:
, (L) = exp [-PLK
(10)
Значение Атп является максимумом амплитуды контура. Центр ут определяется из условия равенства нулю коэффициента Ат1, значение полуширины т-й линии получается из соотношения
Полученные таким образом профили восстанавливаются на влияние аппаратной функции спектрометра [2, 10].
Итак, мы имеем отдельные контуры функции Ат(у)с центрами у0т, которые отождествляются по ингредиентам на основе априорной информации по центрам их спектральных линий. Идентифицированные линии поглощения обозначим знаком '. Номера ингредиента и их центры, контуры, полуширины , К'т (у), а'т содержат информацию о концентрации ингредиента. Действительно, для лоренцевского контура
где = р;.Ь, 8'т - интенсивность т-й линии ингредиента '; К'т - коэффициент поглощения в центре линии; а'т - полуширина т-й линии компонента '; Ь -длина оптического пути в рабочей камере; р, - объ-
где К - спектральный коэффициент поглощения.
По ФСП т'8у определяются р,- и в случае использования спектрометра среднего разрешения. Их параметризация в этом случае выполняется по однопара-метрическому или двухпараметрическому методам эквивалентных масс [11]. В случае измерений при повышенных давлениях Рэ т'8у также определяется соотношением (10).
Метод абсорбционной спектроскопии был использован нами при измерениях состава продуктов сгорания путем отбора проб из лабораторных огневых моделирующих комплексов [2, 3], состава продуктов сгорания выхлопов авиационных и автомобильных двигателей, при огневых испытаниях [12] путем выполнения мониторинговых измерений в течение всего периода огневого эксперимента, состава продуктов сгорания при сжигании газового топлива, мазута и каменного угля в котельных. Во всех случаях исходной информацией для проведения качественного и количественного анализа состава продуктов сгорания топлив является ФСП т(у) , идентифицированная и разделенная по ингредиентам описанными выше способами. В качестве априорной информации использовались или экспериментальные данные по интенсивностям, полуширинам и положениям спектральных линий поглощения (излучения) для различных ингредиентов продуктов сгорания, или измеренные спектры поглощения (излучения) для точно контролируемых метрологически обеспеченных условий измерений (чистота ингредиента, давление, температура, длина оптического пути, отсутствие атмосферных помех, калибровка спектрометра по волновым числам, абсолютная калибровка по интенсивности излучения (в случае измерения эмиссионных спектров), измерение аппаратной функции спектрометра). Аппаратная функция спектрометра 8У прописывалась по изолированным линиям поглощения двухатомных, линейных трехатомных и других легких трехатомных молекул, например паров Н2О и метана СН4, при низких эффективных давлениях Рэ или по линиям излучения лазеров.
При известной аппаратной функции 8У спектрометра ФСП вычислялись методом численного
интегрирования [13] по параметрам спектральных линий, измеренным предварительно с помощью спектрометрических комплексов высокого спектрального разрешения [1, 2, 11], по формуле
т§у =/5у йу'< (Рэ, Т, Ь, р,.)8(у - V'), (11)
где т V (рэ, Т, Ь, р,) - ФСП ,-го газового ингредиента для монохроматического излучения при эффективном давлении Рэ, длине оптического пути Ь, температуре Т, парциальном давлении Р,, -го ингредиента в рабочей камере определяются соотношением
= exp
т '„ (Рэ, T, L, p) =
A (T )bj (Р, Рэ jj, T, V j, V) PL
. (12)
В (12) £у, Ь у, V ^ - интенсивность, контур и центр
_/-ой линии ,-го компонента. Температурная зависимость интенсивностей и лоренцевских полуширин вычислялись по формуле
Sj (T) = Sj (T0)
Q*,(Qo)Qr, (T0) Qb (TQ (T)
exp
(T - To)
^T
TT 0
(13)
где Qr, - вращательная и колебательная стати-
т-т //
стические суммы; Л,' - энергия нижнего состояния.
Для невысоких температур, реализующихся в рабочей камере,
Qr (To)/ Qr(T) = (To/ t )n
(14)
где n2 = 1 - для СО2, N2O, CO, NO, HCl, HF, O2; n2 = = 1,5 - для паров H2O, O3, CH4, NO2, SO2, NH3, PH3 и др.
Детальная схема вычислений ФСП xgv с учетом большого числа наблюдаемых спектральных линий рассмотрена в [12].
Использование метода численного моделирования для получения априорной информации по функциям Tgv при точно известной исходной информации по параметрам спектральных линий обладает тем преимуществом, что они могут быть вычислены для любых реализующихся условий эксперимента и с погрешностью расчетных значений x'gv не более 1%. Такой высокой точности значений xgv не удается достигнуть при измерениях xgv, где погрешность измерений xgv в лучшем случае составляет 2-3%.
В связи с тем, что погрешность определения концентраций различных компонентов продуктов сгорания топлив зависит от перекрывания спектров поглощения различных ингредиентов, для каждого компонента были выбраны оптимальные спектральные каналы измерений и сделаны оценки погрешности восстановления ингредиентного состава продуктов сгорания на описанном измерительном комплек-
се. Предпочтительнее использовать оптические каналы измерений, в которых перекрывание спектров малых компонентов спектральными линиями поглощения основными оптически активными компонентами продуктов сгорания H2O и СО2 минимально. Наиболее информативными являются центры сильных спектральных линий, Q-ветви полос поглощения различных ингредиентов, канты полос поглощения для двухатомных и линейных молекул (СО, NO, HCl, HF, CO2, N2O). Например, концентрацию аммиака NH3 предпочтительнее определять в Q-ветвях на длинах волн 10,3 и 10,6 мкм. Высокую точность измерений концентрации СО2 можно получить по поглощению излучения за границей канта основной полосы v3. Фосфат РН3 предпочтительнее определять по линиям поглощения окна прозрачности паров H2O и СО2 в окрестности длин волн 3,64,1 мкм. Достаточно трудоемка идентификация углеводородов, полосы поглощения различных ингредиентов которых сильно перекрываются. Летучие углеводороды CH4, C2H2, C2H4, C3H8 идентифицировать достаточно легко по положению полос поглощения и специфической спектральной структуре, в то время как слаболетучие углеводороды имеют слабо выраженные отличия в спектральной структуре и их идентификация требует кропотливого анализа полного колебательно-вращательного и электронных спектров. Так, соединения воскового ряда СН3-СН2... СН2-СН3 всегда имеют полосы с частотами 820-840 см-1, 880 см-1, 900 см-1, 1040 см-1, 10651080 см-1, 1140 см-1, 1305 см-1. Наличие всех этих полос свидетельствует об их принадлежности к соединениям воскового ряда. Если хотя бы одна из названных полос отсутствует, то это означает отсутствие соединений воскового ряда в анализируемом образце. Полосу поглощения 2900 см-1 имеют почти все углеводороды, и ее используют для определения общего содержания углеводородов в анализируемой пробе. Полоса 3 мкм принадлежит ацетилену С2Н2. Этилен С2Н4 имеет полосы 729, 1328, 1974 и 2215 см-1. Этан С2Н6 легко идентифицировать по полосам 821, 1486, 2900 см-1. Пропан С3Н8 следует идентифицировать по полосам 1380, 1350, 1165, 960 и 760 см-1.
Измерение концентрации двуокиси серы SO2 производится по электронным спектрам и по поглощению излучения в полосах v1 = 1151 см-1 с интегральной интенсивностью Sn = 78,4 атм-1см-2 и полосе v1 + v3 = 2499,6 см-1 с Sn = 10,5 атм-1см-2, в то время как соединение OCS определяется по полосе v3 = = 2062 см-1 с интегральной интенсивностью Sn = = 2630 атм-1см-2. Перекись азота NO2 идентифицируется по электронному спектру, полосе V3 с центром 1621 см-1 и полосе (v3 + V1), расположенной в окрестности длины волны X = 3,44 мкм, в то время как концентрация окиси азота NO измеряется по интенсивности Q-ветви основной полосы 5,3 мкм. Концентрация окиси углерода СО определяется по поглощению излучения в основной полосе 4,7 мкм.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Дополнительную информацию по качественному и количественному составу продуктов сгорания топ-лив содержат ультрафиолетовые спектры поглощения окислов азота, серы и углеводородов, которые измерены нами с высшим спектральным разрешением [5, 6, 11, 13]. Для контроля наличия фреонов в продуктах сгорания и отходящих газах использовались результаты измерений [3]. Наиболее приемлемыми оптическими каналами контроля наличия фре-онов в отходящих газах и технологических средах являются полосы 9,13 и 10,93 мкм - для СС№2; 9,22 и 11,82 мкм - для СОТ3; 9,85 и 13,06 мкм для СРС13; 12,9 мкм - для СС14.
Предельная чувствительность определения концентрации различных ингредиентов зависит не только от длины оптического пути рабочей камеры, но и от спектрального разрешения измерительного комплекса. Для легких молекул двухатомных и линейных молекул путем повышения спектрального разрешения можно в несколько раз увеличить предельную чувствительность обнаружения ингредиента за счет улучшения спектральной фильтрации ингредиента и глубины поглощения излучения в центрах линий.
Результаты определения качественного и количественного состава продуктов сгорания при огневых испытаниях
Описанные в предшествующем разделе методики определения концентраций из абсорбционных спектров предварительно отобранных проб с использованием разработанного экспериментального образца аналитической лаборатории были успешно опробованы при огневых испытаниях на лабораторных высокотемпературных комплексах [1, 2, 13], при огневых испытаниях фрагмента здания ПЛАСТБАУ, при определении химического состава некоторых технологических сред производства, при определении ин-гредиентного состава продуктов сгорания автотранспорта, продуктов сгорания мазута и газообразных углеводородов. При этом использована обширная информация по спектрам высокого и среднего разрешения, полученная из экспериментальных исследований [1-3, 5, 6, 12, 13, 14]. Концентрация паров Н2О и СО2 в смесях с кислородом и азотом варьировалась от 11 ррт до 40%, концентрации углеводородов варьировались в широких пределах. Установлено, что предельная чувствительность измерительного устройства по объемной концентрации для различных ингредиентов варьируется от 0,3 ррт до 10 ррт в зависимости от ингредиента и содержания паров воды в анализируемых смесях. Верхний предел по концентрации ингредиента не лимитируется, так как методика измерений ингредиентного состава предусматривает разбавление пробы за счет введения в пробу оптически неактивных газов (например, О2).
Ошибки определения концентрации ингредиента зависят от погрешности измерений эталонных спек-
тров и химического состава измеряемых проб. Если не используются средства математической обработки измеренных спектров, то погрешность измерений варьируется в диапазоне 7-15% в зависимости от химического состава среды. Максимальные ошибки измерений концентрации ингредиентов наблюдаются при высоких концентрациях водяного пара. Специальная математическая обработка измеренных спектров, заключающаяся в уменьшении шумов за счет их представления в виде сплайнов, позволяет уменьшить ошибки измерений концентраций до 25%. Уменьшение ошибок может быть достигнуто за счет многократного сканирования спектров и накопления результатов и вычисления средних значений с помощью ПВМ. В случае использования фурье-спектрометра для регистрации спектрограммы поглощения математической обработке могут подвергаться интерферограммы измеряемых спектров.
1,0
0[—N . /,—,—,—,—,—,—,—,—,—,—,——i_A—.—i— 1270 1274 1270 1202 1236 .1290
V, СМ"1
Рис. 3. Спектр высокого разрешения в основной полосе 7,6 мкм СН4
Fig. 3. High resolution spectrum in СН4 main band of 7.6 |jm
Рис. 4. Спектрограмма поглощения газовой фазы продуктов сгорания автомобильного двигателя в области спектра 4-5 мкм Fig. 4. Spectrogram of gas phase absorption of combustion products of automobile engine in spectrum range of 4-5 jim
На рис. 3 иллюстрируется ФСП метана высокого спектрального разрешения в диапазоне спектра 12501290 см-1.
На рис. 4 приведен пример регистрограммы поглощения в области спектра 4-5 мкм газовой фазы продуктов сгорания автомобильного двигателя при использовании в качестве топлива бензина. В спек-
трах легко идентифицируются полосы поглощения СО2, СО, N20. При проведении испытаний двигателя автомобиля ЗИЛ-31 по результатам трех измерений в спектральной области 2,5-15 мкм получен следующий состав выхлопных газов с объемной концентрацией С: С(СО2) = 3,2%, С(СО) = 2,1%, С(СиИт) = 0,21%, С^И) = 0,45%, С(С2И4) = 0,11%, С(СзИ8) = 0,38%, С(Ш) = 0,16%, С(0С8) = 8,1 ррт, С(802) = 93 ррт, С(Ш2) = 16 ррт, С(^0) = 11 ррт, С(ИСК) = 3 ррт, С(3,4-бензпирен) = 0,45 ррт.
Выполненные измерения состава продуктов сгорания мазута котельной дали следующие результаты: С(СО2) = 8,3%, С(СО) = 0,11%, С(СпИт) = 0,23%, С(И2О) = 9%, С(золя) = 1 г/м3, С(СИ4) = 110 ррт, ССад = 4,5 ррт, ЦС2И2) = 34 ррт, ЦС2И4) = 30 ррт, С(С2Иб) = 10 ррт, С(СэИб) = 45 ррт, С(СИэОН) = = 110 ррт, С(С2И4О) = 20 ррт, С(С4Иб) = 29 ррт, С(С4ИэО) = 15 ррт, С(СэИбО) = 65 ррт, С(802) = = 0,098%, С(Ш) = 120 ррт, С(3,4-бензпирен) = = 37 ррт, С(СбИ5ОН) = 95 ррт, С(НШэ) = 20 ррт, С(РН3) = 25 ррт.
В огневых испытаниях [13] в качестве топлива использовался сосновый брус, отбор проб осуществлялся по трем пробозаборным линиям с регистрацией поля температуры в окрестности мест пробозабо-ра. Был осуществлен мониторинг ингредиентного состава продуктов сгорания с момента загорания до конца сгорания топлива. Температура в точках забора проб варьировалась от 1200 до 100° С в условиях горения соснового бруса в свободной атмосфере. По измерениям абсорбционных спектров получены данные по концентрациям 34 газовых ингредиентов и концентрации сажи. Большинство ингредиентов представляет собой соединения летучих, слаболетучих и нелетучих углеводородов. В условиях относительно невысоких температур горения наблюдаются очень низкие концентрации метана и очень высокие концентрации тяжелых углеводородов (преимущественно соединений воскового ряда, спиртов (фенолов), ароматических углеводородов). Концентрация золя в продуктах сгорания изменялась от 0,2 до 1,8 г/м3, концентрация С(СИ4) варьировалась в диапазоне 38110 ррт, в то время как концентрация тяжелых углеводородов изменялась от 300 до 1000 ррт. Концентрация бензапирена изменялась в диапазоне 0,150,42 ррт в зависимости от условий горения.
В огневых экспериментах [13] в продуктах сгорания не был обнаружен N0^ Обусловлено это тем обстоятельством, что N02 при невысоких температурах в продуктах сгорания вступает в реакции замещения с углеводородами и растворяется в парах И2О с образованием паров азотной кислоты. Среди ароматических углеводородов наибольшие концентрации наблюдаются для соединений СбИ6, СбИ6О, С<5И5(СН3), С6И4(СН3)2, стирола и бензальдегида, суммарные концентрации которых варьируются в диапазоне 85-580 ррт. Наиболее высокие концентрации этих соединений наблюдаются в более холодных зонах пробозабо-ра. В высокотемпературных пламенах с температурой
выше 2000 К при сжигании углеводородов концентрации этих компонентов не превосходят 10-30 ppm [15]. Последнее свидетельствует об отрицательной корреляции концентрации ароматических соединений в отходящих газах с температурой в пламенах.
При выбросах в атмосферу тяжелые углеводороды либо растворяются в водяных парах, либо образуют тонкодисперсную фракцию аэрозоля, являясь центрами конденсации влаги. Экспериментально было обнаружено, что с увеличением влажности по-глощательные свойства органического аэрозоля усиливаются с ростом давления паров Н2О [15]. В связи с этим органический аэрозоль может играть заметную роль в механизме парникового эффекта земной атмосферы.
Концентрация СО была наиболее высокой в первые минуты после возгорания в очаге горения и составляла 364 ppm. Диапазон изменений концентраций СО составлял 30-364 ppm. Максимальная концентрация CH4 наблюдалась при максимальной температуре пламени Т = 1500 К и составляла 110 ppm. Диапазон изменений концентраций С(СН4) = 20-110 ppm. Максимальная концентрация окиси азота составляла в пламени 132 ppm, минимальная концентрация Cmin(NO) = 64 ppm. Концентрация C(N2O) = 4-7 ppm. Концентрация паров азотной кислоты HNO3 в продуктах сгорания составляла 20-25 ppm и отвечала тождественному значению концентрации NO2 в пламенах. Данные лабораторных испытаний на пламенных измерительных комплексах [1, 2] показали, что концентрация NO в пламенах соответствует значениям 100-150 ppm. Наиболее высокие концентрации NO наблюдаются в продуктах сгорания каменных углей. Концентрация NO для них варьируется в широких пределах и может достигать значения 1200 ppm. Наиболее высокие концентрации NO2 наблюдаются в пламенах при сгорании газового топлива, что обусловлено высокими значениями температуры пламен. Концентрация OCS во всех случаях не превышает 3 ppm. Время забора проб указано в табл. 1.
Таблица1
Время забора проб
Table 1
Time of sampling
№ п/п Номер пробы Время забора № п/п номер пробы Время забора
1 1.1 12 ч 57 мин 9 2.2 13 ч 10 мин
2 1.2 12 ч 59 мин 10 2.3 13 ч 24 мин
3 1.3 13 ч 11 мин 11 2.4 13 ч 53 мин
4 1.4 13 ч 16 мин 12 3.1 13 ч 02 мин
5 1.5 13 ч 40 мин 13 3.2 13 ч 24 мин
6 1.6 13 ч 51 мин 14 3.3 13 ч 39 мин
7 1.7 14 ч 09 мин 15 3.4 13 ч 55 мин
8 2.1 13 ч 03 мин
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
На рис. 5 приведены некоторые сведения по ин-гредиентному составу продуктов сгорания соснового бруса для локальных мест пробоотбора с максимальными температурами 1200° С (линия 1), 800° С (линия 2), 400° С (линия 3).
Линия 1
Линия 2 Линия 3
234567 89 101112 Номер пробы a
131415
Линия 1
Линия 2
Линия 3
Е 140
Q. Q. 120
к (0 СО ? X 100 80
Q. 1- 0) s 60
X & 3 Q. 40
X о X 20
s 0
9 10 11 12 13 14 15
-Бензопирен
-сдо
-NO,
— С;Нг
—'СА
-*-N„0
Номер пробы
— PR
—неон
-¿-NO
b
Линия 1
Линия 2
Линия 3
131415
— С(Н6 -
6 7 8 9 10 11 12 Номер пробы
- Циклолентадиен — С6Н,СНа —Стирол — Бензальдегад
СО -*- СН —СИ,ОН -и-СД
c
Рис. 5. Временные вариации концентраций ингредиентов
в продуктах сгорания соснового бруса Fig. 5. Time variations of ingredients concentrations in deal bar combustion products
Результаты экспериментально-теоретического определения микроструктуры сажевого золя
нами моделированию представляется суперпозицией отдельных фракций, микроструктура Щг) которой определяется соотношением [3]:
N N
N (г) = X N (г) = X А/»1 ехр \-Ъг с \ , (15)
/=1 /=1
где А, а, Ъ , с / - параметры /-й фракции, N - число фракций. Как и в [3], решения по восстановленным спектральным коэффициентам ослабления и поглощения излучения золем будем представлять с их нормировкой на длину волны X = 0,55 мкм, а массовое содержание золя на оптическом пути будем выражать через оптическую толщину |- 1п т|, где т -
ФСП на длине волны X = 0,55 мкм. Суть задачи восстановления микроструктуры золя заключается в определении весовых функций N(1'), которые наилучшим образом опишут спектральную зависимость измеренных коэффициентов поглощения и ослабления излучения золем (рис. 6).
Рис. 6. Пример построения модели микроструктурных характеристик 9N/9r (кривая 6) сажевого золя в виде суперпозиции определенным образом взвешенных мод (кривые 1, 2, 3, 4, 5) Fig. 6. Example of model construction of microstructure characteristics 9N/9r (curve 6) of carbon-black sol in the form of superposition of specially weighted modes (curves 1, 2, 3, 4, 5)
Восстановление микроструктуры золя из данных спектральных измерений эмиссии излучения пламени и ослабления излучения пламенем является обратной задачей дистанционного зондирования и требует для своего решения сведений по спектральным зависимостям оптических характеристик золя от распределения частиц по размерам. Золь продуктов сгорания является полидисперсным и по выбранному
Следует отметить, что пламена образуют сильно поглощающую газовую среду, так что длины волн для решения обратной задачи следует выбирать таким образом, чтобы эмиссия газов в них была минимальной. Включение в обработку длин волн с X > 4,2 мкм только увеличивает ошибки восстановления микроструктуры золя. Опыт восстановления микроструктуры сажевого золя показал, что в пламенах присут-
ствует тонкодисперсный сажевый первичный золь, который генерируется из газовой фазы продуктов сгорания [14] в результате ионной нуклеации, микроструктура и оптическая плотность которого сильно зависят от химического состава газового топлива. Наиболее вероятный модальный радиус частиц этой фракции золя гт = 0,003 мкм получен при сжигании метана в воздухе и в кислороде. Математическое ожидание оптической плотности дт/дЬ = 0,099 м-1. При сжигании пропан-бутана в воздухе наблюдается увеличение оптической плотности, так что дт/дЬ = = 0,2 м- . Наиболее высокие значения дт/дЬ = 0, 4 м-1 наблюдаются в пламенах при сжигании ацетилена С2И2, когда микроструктура сажевого слоя является наиболее грубодисперсной. При сжигании С2И2 наблюдается и более высокое значение недогорания топлива.
Восстановление микроструктуры сажевого золя по спектральной зависимости коэффициентов эмиссии и ослабления излучения пламенем требует включения в рассмотрение длин волн в ультрафиолетовой части спектра, видимого и ближнего ИК диапазонов. Для определения микроструктуры гигантских частиц минеральной фракции золя требуется дополнительная информация по индикатрисе рассеяния излучения пламенами. Минеральный золь в пламенах присутствует в жидкой фазе, комплексный показатель преломления которой остается неизвестным, что затрудняет получение матриц рассеяния излучения с целью их дальнейшего использования при определении микроструктуры минерального золя в пламенах. Важно помнить, что минеральный золь в пламенах и газоходах котельных установок обогащен углеродом (сажей) и его радиационные свойства сильно зависят от тонкости дробления твердого топлива. Чем тоньше тонина дробления, тем более высокие объемные коэффициенты поглощения (эмиссии) имеет дисперсная фаза продуктов сгорания. По мере выгорания частиц твердого топлива уменьшается их размер и увеличивается удельная плотность частиц, что приводит к уменьшению их излучательной способности. Однако в результате лопания капель в процессе их дегазации генерируется более мелкодисперсная мода минерального золя с модальным радиусом гт ~ 0,3-1 мкм, усиливающая излучательную способность продуктов сгорания в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Оптические характеристики некоторого эквивалентного ансамбля сферических частиц определяются комплексным показателем преломления п = т - /х, где т и х - его действительная и мнимая части, которые для многокомпонентного химического состава частиц описываются соотношением [3]:
X mP' X xp'
где p, - массовая концентрация соединения ' в частице. Суммирование распространяется на все соединения, входящие в состав частицы, в том числе и воздуха для рыхлых частиц, а также влаги при учете воздействия конденсационных процессов на оптические характеристики дисперсной фазы в атмосфере. В табл. 2 приведены параметры моделей микроструктуры частиц, использованных в качестве априорной информации при восстановлении микроструктуры дисперсной фазы продуктов сгорания.
Таблица 2
Параметры моделей микроструктуры частиц модифицированных гамма-распределений
Table 2
Parameters of models of particles microstructure of modified gamma distributions
№ п/п а b с Гт, мкм
1 1 50 0,5 1,610-3
2 0,2 6 0,5 4,4-10-3
3 1 9 0,5 4,910-2
4 1 7,5 0,5 9,010-2
5 2 12 0,5 8,910-2
6 1,5 6 1 2,5-10-1
7 0,1 0,5 2 0,3
8 1 1 2 0,3
9 3 6 0,5 1,0
10 3 4 0,5 2,25
XP'
x = -
Xp,
(16)
Для определения микроструктуры сажевого золя в пламенах необходимо восстановить сначала его спектральную оптическую плотность. Для этого вычисляется ФСП газовых компонентов продуктов сгорания для выбранных оптических каналов зондирования (оптимальных для зондирования длин волн) и их вклад в спектральную интенсивность излучения пламени. Далее определяется функция спектрального ослабления излучения золем и ФСП золя таш, обусловленная только поглощением излучения. По измеренным спектральным функциям ослабления излучения та и спектральной излучательной способности золя (1 -Т,) определяем затем спектральные коэффициенты ослабления ста и поглощения ст(эмиссии) золя. Восстановленные спектры ст0 и ст0, служат для определения микроструктуры золя путем оптимальной подгонки под спектральные зависимости ст0 и ст0,. В табл. 3 приведены измеренные спектры ст0 и ст0, для метан-кислородного, пропан-бутан-кислородного и ацетилен-воздушного пламен. Восстановленные распределения микроструктуры сажевого слоя в рассмотренных пламенах представлены в
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
m=
V=4-
-nr
3 —dr , dr
(17)
табл. 4. Результаты настоящих измерений микроструктуры сажевого золя использованы в расчетах оптических характеристик, включая спектральные коэффициенты ослабления, рассеяния, поглощения и индикатрисы рассеяния [5, 6], в радиационном теплообмене и задачах дистанционного зондирования.
Сажевый золь в продуктах сгорания определяет недогорание топлива и снижает тепловой КПД.
По микроструктуре сажевого золя возможно определить объем частиц золя:
Восстановленная спектральная оптическая плотность сажевого золя ст° и а ^ для метан-кислородного (А), пропан-бутан-кислородного (B) и ацетилен-воздушного (C) пламен
Table 3
Restored spectral optical density of carbon-black sol а° and аa>a for methane-oxygen (A), propane-butane-oxygen (B), and acetylene-air (C) flames
где А - нормированный множитель, который определяется по оптической плотности дт/дЬ на длине волны X = 0,55 мкм. Зная плотность сажевого золя р, можно определить химическое недогорание топлива рсУ.
Таблица 3
Тип пламени Спектральные коэффициенты ослабления и поглощения, м-1 X, мкм
0,287 0,304 0,338 0,55 0,82 1,08 2,62 4,15 9,1
А ^а 0,161 0,154 0,144 0,099 0,072 0,058 0,029 0,019 0,008
°Аа 0,105 0,099 0,092 0,065 0,049 0,041 0,022 0,015 0,007
B 0,234 0,230 0,225 0,204 0,174 0,164 0,103 0,082 0,044
°Аа 0,126 0,126 0,120 0,115 0,098 0,091 0,065 0,052 0,031
C 0,385 0,398 0,405 0,400 0,380 0,372 0,271 0,225 0,156
a °Ла 0,190 0,197 0,208 0,210 0,200 0,196 0,158 0,135 0,096
Таблица 4
Восстановленные распределения микроструктуры сажевого золя в метан-кислородном (А), пропан-бутан-кислородном (B) и ацитилен-воздушном (C) пламенах
Table 4
Restored distributions of carbon-black sol microstructure in methane-oxygen (A), propane-butane-oxygen (B), and acetylene-air (C) flames
r, мкм dN/dr r, мкм dN/dr
А B C B C
0,001 7-105 1105 0,15 5-101 2-103
0,002 1,1106 3-105 0,2 1101 7-102
0,003 1106 5-105 0,3 2-100 1,6102
0,004 9105 6105 1103 0,4 810-1 4,0-101
0,006 8105 6,5105 2-103 0,6 310-1 1,5-10'
0,008 6105 6105 3-103 0,8 110-1 6
0,01 4106 5-105 5-103 1 3-10-2 2
0,015 8105 3-105 1104 1,5 0,6
0,02 1104 1105 1,3-104 2 0,2
0,03 1103 1,6104 2-104 3 0,06
0,04 1102 3-103 1,3-104 4 0,02
0,06 1101 1103 8-103 6 0,01
0,08 1-10° 6102 5-103 8 0,003
0,1 0,1 1,5-102 3-103 10 0,001
15 0,0001
Концентрация сажевого золя в продуктах сгорания сильно зависит от состава и режима горения газового топлива, изменяется в диапазоне величин 4Т0-7-2,6Т0-4 г/м3. Минимальная концентрация са-
жевого золя наблюдается в метан-кислородном пламени при коэффициенте избытка кислорода а = 1,03. Максимальная концентрация сажи измерена для ацетилен-воздушного пламени.
Полученные сведения по микроструктуре золя для различных пламен использованы для расчетов матриц светорассеяния и спектральных зависимостей коэффициентов ослабления, поглощения и рассеяния, индикатрис рассеяния по спектру длин волн с последующим их использованием в расчетах радиационного теплообмена в камерах сгорания котлов и энерготехнологических агрегатов [14] и в антропогенно возмущенной атмосфере. Нормировку оптических характеристик сажевого золя желательно выполнять с привязкой на оптическую плотность дт/дЬ на длине волны X = 0,55 мкм, что позволяет использовать измеренные значения, полученные в настоящей работе, при расчетах радиационного теплообмена в проектируемых объектах. При этом можно полагать, что горение различных ингредиентов топлива происходит независимо [14]. Вес каждой микроструктуры в оптической плотности сажевого золя определяется долей каждого компонента в массе сжигаемого топлива. Методика и алгоритмы моделирования радиационного теплообмена рассмотрены в [16].
Микроструктура сажевого золя при движении продуктов сгорания изменяется в связи с выгоранием его тонкодисперсной фракции и захватом мелких частиц сажи крупными частицами в процессе коагуляции. Эти эффекты можно учесть путем изменения веса оптической плотности различных фракций сажевого золя по объему топки [14].
Достоверную информацию по концентрации и микроструктуре золя можно также получить путем анализа отобранных проб продуктов сгорания при более низких температурах с использованием подогреваемой многоходовой кюветы в качестве рабочей камеры [7, 9]. Спектральная зависимость ослабления излучения несет информацию о микроструктуре золя и, следовательно, о его массовой концентрации.
Знание распределения массовой концентрации и полей температур дисперсной фазы имеет большое значение при оптимизации и интенсификации теплообмена в топочных устройствах при сжигании угля и мазута.
Список литературы
1. Москаленко Н.И., Мирумянц С.О., Семенцов С.Н., Садыков Р.С. Спектральная установка для исследования характеристик молекулярного поглощения в высокотемпературных средах // ЖПС. 1980. Т. 32, № 2. С. 377-382.
2. Москаленко Н.И., Ильин Ю.А., Каюмова Г.В. Измерительный комплекс высокого спектрального разрешения для исследований пламени // ЖПС. 1992. Т. 56, № 1. С. 122-127.
3. Москаленко Н.И. Результаты комплексных исследований характеристик молекулярного поглощения атмосферными газами и их применимость в задачах дистанционного зондирования. Тез. докл. XI Всесоюзн. совещ. по актинометрии. Ч. 6. Таллин, 1980. С. 94-101.
4. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Скворцова С.Я., Федоров Ю.И., Якупова Ф.С., Гусев С.В. Модели-
рование оптических характеристик сажевого аэрозоля // ДАН СССР. 1987. Т. 296, № 2. С. 314-317.
5. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Ключевые проблемы исследований планет солнечной системы (Парниковый эффект атмосферы). М.: Итоги науки и техники. Исслед. космич. простр., 1983. Т. 19.
6. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Парниковый эффект атмосферы и климат // Итоги науки и техники. Метеорология и климатология. 1984. Т. 12. С. 52
7. Москаленко Н.И., Сафиуллина Я.С. Ингредиент-ный состав продуктов сгорания энергетических топлив и продуктов промышленных производств // Н.-т. Сб. «Проблемы энерго- и ресурсосбережения». Саратов: Изд-во СГТУ, 2009. С. 91-98.
8. Москаленко Н.И., Сафиуллина Я.С. Определение ингредиентного состава продуктов сгорания методом тонкоструктурной спектрометрии // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. Казань. 2006. Ч. 1. C. 261-264.
9. Москаленко Н.И., Сафиуллина Я.С., Садыкова М. С. Моделирование антропогенных воздействий на климат / Техника и технологии в XXI веке: современное состояние и перспективы развития: монография. Кн. 4. Новосибирск: ЦРНС, 2009. С. 155-184.
10. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Тепловое излучение планет. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
11. Москаленко Н.И., Чесноков С.В. Тонкая параметризация радиационных характеристик газовых компонентов продуктов сгорания углеводородных топлив // Проблемы энергетики. 2002. № 1-2. С. 10-19.
12. Москаленко Н.И., Сафиуллина Я.С. Применение метода тонкоструктурной спектрометрии для определения ингредиентного состава продуктов сгорания топлив // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. Казань. 2009. № 11-12. С.22-32.
13. Москаленко Н.И., Аверьянова А.В., Мирумянц С.О., Зотов О.В., Ильин Ю.А. Аппаратура для комплексных исследований характеристик молекулярного поглощения радиации атмосферными газами // ЖПС. 1973. Т. 19, № 4. С. 752-756.
14. Москаленко Н.И., Зарипов А.В., Загидуллин Р.А. Спектры эмиссии и радиационный теплообмен в высокотемпературных средах, пламенах и топочных камерах / Техника и технология в XXI веке: Современное состояние и перспективы развития. Новосибирск: ЦРНС, 2009. С. 48-88.
15. Москаленко Н.И., Локтев Н.Ф. Численное моделирование в задачах дистанционной диагностики продуктов сгорания топлив и технологических сред / Техника и технология в XXI веке: Современное состояние и перспективы развития. Новосибирск: ЦРНС, 2009. С.13-47.
16. Москаленко Н.И., Локтев Н.Ф. Математическая модель переноса излучения и радиационного теплообмена в высокотемпературных двухфазных средах // Сб. науч. Трудов школы-семинара «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». Казань: Изд. КГУ, 2008. С. 215-219.
17. Илемков М. В., Москаленко Н. И. Модели радиационных характеристик сажевого золя / Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы: Мат. докл. Межд. науч.-тех. конф. Казань: КГЭУ, 2008. Кн. 4. С. 215-220.
ГхГЪ
— TATA —
оо
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
