氨气共燃对生物质非灰辐射特性的光谱调控机制及高精度测温方法研究

本研究针对生物质-氨气共燃过程中非灰辐射特性复杂、温度监测精度不足的难题，通过同步光谱学与RGB高温计联用技术，首次量化了NH3浓度对稻壳颗粒挥发分/焦炭燃烧阶段光谱发射率ε(λ)的差异化影响，建立了基于εg/εr动态修正的测温模型，为碳中和能源系统的优化控制提供了关键数据与方法支撑。

　　

随着全球能源结构向低碳化转型，生物质与氨气（NH₃）共燃技术因其碳中和技术路线优势备受关注。然而，这种混合燃烧体系存在两大核心难题：一方面，生物质燃烧固有的非灰辐射特性（即光谱发射率ε(λ)随波长剧烈变化）导致传统测温方法误差显著；另一方面，NH₃的加入会通过改变火焰化学环境和颗粒特性，进一步干扰辐射传输过程。更棘手的是，现有研究对NH₃如何影响生物质不同燃烧阶段（挥发分燃烧与焦炭燃烧）的辐射特性缺乏定量认知，这使得燃烧诊断、热负荷预测和系统优化都面临"盲人摸象"的困境。

华北电力大学（North China Electric Power University）的研究团队在《Fuel Communications》发表的最新研究中，创新性地将高分辨率光谱仪与CMOS相机联用，首次揭示了NH₃浓度对稻壳颗粒燃烧全过程辐射特性的调控规律。研究人员设计了一套"光谱引导成像测温系统"，通过黑体炉校准获取仪器响应系数，在400-700 nm可见光谱范围内同步采集燃烧颗粒的光谱信号和RGB图像数据。采用二阶多项式拟合ε(λ)曲线，结合两波长测温算法，实现了对传统RGB高温计的系统误差修正。

研究首先通过背景光谱分析排除了NH₃气相辐射的干扰（<1073 K时NH₂*化学发光可忽略）。关键发现显示：在挥发分燃烧阶段，NH₃使ε(λ)整体降低50%以上（ε<0.16），且呈现随波长递减的典型烟灰辐射特征；而在焦炭燃烧阶段，ε(λ)升高至0.35-0.75并随波长递增，表现出非灰固体辐射特性。更值得注意的是，决定RGB测温精度的关键参数ε_g/ε_r（530/600 nm发射率比）在两种燃烧阶段呈现截然相反的响应——挥发分阶段比值>1且随NH₃浓度增加，焦炭阶段比值<1且随浓度降低。这种相变依赖特性直接导致传统测温方法在20% NH₃掺混时产生超过8%的温度高估。

通过建立ε(λ)动态修正模型，研究团队成功将测温误差控制在2%以内。该方法不仅解决了非灰辐射导致的系统偏差，还揭示了NH₃抑制烟灰生成的微观机制：NH₃分解消耗H自由基，阻碍了HACA（氢提取-碳加成）反应路径，使烟灰颗粒平均直径减小，从而改变其光谱特性。在工程应用层面，该研究为生物质-氨气混燃锅炉的在线监测提供了可靠工具，其量化数据可直接用于CFD模型验证，对实现碳减排目标下的燃烧系统精准调控具有重要价值。

这项工作的突破性在于：首次建立了NH₃浓度-辐射特性-测温精度的定量关系图谱，将传统上被视为干扰因素的NH₃辐射效应转化为可建模的物理参数。未来研究可进一步拓展至不同生物质燃料体系，并探索多光谱融合技术在复杂燃烧场诊断中的深化应用。