2.2.4 其他燃料火焰光谱特性分析
为提取分析油料池火焰的红外光谱特征，对酒精（乙醇含量99%）、纸张、蜂窝煤及木柴的火焰光谱进行了测试分析。蜂窝煤的火焰光谱如图2.22所示。
图2.22 蜂窝煤火焰光谱
蜂窝煤的火焰光谱与各油料池火焰光谱相比差异明显，曲线为连续光谱，在4.0～4.5μm范围内存在较强的一谷两峰的特征，且两峰的相对强度几乎相等；4.25μm处CO2吸收特征明显；在2.5～2.8μm范围内存在H2O吸收带，3.3μm处存在吸收峰。
蜂窝煤主要由一种或几种煤粉在外界压力及黏合剂的作用下加工成的具有特定形状的煤炭制品。蜂窝煤燃烧是固体可燃物燃烧反应过程，与油料这种液体燃料燃烧机理不同。煤包括挥发分、固定碳、灰分及水分四个主要成分，其中固定碳及挥发分是煤燃烧的主要成分。煤的燃烧过程同样复杂，目前未有详细统一的关于煤燃烧化学反应动力学，煤的起火过程常被看作氧化剂与煤的连续反应过程。早期研究认为，煤燃烧首先是裂解出挥发分，挥发分在高温环境下与氧气发生燃烧反应，产生的高温不断对煤本身加热，当煤中的焦炭达到着火温度后开始持续燃烧。但也有研究表明，煤燃烧时可产生非均相燃烧，挥发分的燃烧与焦炭的燃烧并不孤立。随着燃烧反应的进行，煤燃烧过的残渣固体不再分解出挥发分，固体残渣主要包括煤粉颗粒、焦炭粒子及炭黑等，这些物质在高温环境下都会发射连续光谱，在蜂窝煤火焰光谱中起主导作用。本测试系统得到的煤火焰光谱为整块燃煤火焰及高温固体残渣组成的混合光谱。
酒精火焰光谱测试结果如图2.23所示。通过图2.23可以看出，酒精火焰光谱与各油料池火焰光谱之间也存在较大差异。与酒精火焰光谱相比，在1.0～1.5μm的波段范围内，油料池火焰光谱在1.2μm附近存在一个H2O发射峰，而酒精在1.2μm及1.47μm附近存在两个发射峰；在2.5～3.0μm波段范围内油料池火焰光谱存在4个发射峰，而酒精只存在3个发射峰，在该波段范围内大气中的H2O对酒精火焰光谱辐射强度吸收更强烈；酒精属于低碳燃料，燃烧没有产生大量的浓烟，在3.0～4.0μm波段范围内发射强度较低，在2.8～3.3μm及3.4～4.1μm波段范围内存在较强的吸收带。酒精主要由乙醇组成，但其燃烧反应过程也较为复杂，包含383个基元反应。汽油组成成分比酒精更复杂，同为液体燃料，汽油与酒精火焰光谱的差异主要是燃料化学组成及燃烧反应机理不同决定的。
图2.23 酒精火焰光谱
木柴火焰光谱如图2.24所示。木柴火焰光谱的特征主要体现在4.5μm附近的CO2发射峰，与各油料池火焰光谱差异主要体现在3.4μm处无C—H伸缩振动峰。木柴燃烧机理与油料池火燃烧机理相比差别较大。木柴可看作由半纤维素、木质素及纤维素组成。木柴燃烧的过程为：外界热源对木柴加热，温度达到100℃，木柴内部液态H2O开始蒸发；温度进一步升高，木柴发生热解反应，挥发出少量的挥发分；当温度在280～500℃时，热解反应强烈，是木质素和纤维素的热解过程；当温度超过500℃时，木柴的积炭缓慢燃烧。
图2.24 木柴火焰光谱
纸张火焰光谱如图2.25所示，从图中可以看出4.5μm附近的CO2发射峰最强，与各油料池火焰光谱差异主要体现3.4μm处无C—H伸缩振动峰。木柴与纸张同为固体燃料，燃烧反应过程相似。油料、木柴与纸张的火焰光谱因燃料组成及化学反应机理的不同而表现出差异性。木柴与纸张的完全燃烧产物主要为CO2及H2O，因此火焰光谱的主要特征体现在此两种燃烧产物的发射波段处。
图2.25 纸张火焰光谱
为进一步深入分析油料池火焰与其他燃料火焰光谱特征的差异，对各燃料的火焰光谱信号进行小波分解处理。选用db2小波基函数进行5层分解处理，分别对比各燃料火焰光谱的低频信号及高频信号。由于各油品火焰光谱特征相似，因此选择0⋕柴油、92⋕汽油池火焰光谱信号为代表。蜂窝煤火焰光谱最特殊，因此不做小波分解处理。
0⋕柴油、92⋕汽油与酒精、木柴及纸张火焰光谱的低频系数对比分析结果如图2.26所示。油料及酒精同属液体燃料，油料中的烷烃是重要组分，酒精主要组分为乙醇。烃类化合物在3.0～4.5μm区间存在特征红外光谱，因此主要在该波段范围内对0⋕柴油、92⋕汽油、酒精、木柴及纸张的火焰光谱细节系数进行了分析，结果如图2.27所示。各燃料火焰光谱低频系数及高频系数特征波段统计如表2.4所列。
图2.26 db2小波5层分解低频系数
图2.27 db2小波5层分解细节系数
表2.4 各燃料火焰光谱低频系数及高频系数的特征波段
从图2.26可以看出，五种燃料火焰光谱低频系数具有较大差别，具体表现为：0⋕柴油、92⋕汽油及酒精火焰光谱在3.4μm处呈现出较强的发射峰，是液态燃料蒸气C—H伸缩振动引起的，且酒精在4.0μm附近还存在一个吸收峰；纸张及木柴的火焰光谱在3.4μm处无C—H伸缩振动峰。0⋕柴油、92⋕汽油、木柴与纸张的火焰光谱因燃料组成及化学反应机理的不同而表现出差异性。木柴与纸张的完全燃烧产物主要为CO2及H2O，因此火焰光谱的主要特征体现在此两种燃烧产物的发射波段处。0⋕柴油、92⋕汽油、酒精、木柴及纸张的火焰光谱小波分解细节系数如图2.27所示。从图2.27中可以看出，木柴、纸张在3.3～4.0μm区间内光谱曲线近似一条水平直线，无明显特征；0⋕柴油、92⋕汽油、酒精在3.4μm处呈现出较强的发射峰，且酒精在4.3μm附近的吸收强度不及其他几种燃料，且在3.8μm附近存在较强的发射峰，是区别于油料火焰光谱的主要特征波段。