气流床撞击流水煤浆气化火焰光谱辐射特性实验研究

2020-02-25宋旭东郭庆华苏暐光白永辉于广锁

光谱学与光谱分析 2020年2期

宋旭东，郭庆华，龚岩*，苏暐光，白永辉，于广锁, *

1. 宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室，宁夏银川 750021 2. 华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海 200237

引言

气流床煤气化技术具有高操作压力、高反应温度和高碳转化率，且污染小等优势，代表着煤气化技术的发展方向。气化炉是气流床气化工艺的核心，其稳定高效运行影响着煤气化技术的效率。气流床撞击水煤浆气化炉采用四个喷嘴对置产生撞击区，可增强煤颗粒停留时间，提高碳转化率，因此广泛应用于工业生产中[1]。

对气化炉实时有效监控可实时调节运行工况，保证气化炉稳定运行。而光谱检测技术可避免传统检测技术控制粗放、反应时间长等的弊病，实现气化火焰的实时监控。火焰光谱检测技术通过收集火焰中自由基产生的特征辐射信息，反映火焰中化学反应区域的结构变化及反应强弱[2-5]。对于水煤浆等包含相对复杂物理-化学反应过程非均相火焰，采用光谱检测技术对火焰的反应区划分具有独特的优势[6-8]。 Sung等[9-10]利用米氏散射(Mie scattering)对煤粉燃烧火焰中OH*和CH*自由基辐射进行研究，指出OH*自由基辐射能够表示煤颗粒的热解过程，而CH*自由基辐射则能够表示煤粉挥发分燃烧的热释放区域。有报道不同燃烧参数下煤粉火焰辐射发光特性，并探究了Na和K等碱金属谱线与火焰温度关系。有研究对0#柴油燃烧初期火焰光谱进行分析，探讨了各种自由基辐射对柴油火焰识别的有效性。还有研究针对敞开空间甲烷携带水煤浆的热氧火焰辐射特性，并对各运行工况下自由基强度变化进行了表征。

本工作利用实验室规模的气流床撞击水煤浆气化装置，研究了受限空间内水煤浆(CWS)气化过程的自由基辐射变化特征，探究了受限空间撞击火焰化学反应特征，并利用自由基辐射特性对气化工况进行表征，为气化炉火焰光谱监控提供参考依据。

1 实验部分

1.1 试验装置与流程

图1为气流床撞击水煤浆气化装置光谱诊断实验装置图，包括水煤浆气化系统、气化火焰监控系统及光谱诊断系统。

图1 光谱诊断实验装置图

水煤浆气化系统由两组互相呈90°的对置同轴射流喷嘴组成，喷嘴中心通道水煤浆进入气化炉后，经环隙高速氧气雾化后撞击并发生反应，撞击后流体产生向上和向下的反应流股。实验中分别利用CCD相机可视化，热电偶测温及气体成分在线分析等三方面进行实时监控，保证气化炉稳定运行。

光谱诊断系统设置如图1所示，利用光纤光谱仪结合光纤探头对气化炉不同位置光谱信息进行收集分析。其中光纤光谱仪采用Ocean Optics公司的LIBS2500光谱仪组，涵盖波长范围为200～900 nm，光谱分辨率为(0.15±0.01) nm。光纤探头放置于水冷保护夹套内，并通过氩气(Ar)吹扫保证清洁，其收光直径为3 mm，视角为25°。

如图1所示， L为取样口与喷嘴平面的垂直距离，以喷嘴平面以上为正，即从喷嘴平面上方往下依次标记为L=20， 10， 0， -10和-20 cm。

1.2 实验条件

实验中采用O/C为0.9～1.2对水煤浆气化火焰自由基特性进行分析研究。表1和表2分别为基础数据及试验工况，其中水煤浆浓度为61%，密度为1 102 kg·m-3。

表1 煤质分析

表2 实验工况

2 结果与讨论

2.1 水煤浆气化火焰光谱辐射特性

I=I总-ICO2-I黑体辐射

(1)

图2 撞击平面光谱辐射特征

2.2 自由基辐射强度分布

沿着气化炉轴向方向，不同自由基强度变化不同，自由基峰值强度分布与自由基激发方式及流场有关。

(1) OH*与CH*辐射

OH*与CH*的存在与强度可作为火焰反应区剧烈程度的指标。实验中可检测到紫外光区的OH*(306.72和308.9 nm)自发辐射光谱和CH*(314.5和387 nm) 自发辐射光谱。选取OH*与CH*峰值所在的308.9和387 nm强度进行探究，强度分布如图3所示。在0.9≤O/C≤1.1时， OH*峰强度最大值出现在撞击平面附近，且强度随|L|增大逐渐减小；但当O/C=1.2时， OH*峰强度最大值出现在L=10 cm附近，且向上流股中OH*峰强度>向下流股中OH*峰强度。 CH*主要存在于-10 cm≤L≤10 cm范围内，在0.9≤O/C≤1.1时， CH*峰强度最大值出现在撞击平面附近，随O/C增加， CH*峰强度向向上流股中偏移。由表3中OH*与CH*自发辐射发光演变过程[13]可知: 在喷嘴平面处，氧气量充足，有利于R2， R5和R7反应的进行，而在向上流股和向下流股中氧气逐渐被消耗，反应减少。而当O/C逐渐增大，炉膛尤其是向上流股温度逐渐升高[14]，将对OH*与CH*热激发产生影响，自由基峰强度最大值分布位置上移。

图4为不同位置处OH*/CH*强度比值，不同平面处OH*/CH*强度比值随O/C的变化不同。 O/C<1.2时，不同位置处OH*/CH*随着O/C增加逐渐增加，而当O/C=1.2时，氧气气速将达到150m·s-1，此时流场相比之前发生变化，在喷嘴平面以下位置， OH*/CH*强度较小，而在喷嘴平面以上位置逐渐增大。通过对比不同O/C，喷嘴平面处， OH*/CH*强度最小，此处化学激发占主导。由图3可知，化学激发主要发生区域在-10 cm≤L≤10 cm范围内。

图3 不同位置的OH*， CH*辐射强度变化

表3 自由基激发路径[14]

Table 3 Excitation path of radicals

自由基能级跃迁特征峰/nm演变过程OH(A2Σ+)-OH(X2Π)306.72, 308.9O+H+M→OH*+MR1 (化学激发)CH+O2→CO+OH*R2 (化学激发)OH+M→OH*+MR3 (热激发)CH(A2Δ)-CH(C2Σ+)314.5, 387C2+OH→CO+CHR4(化学激发)C2H+O→CO+CH*R5(化学激发)C+H+M→CH*+MR6(化学激发)C2H+O2→CO2+CH*R7(化学激发)CH+M→CH*+MR8 (热激发)

注： M为碰撞粒子

OH*/CH*变化可以反映激发路径的变化。

图4 不同位置的OH*/CH*

(2) 碱金属辐射

水煤浆中Na和K主要以溶于水的无机盐及矿物质中的结晶体两种形式存在[15]。 Na与K离子在经热激发会产生相应的特征峰，图5为Na*(589 nm)和K*(770 nm)在不同工况下辐射强度差异。撞击平面附近Na*强度较大，而随着|L|增大， Na*强度有所减小，其中向上流股中Na*强度高于向下流股中强度。 K*强度在强度变化比较无序，随O/C增加至1.2， K*峰值强度在向上流股中出现。当水煤浆进入气

化炉后，经氧气剪切雾化，溶液中Na和K受热激发产生激发态的Na*和K*，因此撞击区内辐射强度较高。而随着反应进行，煤矿物质中结晶也将析出并产生辐射发光，矿物质中碱金属析出受到矿物质停留时间影响，气流床撞击水煤浆气化炉，通过撞击增加了颗粒的停留时间，因此在向上和向下流股中也可检测到强烈的Na*和K*辐射。但是由于煤中Na和K粒子含量较少，利用Na*和K*表征O/C会出现较大误差。

由于Na*和K*峰值受到背景辐射影响较小，因此利用光纤光谱仪非积分校正的强度图来分析Na*和K*强度变化，可反映出火焰频率。图6为不同工况下撞击平面处Na*相对强度变化，可知Na*自发辐射强度随火焰撞击过程可产生脉动而呈现峰谷分布。随着O/C增加 Na*峰谷频率越高，说明随着氧气气速逐渐增加，火焰脉动剧烈。且Na*强度逐渐增加，说明剧烈的撞击有助于反应的进行。