不同湍流强度下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学诊断研究

2020-07-22刘丝雨辛世荣刘颖祖王智化

实验流体力学 2020年3期

祁胜, 刘丝雨, 辛世荣, 何勇, 刘颖祖, 王智化

(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 杭州 310027)

0 引言

统计数据显示，2019年我国能源消费总量为48.6亿吨标准煤，其中煤炭消费量仍高达57.7%[1]，“富煤贫油少气”的资源禀赋决定了在未来很长一段时间里煤炭仍将在我国的能源结构中占主导地位。目前，煤炭的主要利用方式仍为锅炉燃烧，深入探究煤粉颗粒群在不同工况下的着火及燃烧特性，尤其是着火延迟及燃烧稳定性，对实现煤碳的高效燃烧和锅炉的稳定运行具有重要意义。针对单颗粒煤粉的着火及燃烧特性，前人已做了大量研究工作，总结了煤种、煤粉粒径、温度、气氛条件等因素对单颗粒煤粉的着火模式、着火延迟时间、颗粒温度等参数的影响规律[2-4]。然而，煤粉在实际锅炉炉膛内的燃烧过程十分复杂，煤粉被强湍流一次风送入炉膛后，在极短时间内发生脱挥发分、着火、颗粒群燃烧，其中包含气流卷吸、颗粒弥散、热流传递等过程，是流动与燃烧相互耦合的复杂气固两相反应流[5-6]。与单颗粒煤粉相比，针对煤粉颗粒群在层流及湍流状态下的着火与燃烧特性进行系统的研究更具挑战性，且对实际锅炉内煤粉火焰的稳定燃烧具有更为重要的指导意义。

在研究煤粉颗粒群着火及燃烧特性时，已有的研究多采用带有光学观察窗口的携带流反应器，通过获取煤粉火焰的亮度及各种荧光信号，对其着火及燃烧特性进行分析。美国Sandia实验室的Molina[7]和Shaddix等[8]系统地研究了层流工况下温度、气氛条件、煤粉粒径等因素对煤粉颗粒群着火及燃烧特性的影响，指出煤粉的快速脱挥发分过程与层流火焰速度之间的平衡在煤粉颗粒群的着火与稳定燃烧中起着重要作用。Suda等[9]使用微重力燃烧室研究了气氛条件对煤粉颗粒群燃烧特性的影响，研究表明煤粉颗粒群在CO2/O2气氛中的火焰传播速度显著低于在N2/O2气氛中的传播速度。Yuan等[10]利用煤粉火焰的CH*自发辐射信号以及三色测温法研究了层流状态下煤粉颗粒群的着火过程，研究表明：随着背景烟气温度的升高，煤粉颗粒群的着火模式由异相着火向均相着火转变。

值得一提的是，上述工作均为针对层流工况下煤粉射流火焰的研究。针对煤粉颗粒群在湍流状态下的燃烧特性，研究者多采用甲烷火焰直接点燃煤粉射流的同轴燃烧器进行研究[11-17]。Balusamy等[11-12]联用米散射(Mie scattering)、OH平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术测量了一个功率约为21 kW的煤粉/甲烷火焰结构，研究了氧含量对火焰结构的影响。Hayashi等[13-14]联用米散射、激光诱导荧光(PLIF)、激光诱导白炽光(Laser-Induced Incandescence，LII)等技术，同步测量了煤粉火焰中煤粉颗粒、多环芳烃化合物(PAHs)、碳烟颗粒的分布，为煤粉火焰中碳烟的形成路径研究提供了重要指导。许开龙[18-20]和俞伟伟[21]等基于煤粉射流火焰图像研究了挥发分含量、煤粉粒径、氧含量等因素对着火模式及着火延迟的影响。

总的来说，以往针对煤粉颗粒群燃烧的研究多侧重于层流工况，而针对湍流工况下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学实验测量则较少，且使用的燃烧器多采用甲烷火焰直接点燃煤粉射流的方式，难以消除甲烷火焰对煤粉颗粒群着火阶段的干扰，不利于研究煤粉颗粒群的着火过程。本文基于Hencken型平面火焰燃烧器、电加热高温炉以及自制给煤器，搭建了温度、气氛条件可控的携带流反应系统，模拟真实炉膛环境。采用OH-PLIF技术观测煤粉射流火焰在升温、着火、群燃等各阶段的瞬态结构，并利用数码相机记录火焰形态，系统地研究了湍流强度、温度、氧含量等因素对煤粉颗粒群着火及燃烧特性的影响规律，为更好地理解湍流工况下煤粉颗粒群的着火及燃烧行为提供数据参考。

1 实验系统和方法

1.1 实验装置

实验系统主要由Hencken型平面火焰燃烧器、电加热高温炉、给煤器、给气系统以及光学测量系统组成，如图1所示。Hencken型平面火焰燃烧器顶部为金属蜂窝盘片，燃烧区域直径60 mm，分布着1200个1.1 mm孔径的小孔，其中600个小孔中插有不锈钢毛细管，毛细管外径1 mm，壁厚0.1 mm。整个燃烧器被分隔为2个腔室，上部腔室通入氧化剂，下部腔室通入CH4。CH4通过600根不锈钢毛细管到达燃烧器顶部盘片，点燃后在盘片上形成平面扩散火焰群。为了提高平面火焰的稳定性，在燃烧器上部腔室中放置了适量的整流钢珠。另外，燃烧器盘片下方装有冷却水管路，防止盘片温度过高。已有的研究表明，Hencken型燃烧器能够提供一个一维的高温烟气环境[5, 21]，非常适合用于固体燃料的着火及燃烧特性研究。

图1 实验系统示意图

燃烧器中心射流为携带煤粉的一次风，平面火焰产生的高温烟气伴流对中心射流中的煤粉进行点火和燃烧的维持(中心送粉管内径2.6 mm，壁厚0.2 mm)。为隔绝外部环境以及更加精确地控制背景烟气温度，燃烧器上方装有一个带有光学观察窗口的电加热高温炉，其内壁温度最高可达1500 K。高温炉上方装有排烟管道与引风机，实验中炉膛内处于微负压状态。通过改变通入Hencken型燃烧器的燃料和氧化剂的流量，可以定量调节背景烟气温度(1200～1700 K)、炉内烟气氧含量(10%～30%)以及一次风氧含量(5%～45%)等参数。整套实验装置提供了一个接近真实工业炉膛的燃烧环境。

1.2 光学测量系统

实验采用OH-PLIF技术获取煤粉射流火焰的OH瞬态分布图。如图1中放大图所示，OH-PLIF测量系统主要由3个模块组成：激光器模块、光斑调制模块、信号采集模块。激光器模块包括一台Nd:YAG固体激光器(Spectra-Physics, Pro-250-10H)和一台染料激光器(Continuum, ND6000)。固体激光器发出的1064 nm基频光(频率10 Hz，脉冲宽度10 ns)泵浦染料激光器后，产生波长在283 nm附近的OH激发光，单脉冲能量为4 mJ左右。染料激光器输出的圆形点状光束经过光斑调制模块(由一组凹透镜、凸透镜组成)后，被整形为高30 mm、厚300 μm左右的片状光源，用于激发煤粉射流火焰中的OH荧光，获取火焰内部的二维瞬态结构。信号采集模块由示波器、ICCD相机(Princeton Instrument, PI-MAX3)和滤光片等组成。ICCD相机采用紫外镜头，相机门宽设为50 ns，通过示波器调节ICCD相机门宽与OH-PLIF荧光信号之间的同步。为准确获取煤粉射流火焰中的OH荧光信号，在ICCD相机前安装了双滤光片：310 nm带通滤光片(Andover, 310FS10-50)和305 nm长通滤光片(Andover, 305FG01-50)，其中305 nm长通滤光片能有效消除煤粉颗粒的米散射对OH荧光信号测量的干扰。

为了系统地研究不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及燃烧特性，使用数码相机(Nikon D5000)获取了不同工况下的煤粉射流火焰图像。相机镜头(Nikon, PF10545MF-UV)焦距为105 mm，相机参数设置为：光圈F11，门宽1/4000 s，ISO200，尽量避免火焰图像饱和。在每个工况下拍摄150张火焰图像，基于对火焰图像亮度的处理，获取煤粉颗粒群的着火距离。

1.3 实验工况设计

选用蒙混烟煤(MH)作为实验煤种，煤种的工业分析和元素分析如表1所示。实验前，在105 ℃的烘箱中将煤粉烘干，并筛选粒径为70～100 μm的煤粉。实验中，调节螺旋式给煤器的给粉速率，保证所有工况下煤粉射流的一次风送粉的质量浓度为0.523 kg/m3(273 K, 101 kPa)左右。

表1 煤种的工业分析和元素分析数据

在实验中，系统地研究了3种湍流强度下(一次风气流速度为5、15和25 m/s，对应的雷诺数为813、2438、4063)，背景烟气温度(1200～1700 K)、烟气氧含量(10%～30%)以及一次风氧含量(5%～45%)对煤粉颗粒群着火及燃烧特性的影响规律。实验中煤粉射流的雷诺数计算公式为：

(1)

式中：U0为送粉管出口处一次风平均流速，m/s；d0为送粉管内径，m；ν为一次风的运动黏性系数，m2/s。

图2为一种典型实验工况(背景烟气温度1300 K，烟气氧含量15 %)空载条件下燃烧器上方的轴向温度分布，由直径100 μm的B型铂铑热电偶测得。测量结果表明：在燃烧器上方5～100 mm范围内，最大温度衰减小于50 K，可为煤粉颗粒群的着火提供一段稳定恒温区。实验中，将燃烧器中心轴向高度40 mm处的温度作为背景烟气温度的参考值，保持背景烟气总流量为70 L/min(273 K, 101 kPa)左右。

图2 典型工况下燃烧器上方的轴向温度分布

2 实验结果与分析讨论

2.1 不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及火焰结构

图3为不同雷诺数工况下的蒙混烟煤射流火焰图像(背景烟气温度1300 K；烟气氧含量15%，一次风氧含量20%；一次风气流速度为5、15和25 m/s，对应的雷诺数为813、2438和4063)。

如图3所示，煤粉颗粒群被一次风携带进入高温烟气环境后快速升温，发生脱挥发分过程，当挥发分聚集到一定程度后，煤粉颗粒群开始整体燃烧，出现明亮的群燃火焰。在煤粉射流火焰的下游，随着挥发分群燃的结束，未燃尽的焦炭颗粒开始与氧发生异相燃烧反应。可以清晰地看到，层流工况下(Re=813)煤粉射流火焰窄而规则，火焰中心及外围均存在明亮的燃烧颗粒轨迹。随着一次风气流速度的增加(Re=2438、4063)，煤粉颗粒的弥散效应增强，较细的煤粉颗粒被一次风携带到远离轴线的区域，射流火焰逐渐变宽并出现明显的涡结构，火焰中心亮度有所下降，明亮的颗粒逐渐消失，这表明了射流火焰中心温度的下降。同时，随着湍流强度的增强，煤粉颗粒群群燃火焰的抬举高度下降，着火延迟时间显著缩短。

图3 不同湍流强度下的煤粉射流火焰图像

为了深入研究湍流工况下煤粉颗粒群的着火及群燃行为，采用OH-PLIF技术获取了煤粉射流火焰的OH瞬态分布图。图4(a)展示了一次风气流速度15 m/s(Re=2438)工况下射流火焰的典型OH瞬态结构，图4(b)为数码相机拍摄的同一火焰的图像(光圈F4.5，门宽1/4000 s，ISO200)。

如图4(a)所示，根据煤粉射流火焰各个高度段OH信号的强弱，煤粉颗粒群的着火过程可分为3个阶段：

图4 湍流射流火焰的OH瞬态分布图和数码相机拍摄的火焰图像

(1)加热阶段。高速气流携带煤粉进入高温烟气中，射流外围区域的煤粉颗粒快速升温并发生脱挥发分反应，此时基本没有燃烧现象发生。

(2)着火阶段。在高速一次风的卷吸作用下，射流外围区域的挥发分与周围高温烟气中的氧不断混合，达到可燃极限并着火，出现明显的OH信号，但此时射流中心区域的煤粉仍然处于加热阶段，未发生燃烧。

(3)群燃火焰阶段。外围已燃的煤粉释放出大量热量，并在湍流扰动下不断向射流内部传递，促进了射流内部区域煤粉颗粒群挥发分的析出，OH的锋面逐渐向内拓展，火焰逐渐连接成片，煤粉颗粒群开始整体燃烧，出现群燃挥发分火焰。实验所使用的蒙混烟煤的挥发分含量相对较高，因此实验中煤粉颗粒群的着火模式为均相着火。

已有的研究表明[20]，煤粉的着火时间tignition主要由4个部分组成：热流传递至煤粉射流内部的时间tth、煤粉颗粒加热至脱挥发分反应开始的时间tp、挥发分与氧之间形成可燃混合物的时间tf以及燃烧反应诱发时间ti。一次风湍流强度的增加对煤粉颗粒群着火的影响有两方面：一方面，随着一次风气流速度的增加，煤粉颗粒群在相同高度段上的停留时间减小，并且冷态煤粉气流的输入量增加，这些都会导致热流传递至煤粉射流内部的时间增加，降低煤粉的升温速率以及挥发分的析出速率；另一方面，与层流工况相比，湍流工况下高速一次风对周围高温烟气的卷吸作用显著，强化了煤粉气流与高温烟气环境间的热流传递，同时高速气流的扰动加剧了挥发分与氧之间的混合，缩短了挥发分与氧之间形成可燃混合物的时间。上述两方面因素对煤粉颗粒群的着火起着相反的作用，从图3中的火焰图像来看，显然后者起了主导作用，随着一次风湍流强度的增强，煤粉颗粒群群燃火焰的抬举高度下降，着火延迟时间显著缩短。

2.2 温度对煤粉颗粒群着火的影响

图5为3种湍流强度下蒙混烟煤颗粒群在不同温度烟气中的火焰图像(背景烟气氧含量15%，一次风氧含量20%)。随着背景烟气温度的升高，煤粉的升温及脱挥发分过程加快，射流火焰的着火位置均显著下降，同时火焰中心的亮度增强，说明火焰温度有所上升。随着烟气温度以及颗粒群燃烧温度的升高，反应过程中煤粉气流的动力黏度系数上升，火焰的湍流度下降，如图5(a)和(b)所示，当背景烟气温度达到1700 K时，射流火焰的褶皱及涡结构显著减弱。

图5 不同烟气温度下的射流火焰图像

为了定量分析射流火焰的着火特性，将燃烧器送粉管喷口处到煤粉颗粒群着火位置之间的距离定义为着火距离，用于研究煤粉颗粒群的着火延迟特性。在已有的研究中[5,18]，基于对火焰图像的处理，通常采用以下两种方法来确定射流火焰的着火位置：一种方法是将火焰轴向亮度变化率最大的位置定义为着火位置；另一种方法是以火焰轴向亮度信号的峰值为参考值，将火焰亮度达到峰值50%的位置定义为着火位置。使用这两种方法对火焰图像进行处理后所得到的结果基本相似，本实验采用后者，使用亮度峰值的50%作为着火位置的判定依据。同时，为了更深入地研究着火延迟特性，将着火距离与送粉管喷口处一次风气流速度的比值定义为着火延迟时间，这种处理方式虽然忽略了煤粉气流进入高温烟气环境后轴向速度的衰减，存在较大的估算误差，但仍具有一定的参考意义[18]。

如图6(a)所示，随着背景烟气温度升高，煤粉颗粒群的着火距离逐渐下降，层流工况下尤为显著，这主要是因为层流工况下煤粉射流在单位时间内的冷态一次风流量及煤粉送入量远远小于湍流工况，因此当烟气温度上升时，层流工况下的煤粉气流升温速率增加更为剧烈，着火距离显著减小。

图6(b)给出了基于着火距离估算的着火延迟时间随背景烟气温度的变化规律。层流工况下(Re=813)，在烟气温度由1200 K上升至1600 K的过程中，热流由高温烟气传递至煤粉射流内部的时间减少，煤粉颗粒群的升温速率急剧上升，发生脱挥发分反应的时间大大缩短，着火延迟时间显著下降；而当烟气温度继续由1600 K增加至1700 K时，着火延迟时间的下降变得不明显。这是因为当环境温度上升到某一阈值后，煤粉的脱挥发分速率对着火过程的影响减弱，控制煤粉颗粒群着火行为的主导因素发生改变，这一阶段煤粉颗粒群的着火延迟主要由挥发分与氧之间相互扩散、形成可燃混合物的过程所决定，其受煤粉射流的流动特性以及氧含量的影响较大，而背景烟气温度的影响则相对较小。从图6(a)可以看到，湍流工况中也存在着相似的阈值现象。

图6 煤粉颗粒群着火距离及延迟时间随背景烟气温度的变化

另外，如图6(b)所示，当背景烟气温度相同时，层流工况下煤粉颗粒群的着火延迟时间始终大于湍流工况，这也验证了上文提及的湍流工况中气流卷吸作用所带来的热传递增强、氧扩散加快的效应导致煤粉颗粒群的着火延迟时间显著缩短。

2.3 一次风氧含量对煤粉颗粒群着火的影响

图7为3种湍流强度下蒙混烟煤颗粒群在不同一次风氧含量工况下的火焰图像(背景烟气温度1300 K，烟气氧含量15%)。随着一次风中氧含量的增加，煤粉颗粒群析出的挥发分与氧之间的扩散、混合过程加快，形成可燃混合物的时间缩短，更易达到可燃极限；同时氧含量的增加也会提升可燃混合物的反应活性，减少燃烧反应的诱发时间，这些因素导致煤粉颗粒群的着火距离显著缩短。此外，从图7所示的火焰图像可以清晰地看到，随着一次风氧含量的增加，燃烧反应变得剧烈，火焰中心亮度上升，表明挥发分群燃火焰温度显著升高。

图7 不同一次风氧含量下的射流火焰图像

为了深入探究湍流工况下一次风氧含量对煤粉颗粒群着火及燃烧特性的影响机理，实验采用OH-PLIF技术测量了射流速度为15 m/s(Re=2438)、不同一次风氧含量工况下的射流火焰OH瞬态分布图。如图8所示，当一次风氧含量为20%时，在60～90 mm这一高度段，射流的外围发生挥发分燃烧，而射流内部区域的颗粒群仍处于加热阶段，没有OH生成。随着一次风氧含量逐渐升高，同一高度段上，射流外围挥发分的燃烧反应速率增加，OH的信号强度显著上升。射流外围挥发分的剧烈燃烧释放出大量热量，强化了射流内部区域未燃煤粉颗粒群的升温及挥发分析出过程。同时，一次风氧含量的升高加快了射流内部可燃混合物的形成速率，降低了燃烧反应的诱发时间，火焰OH的锋面快速向射流内部拓展并逐渐连接成片，形成挥发分群燃火焰，射流的着火延迟时间显著缩短。

图8 不同一次风氧含量下射流火焰内部的OH瞬态分布图

图9给出了不同一次风氧含量工况下煤粉颗粒群的着火距离及着火延迟时间的变化趋势。如图9(a)和(b)所示，随着一次风氧含量的增加，3种湍流强度工况下煤粉颗粒群的着火距离及着火延迟时间均显著减小，但存在着一个阈值，当一次风氧含量增加到一定程度后，其对着火距离的影响变得不明显，这一现象在层流工况下尤为明显。这是因为在一次风氧含量较低时，挥发分与氧之间的扩散过程及燃烧反应的诱发时间在着火延迟中占主导地位，而当氧含量高于某个阈值后，煤粉颗粒群的着火行为则主要由煤粉颗粒群挥发分的析出速率所控制，一次风氧含量的影响变得不明显。实验中保持一次风气流中煤粉的质量浓度为定值，即0.523 kg/m3(273 K, 101 kPa)，层流工况中单位时间内的煤粉送入量远少于湍流工况，因此层流工况在一次风氧含量达到30%左右时便出现了阈值现象，而湍流工况的一次风氧含量阈值则更高。

图9 煤粉颗粒群着火距离及延迟时间随一次风氧含量的变化

2.4 背景烟气氧含量对煤粉颗粒群着火的影响

实验还研究了背景烟气中的氧含量对煤粉颗粒群着火及燃烧特性的影响。不同氧含量工况下的射流火焰图像如图10所示，其中，背景烟气温度为1300 K，一次风氧含量为20%。图11定量地给出了着火距离及着火延迟时间随背景烟气氧含量的变化。如图11(a)所示，层流工况下(Re=813)，当烟气中氧含量低于15%时，随着烟气中氧含量的升高，着火距离显著减小；而当氧含量增加至20%以上，其对着火距离的影响变得不明显，其原因与上文对一次风氧含量阈值现象的分析一致。从图11(b)可以发现，与层流工况相比，湍流工况中煤粉颗粒群的着火延迟时间受背景烟气氧含量的影响较小。实验中背景烟气氧含量对煤粉颗粒群着火的影响主要体现在：更高的背景烟气氧含量能够加快射流外围挥发分与氧之间的混合、扩散过程，缩短可燃混合物的形成时间。然而在湍流工况下，高速一次风的卷吸作用大大强化了射流外围与高温烟气间的热流和物质传递，射流外围煤粉颗粒群析出的挥发分与周围烟气中的氧快速混合，导致湍流工况下射流外围可燃混合物的形成时间在整体着火延迟时间中所占的比例较小，弱化了背景烟气氧含量对煤粉颗粒群着火延迟的影响。