高速煤粉射流火焰形态特征的实验研究

黄文仕，张 琦，吴玉新，张 扬

高速煤粉射流火焰形态特征的实验研究

黄文仕，张 琦，吴玉新，张 扬

(清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

利用Hencken型平焰燃烧系统开展了高速煤粉射流燃烧实验，并结合煤粉射流火焰形态图谱对其火焰形态及主要影响因素进行分析．结果表明，射流速度提高促使煤粉火焰形态从群燃火焰向分散燃烧转变，在高速下呈现出较短、较暗的煤粉火焰，其中煤粉质量浓度下降和流场卷吸掺混增强均有影响．高数受限射流会引发强烈壁面回流，并裹挟边壁落粉形成回流火焰，加剧了湍流掺混．自由射流条件下，并无明显回流火焰，但火焰长度仍随射流速度提高而降低．

煤燃烧；高速射流；Hencken燃烧器；火焰形态

对燃煤发电而言，采用高效清洁的技术以实现节能减排是重要的发展方向，为此工业界已经开发了诸多先进的洁净煤燃烧技术[1]．其中，低氧稀释(moderate or intense low-oxygen dilution，MILD)煤粉燃烧因具有超低的NO生成及均匀的热流密度分布等优势特点[2]获得了广泛关注，被认为是一项极具发展潜力的燃煤发电技术．

MILD燃烧最初被认为需要高温预热空气才能实现，但后来的研究表明，当空气射流的动量足够大，炉膛内的卷吸率足够高时，即使不对空气进行高温预热，也能实现MILD气体燃烧[3-4]．MILD煤粉燃烧也被证实能通过将射流速度提高至100m/s以上实现[5-6]，这一方法相比高温预热也更具有应用价值．在煤粉射流燃烧中，射流速度的提高显著影响着火距离和火焰高度，但能否使得火焰形态及其结构发生质变，以致高温火焰锋面消失，从而实现非预热条件下的MILD燃烧，仍需要深入探究．

一般认为，煤粉射流火焰可以像单颗粒煤粉燃烧那样，分为加热段、着火段和燃尽段．从射流出口到着火点之间属于加热段，从着火点到火焰高度之间属于着火段，后期均属于燃尽段．对于煤粉射流火焰的已有研究主要集中于加热段和着火段．对CRIEPI煤粉射流火焰的DNS研究表明，在加热段，射流剪切层中的(外层)颗粒首先迅速升温并发生单颗粒分散着火，射流中心线附近的(内层)颗粒则升温缓慢而保持较低温度[7-8]．而由单颗粒分散着火发展形成着火段的颗粒群整体着火，其间的颗粒团带状着火起到关键作用：颗粒团带状着火区的反应放热高达全场放热量的1/4，对煤粉群燃火焰的形成至关重要．在着火段，俞伟伟[9]通过“ICCD＋滤镜”观测表征挥发分的CH*分布，发现挥发分的富集区域与亮白色群燃火焰位置重合，说明挥发分的富集燃烧是群燃火焰出现的等价条件．Bai等[10]的直接数值模拟研究结果印证了这一结论．

根据着火段是挥发分均相燃烧主导还是单颗粒异相燃烧主导，可以将煤粉射流火焰划分为群燃火焰和分散燃烧火焰．俞伟伟[9]对“群燃火焰”给出了观测形态上的定义，即周围气相连续成片着火，同时内部单颗粒由于曝光时间的存在呈现明亮线状火焰；并以此为基础，将煤粉群燃火焰进一步细分为层流群燃火焰、湍流群燃火焰和湍流爆燃火焰三种类型．而分散燃烧火焰没有明显的气相火焰，以炽热的煤粉颗粒的异相反应为主，炉膛呈现暗红色．

从本质上讲，煤粉射流燃烧属于复杂的气固两相反应流，包含了诸多基础物理化学过程．如图1所示，大量细煤粉由一次风气流携带射入炉膛，受到湍流脉动的影响而发生弥散；在弥散的过程中，煤粉与高温烟气对流混合，同时接受火焰辐射而被迅速加热；在不断升温的过程中，煤粉发生水分蒸发、脱挥发分、挥发分均相燃烧、焦炭异相燃烧等反应过程．射流速度、给粉质量浓度、氧体积分数、给煤粒径等工况条件以及煤种差异，均能通过影响以上物理化学过程来影响煤粉射流火焰的结构及形态[11]．其中，与湍流强度密切相关的射流速度对加热段和着火段的影响尤为显著．厘清高速射流条件下煤粉射流火焰的结构、形态及其随射流速度的变化规律，可以为优化燃烧提供更丰富的理论支撑，对于探索MILD煤粉燃烧的实现条件也具有充分的意义．

图1 煤粉射流燃烧示意

许开龙等[12]的研究表明，当提高射流速度，使层流变为湍流时，着火距离会显著降低；但进一步提高射流速度，着火距离几乎保持不变，这是湍流掺混增强与颗粒停留时间缩短相互抵消的结果．对于给煤量稳定的煤粉射流燃烧而言，射流速度的变化必然导致给粉质量浓度的变化，因此给粉质量浓度的影响同样值得关注．Du等[13]通过模拟研究发现，给粉质量浓度的提高会导致析出的挥发分燃烧放热和颗粒群吸热同时增多，两者存在竞争关系，从而使得着火距离先减小后增大．这一说法已被Liu等[14]和俞伟伟等[15]分别从层流和湍流两方面的实验所证实．

总体而言，对煤粉射流火焰的研究目前还集中于中低数范围(射流速度不超过25m/s，＜6500)，高数的实验研究还有待展开，此时的煤粉射流火焰结构与形态特点及射流速度的影响规律尚不明确．因此，本文利用Hencken型煤粉射流燃烧系统开展高速煤粉射流燃烧实验，结合射流火焰形态图谱对高速条件下的煤粉射流火焰形态进行分析，并探究射流速度的影响规律．

1 煤粉射流火焰的形态分类及典型结构

由于煤粉射流火焰是复杂的气固两相反应流，其形态由多种因素共同确定，因此单一因素的分别研究很难获得火焰形态变化的整体规律．本文通过绘制煤粉射流火焰图谱来解决这个问题．根据已有的研究，给煤(煤种和粒径)确定后，对其火焰形态影响最大的当属射流速度和给粉质量浓度，因此本文主要选取这两个影响因素作为图谱的坐标轴，并可以在其中叠加对其他因素的考察．

图2是综合了各种煤粉射流火焰形态的图谱示意，并四分整个区域．左下方为层流分散燃烧区域，此中的射流速度和给粉质量浓度都很低，即使是挥发分很高的褐煤，也积累不了足量的挥发分而产生明亮成片的气相火焰，最多仅有局部的单颗粒均相着火[14].左上方为层流群燃区域，射流速度低但给粉质量浓度高，炉膛中已经能够积累起足量的挥发分而产生悬针状或直条状群燃火焰．右上方为湍流群燃区域，群燃火焰抖动明显，形态多样，显示出高射流速度所引发的旺盛湍流的复杂影响．对于高给粉质量浓度的高挥发分煤，俞伟伟[9]和Yamamoto等[16]分别通过实验和模拟确认了其存在爆燃火焰，射流速度范围为10～25m/s，此时虽然下游的爆燃火焰处于湍流，但上游的群燃火焰则接近层流，这是高浓度颗粒和挥发分气相燃烧对湍流发生了抑制反馈．本文将此类火焰看作是一种特殊的湍流群燃火焰而归并其中．降低给粉质量浓度，提高射流速度，煤粉火焰将进入图中右下方的湍流分散燃烧区域，此时剧烈的湍流卷吸将挥发分吹扫稀释，甚至将颗粒群也彻底打散，因此不再出现群燃火焰．

图2 煤粉射流火焰图谱示意

这种利用图谱提出的四分法，能够很好地涵盖所有类型的煤粉射流火焰形态，并为进一步细分搭建了框架．利用类似图2的图谱，还可以很方便地确定同一种给煤的射流火焰随工况条件的变化规律，进而比较不同类型煤种火焰的差异，并确认出现相近火焰所需要的工况和给粉条件．因此本文将把实验得到的煤粉火焰图片整理为图谱形式，然后结合图2加以分析研究．

2 实验系统及方法

本文的实验研究基于自搭建的Hencken型煤粉射流燃烧系统[17-18]，通过对该系统进行光学测量，获得所需的煤粉射流火焰数据．如图3所示，Hencken型煤粉射流燃烧系统以Hencken型平焰燃烧器为核心，配以上游的送气管路、给粉装置和下游的保温炉罩、排气风机．

图3 Hencken型煤粉射流燃烧系统示意

实验所采用的Hencken型平焰燃烧器的结构如图4所示．燃烧器中央固定着一根内径为2.6mm、外径为3mm的一次风管，其中的一次风携带煤粉射入炉膛进行燃烧，形成射流火焰．在一次风管的周围，整齐地分布着五百多根内径为0.78mm、外径为1mm的毛细不锈钢管．这些毛细管被固定在多重蜂窝陶瓷上，并间隔排列．蜂窝陶瓷的横截面尺寸为55mm×55mm，上面均匀分布着边长为1.1mm的方形孔．二次风的燃料气和氧化气分别从毛细钢管和多孔陶瓷进入炉膛，形成五百多个小扩散火焰，汇合成近似平面的二次风火焰，从而为粉煤燃烧提供径向分布相对均匀的高温环境，见图5．在燃烧器中，二次风的燃料和氧化剂被密封材料隔开，以防预混爆炸；同时还分别经过两级整流，以期出口流量分布尽量均匀．

图4 Hencken型燃烧器结构示意

燃烧器的上方安装有莫来石保温炉罩，用以限制二次风平焰产生的高温烟气自由散逸，从而保障煤粉燃烧所需的热量供给．该保温罩高600mm，横截面内部尺寸为70mm×70mm．为了兼顾光学测量，一方面在保温罩的正面开设了55mm宽的观察窗，另一方面又在其两侧留了10mm宽的光学通道，并都用石英玻璃封装，以隔绝内外．在保温罩的背面下部，还开有点火通道，实验时可用保温塞塞上．

图5 Hencken燃烧器中的平面火焰

本实验的一次风由N2和O2配成，二次风包括燃料气CH4以及由空气、O2和N2配成的氧化气．采用刮板式给粉机可连续稳定地实现微量给粉，并通过双气路平衡送粉方式有效降低高速射流下堵粉和反窜发生的概率，大大提高送粉一次风的速度上限至100m/s以上．

本实验采用IDT NR3-S2型彩色高速CCD相机用来拍摄火焰形貌．拍摄时，将光圈调至最大，然后适当调整曝光时间，以便能较好地拍摄出火焰形貌的细节，使之既不被强烈的火焰辐射所遮挡，又不致过暗而湮灭．需要说明的是，不同工况下煤粉射流火焰的辐射强度差别显著，所以本实验在本着尽量统一的原则上对曝光时间进行灵活调整．

对于给定粒径的煤粉，影响其射流燃烧特性的主要影响因素有一次风速度、二次风温度和环境氧体积分数．一般情况下，由于二次风流量远大于一次风流量，所以二次风氧体积分数接近于燃烧时的环境氧体积分数．本实验设置了两种二次风工况，分别对应二次风温度1200℃和1400℃，如表1所示．当改变二次风参数时，可以令甲烷热输入率不变，也可以令二次风总流量不变，这里采用前者．

表1 二次风工况设置

Tab.1 Experimental setup of secondary air

实验中在25℃、0.1MPa的环境下进行，一次风均采用空气配比(体积分数79%N2＋21%O2)，射流速度最高达到100m/s，具体设置如表2所示．

本文采用宿迁电厂用煤进行实验，煤质分析结果如表3和表4所示，有75～120μm和45μm以下两种粒径范围．具体工况参数如表5所示，分别基于相同给粉量及相同给粉质量浓度探究射流速度的影响.

表2 一次风工况设置

Tab.2 Experimental setup of primary air

表3 煤粉工业分析数据(空干基)

Tab.3 Proximate analysis of pulverized coal %

表4 煤粉元素分析数据(空干基)

Tab.4 Ultimate analysis of pulverized coal %

表5 煤粉射流燃烧实验工况

Tab.5 Experimental setup of pulverized coal jet combustion

3 高速煤粉射流火焰形态分析

基于宿迁粗煤粉(75～120μm)在高速条件下的射流燃烧实验，以射流速度为横轴，给粉质量浓度为纵轴，将拍摄得到的射流火焰图片整理成图谱，见图6和图7．图中左侧的绿线是基于Feng等[19]提出的煤粉燃烧模式判据计算的高温燃烧—MILD燃烧阈值线．

从图7可以看到，当射流速度为15m/s时，1.0kg/m3的给粉质量浓度下出现了群燃火焰，而0.2kg/m3的给粉质量浓度下则处于群燃与分散燃烧的临界点．提高射流速度到30m/s，火焰形态完全变为分散燃烧，呈现暗褐色扩散状，亮度明显减弱．进一步提高射流速度到50m/s，喷口附近引发明显的回流卷吸，边壁落粉被裹挟回炉膛中心区域，其间被高温二次风引燃发生分散的均相着火而出现明亮轨迹．当射流速度提高到75m/s甚至是100m/s时，中心射流火焰接近消失，回流引发的单颗粒均相着火则愈加旺盛，同时位置更低．对比图6或图7中上方固定给粉质量浓度的一组图像和下方固定给粉质量浓度的另一组图像可以得出，射流速度提高带来的煤粉质量浓度减小对火焰形态的影响是十分显著的，然而固定给粉质量浓度的实验结果也表明射流速度提高自身引起的湍流混合增强等因素也会造成射流火焰变短等形态变化．

图6 1200℃下宿迁粗煤粉射流火焰图谱

图7 1400℃下宿迁粗煤粉射流火焰图谱

与图6相比，图7中各种工况下火焰更亮，这是环境温度较高所致．环境温度的提高同时还会增加二次风烟气黏度，导致高速射流下喷口附近的回流区更贴近于中心射流，因而有更多的煤粉被二次风火焰引燃．其效果比单单通过提高射流速度来增强湍流卷吸要明显得多，对比图8中不同环境温度下喷口附近的火焰图像可以证明．

由于图6、图7中瞬态图像需要控制曝光时间在1ms量级，此时难以获得本就偏暗的高速煤粉射流火焰的整体形貌．因此，增长曝光时间至33ms量级，另行拍摄其整体火焰形貌．保持其他工况条件不变，给粉量固定在2.19g/min，射流速度为10m/s时对应的给粉质量浓度为0.75kg/m3，其余射流速度下的给粉质量浓度可以类推，实验拍摄得到宿迁煤射流火焰整体形貌如图9所示．射流速度在20m/s以下确实存在群燃火焰，但在30m/s以上时炉膛上部的群燃火焰消失，变为下部的扩散状黄色火焰伴随大量乱飞的明亮“火星”(着火的单颗粒煤粉)．随着射流速度的提高，扩散状火焰越来越短，炉膛明亮区域也越来越矮，这在瞬态火焰图像里是难以体现的．

图8 喷口附近的宿迁煤射流火焰形态(曝光时间：10ms)

图9 1200℃下宿迁粗煤粉射流火焰整体形貌(曝光时间：33ms)

当射流速度超过35m/s后，炉膛底部喷口附近就出现了明显的回流卷吸．回流裹挟着边壁落粉被二次风火焰点燃，形成明亮的单颗粒均相燃烧火焰，暂时称之为回流火焰．随着射流速度的进一步提高，回流火焰愈发旺盛，而中心射流火焰越来越短，越来越暗，直至被前者所掩盖．这种高速射流下出现的回流与受限射流有关．对于横截面为70mm×70mm的炉膛来说，其中的低速射流还可以算是自由射流，高速射流则势必成为有限空间内的受限射流，从而引发有限空间底部的回流，且射流速度越大，回流区越靠近射流喷口，卷吸程度越大．因此上述高速射流下的煤粉火焰，其实都是受限射流下的结果．

为明确高速射流条件下壁面因素的影响，去掉构成有限空间的保温炉罩，在相同的工况条件下用宿迁粗、细两种煤粉(75～120μm、45μm以下)进行自由空间下的煤射流燃烧实验，将观测得到的火焰图像分别汇总为图10和11．首先可以看到，在自由射流下，回流火焰没有出现．其次，射流火焰的高度随着射流速度的提高而显著降低．提取图11中不同射流速度下的火焰高度，如图12所示，在15～50m/s的速度范围内，射流火焰高度下降最快．这一现象与受限条件下的火焰形态变化是相似的，这表明受限空间内的壁面卷吸回流效应并不是导致高速射流中火焰高度减小的最主要原因．第三，高速自由射流下煤粉燃烧都呈现亮白色不透明火焰，推测应该是剪切层中大量煤颗粒发生均相着火所致；而高速受限射流下的煤粉火焰更接近透明状，很可能是有限空间导致卷吸掺混更加强烈，加快了对挥发分的吹扫稀释，从而抑制了颗粒群的均相着火．

图10 宿迁粗煤粉自由射流火焰形态(曝光时间：33ms)

图11 宿迁细煤粉自由射流火焰形态(曝光时间：0.2ms)

图12 宿迁细煤粉自由射流火焰高度

4 结 论

利用Hencken型平焰燃烧器系统开展了高速煤粉射流燃烧实验，并就煤粉射流火焰的形态特点及射流速度、煤粉质量浓度、受限空间等主要因素的影响进行了分析，主要成果及结论如下：

(1) 整合煤粉射流火焰图片，以射流速度和给粉质量浓度为主要坐标，提出了煤粉射流火焰形态的四分法，即从群燃与分散燃烧、层流与湍流两个维度上进行分类得到了煤粉射流火焰形态图谱．

(2) 在高速煤粉射流条件下，随着射流速度提高，火焰形态从群燃火焰向分散燃烧转变，火焰高度减小、亮度减弱．其中煤粉质量浓度下降和流场卷吸掺混增强均有影响，但前者更为显著．

(3) 对于受限空间内的煤粉射流燃烧，提高射流速度会促进壁面的卷吸回流效应，使回流区域增大并向射流喷口靠近，并裹挟边壁落粉被二次风火焰引燃而形成回流火焰．回流火焰加剧了湍流掺混，消耗了环境O2．在自由射流条件下，虽未产生回流火焰，但煤粉火焰高度随射流速度提高仍明显减小，体现了高速射流自身的强剪切混合作用．

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Flame Pattern Characteristics of High-Speed Pulverized Coal Jet

Huang Wenshi，Zhang Qi，Wu Yuxin，Zhang Yang

(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Department of Energy and Power Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

The experiment on high-speed pulverized coal jet combustion was carried out by using Hencken flat flame combustion system. The flame pattern characteristics and main influencing factors were analyzed based on the experimental results. The results show that with the increase of jet velocity, the pulverized coal flame pattern changes from group combustion to dispersed combustion and becomes shorter and darker, which is due to the decrease of coal particle mass concentration and the enhancement of entrainment and mixing in the flow field. The jet with highwill cause strong backflow near the wall, entrain the falling coal particles to form a backflow flame, and increase the turbulent mixing. Under free jet, there is no obvious backflow flame, but the flame length decreases with the increase of jet velocity.

coal combustion；high-speed jet；Hencken burner；flame pattern

TQ534

A

1006-8740(2022)01-0042-07

2021-04-09．

国家自然科学基金资助项目(51761125011)；清华大学-中国华能集团有限公司基础能源联合研究院资助项目(HNKJ20-H50).

黄文仕（1997—  ），男，博士研究生，huangws18@mails.tsinghua.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

吴玉新，男，博士，副教授，wuyx09@mail.tsinghua.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)