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(1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所 系統(tǒng)研究室，江西　景德鎮(zhèn)　333001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150001；3.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司 研發(fā)中心,北京　100160；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國家級重點實驗室，黑龍江　哈爾濱　150080)

能源安全和環(huán)境保護(hù)是我國面臨的重要問題。我國一次能源以煤為主，2012年我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤占68.5%，而2012年全國電力行業(yè)耗煤總量18.69億t[1]，占我國煤炭產(chǎn)量的一半左右。煤炭燃燒引起的污染物排放是中國大氣污染的主要來源之一[2]。燃煤發(fā)電主要采用煤粉爐，占火電總裝機(jī)容量的85%以上，因此不斷深入了解和提高煤粉燃燒技術(shù)具有重要意義。煤粉燃燒高效低排要求深入研究詳細(xì)的煤粉燃燒機(jī)理和具體的反應(yīng)過程。

煤粉燃燒是一個復(fù)雜氣固兩相燃燒反應(yīng)過程，包含著非常復(fù)雜物理、化學(xué)變化過程，主要包括：預(yù)熱干燥，揮發(fā)析出及焦炭形成，揮發(fā)分氣相燃燒反應(yīng)和后期焦炭氣固兩相反應(yīng)。OH基是碳?xì)淙剂先紵^程中最重要的中間產(chǎn)物之一，對于煤粉著火而言，OH基的存在就意味著揮發(fā)分燃燒過程的進(jìn)行，通過對OH基濃度和分布的分析，可以得到火焰結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理等方面的信息。著火點的確定是研究煤粉著火問題關(guān)鍵和難點所在，其對應(yīng)著火時間是研究煤粉著火特性的重要指標(biāo)，是理論研究和工程實踐的結(jié)合點[3]。

對于煤粉著火特性的研究早期多采用固定床反應(yīng)器，由于儀器本身限制和煤粉堆積作用，煤粉升溫速率相比于實際煤粉爐爐膛中升溫速率低得多[4-5]。沉降爐或者平焰燃燒器能產(chǎn)生接近真實情況的高達(dá)105量級的加熱速率。Yiannis A.Levendis等人[6-9]利用一維沉降爐試驗臺對不同煤種和生物質(zhì)單顆粒燃燒行為進(jìn)行了廣泛的研究，研究發(fā)現(xiàn)在高氧濃度條件下，著火時間隨著氧濃度的增加呈現(xiàn)線性降低規(guī)律。相對于沉降爐，平焰燃燒器用內(nèi)部的燃燒后高溫?zé)煔庾鳛闊嵩炊皇峭獠康碾娂訜嶙鳛闊嵩?，更符合實際煤粉燃燒情況，調(diào)節(jié)工況溫度更加快速，可以實現(xiàn)更高的環(huán)境溫度(如達(dá)到1 800 K)，特別是利于目前各研究者[3,10-14]廣泛采用的光學(xué)診斷技術(shù)對煤粉著火及燃燒行為的研究。黃曉宏[3]研究發(fā)現(xiàn)在1 670 K和1 770 K兩種環(huán)境溫度，O2/CO2和O2/N2氣氛下，著火延遲時間均隨著環(huán)境溫度的增加而降低；李水清等[14]研究發(fā)現(xiàn)著火延遲時間的對數(shù)和溫度的倒數(shù)近似成正比。這些研究一般都是通過平焰燃燒器產(chǎn)生比較均一的高氧濃度高溫?zé)煔猸h(huán)境，用少量N2攜帶將煤粉噴入燃燒室，研究環(huán)境溫度、氧濃度、煤種等基本參數(shù)對煤粉著火及燃燒的影響；而本文通過平焰燃燒器上可燃預(yù)混氣燃燒產(chǎn)生近煤粉爐內(nèi)煤粉燃燒后煙氣氣氛(氧氣摩爾濃度為5%，二氧化碳摩爾濃度為14%)，通過安排一次風(fēng)(空氣)攜帶煤粉和外側(cè)二次風(fēng)(空氣)裹挾實現(xiàn)煤粉周圍局部氣氛初期為空氣，后向煙氣氣氛漸變，最大程度接近煤粉射流在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒過程，研究近煤粉鍋爐內(nèi)燃燒條件下煤粉射流著火和燃燒特性。

1　試驗裝置和方法

1.1　基于光學(xué)診斷技術(shù)的攜帶流煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主體部分為平焰煤粉燃燒器，其具體結(jié)構(gòu)參見我們之前研究[15],其基本原理是可燃預(yù)混氣從平焰區(qū)氣孔噴出燃燒，形成幾毫米厚的平面火焰，產(chǎn)生的層流煙氣模擬煤粉鍋爐的高溫?zé)煔猸h(huán)境。平焰燃燒器可調(diào)整O2、CH4、CO2和 N2的流量(總流量保持不變)調(diào)控燃燒室內(nèi)溫度場，試驗時不同工況可燃預(yù)混氣配置方案如表1，保護(hù)氣流量為5 sl/min，一次風(fēng)流量為0.2 sl/min，二次風(fēng)流量為1 sl/min。燃燒室軸線方向上溫度分布特性及顆粒在燃燒室內(nèi)停留時間計算方法參見之前的研究[15]。

圖1　基于光學(xué)診斷技術(shù)的攜帶流煤粉反應(yīng)系統(tǒng)

表1不同反應(yīng)工況下可燃預(yù)混氣配置方案

工況背景煙氣環(huán)境配置預(yù)混氣/L·min-1燃燒后煙氣成分溫度/K氧濃度/[%]O2CH4CO2N2O2/[%]CO2/[%]H2O/[%]B11 60052.961.110.999.945.014.014.7B21 70053.111.180.929.795.014.015.7B31 80053.481.370.729.435.013.918.2

1.2　試驗煤樣

試驗中采用兩種高揮發(fā)性煤，神華煙煤(SH)和蒙東褐煤(MD)，表2給出了三種煤干燥基工業(yè)分析和元素分析。選用的煤粉顆粒直徑為53～80 μm，所有工況給粉速率是3.8 g/h。

表2原煤的工業(yè)分析、元素分析

煤種元素分析(d,wt%)工業(yè)分析(d,wt%)CHNSVFCASH80.194.462.010.2231.4265.642.94MD55.575.380.960.4744.3441.8013.86

1.3　著火特性分析方法

OH基是碳?xì)淙剂先紵^程中最重要的中間產(chǎn)物之一，對火焰中OH基的探測可以有效反映煤粉析出揮發(fā)分的著火燃燒過程?？扇碱A(yù)混燃燒產(chǎn)生的平焰本身會產(chǎn)生OH基，因此試驗設(shè)備需要使得平焰產(chǎn)生的OH基不能混入到煤粉燃燒產(chǎn)生的OH基區(qū)域，以免干擾研究結(jié)果?；鹧孀园l(fā)輻射總光強(qiáng)是表征煤粉火焰燃燒總強(qiáng)度，而火焰中OH基自發(fā)輻射信號強(qiáng)度僅僅表征煤粉火焰中揮發(fā)分燃燒強(qiáng)度。煤粉火焰自發(fā)輻射信號強(qiáng)度沿燃燒室高度方向的歸一化分布曲線上，光強(qiáng)達(dá)到最大值20%的高度位置定義為著火點位置，可計算得到相應(yīng)的著火延遲時間，將第二次到達(dá)峰值強(qiáng)度20%點和著火點之間的距離定義為主燃燒段長度，用來表征試驗工況下火焰燃燒持續(xù)過程長短。煤粉火焰自發(fā)輻射測量方法及數(shù)據(jù)處理分析方法詳見我們之前的研究[15]。

2　燃燒室內(nèi)煤粉燃燒環(huán)境的數(shù)值模擬

燃燒室內(nèi)煤粉燃燒環(huán)境是由平焰燃燒器上可燃預(yù)混氣燃燒產(chǎn)生的煙氣和保護(hù)氣及一二次風(fēng)(空氣)流動混合形成的。通過數(shù)值模擬手段說明試驗裝置設(shè)計和試驗配氣方案的合理性，試驗可實現(xiàn)最大程度上接近煤粉射流在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒過程。先根據(jù)模擬對象，確定合理的計算域，利用GAMBIT軟件建立幾何模型，劃分網(wǎng)格，在FLUENT軟件中導(dǎo)入CHEMKIN格式化學(xué)反應(yīng)機(jī)理文件，設(shè)置輻射換熱模型、流動模型、燃燒模型、邊界條件，實現(xiàn)對模擬對象的數(shù)值模擬。

2.1　幾何模型及網(wǎng)格

模擬對象幾何模型網(wǎng)格如圖2所示。因為燃燒室是軸對稱的，可以簡化為二維問題。預(yù)混氣平焰區(qū)有兩千余個直徑0.5 mm的小孔，在模型中將這些小孔都體現(xiàn)出來十分困難，模型中對于預(yù)混氣區(qū)做了簡化處理，認(rèn)為預(yù)混氣是從預(yù)混氣區(qū)整個環(huán)形出口均勻流出的，設(shè)置速度入口，預(yù)混氣速度根據(jù)總量相等做了折算處理。幾何模型中采用實際尺寸建模。利用GAMBIT軟件劃分網(wǎng)格，采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2　幾何模型網(wǎng)格

2.2　計算中用到的模型

燃燒反應(yīng)中涉及到物質(zhì)輸運(yùn)和化學(xué)反應(yīng)，本次模擬采用EDC模型，EDC模型能考慮化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理選用包含16種組分的41步反應(yīng)機(jī)理，能模擬出表征揮發(fā)分燃燒的中間組分OH基的分布。因為DO模型[16]可以模擬半透明介質(zhì)換熱，又能模擬燃燒反應(yīng)，同時通過邊壁設(shè)置能把對流換熱考慮進(jìn)來，可增加模擬的精確度，因此采用DO模型進(jìn)行計算。FLUENT自帶的WSGGM模型，可以考慮CO2和H2O大量存在的情況下氣體吸收系數(shù)，采用此模型可以很好地解決反應(yīng)氣體的吸收系數(shù)問題，使數(shù)值模擬更接近實際燃燒過程。

2.3　數(shù)值模擬結(jié)果

之前我們的研究是在均一煙氣條件下煤粉射流著火和燃燒行為，研究所需的是高環(huán)境氧濃度(10%～30%)、溫度為1 600～1 800 K下的背景煙氣環(huán)境，煤粉由少量氮?dú)?0.2 sl/min)攜帶進(jìn)入燃燒室，研究環(huán)境溫度、氧濃度等基本參數(shù)對煤粉著火及燃燒的影響；而本文研究的內(nèi)容是近煤粉鍋爐內(nèi)燃燒條件下煤粉著火和燃燒特性，研究所需要的是近煤粉爐內(nèi)煤粉燃燒后煙氣氣氛(氧氣濃度為5%)、溫度為1 600～1 800 K下的背景煙氣環(huán)境，通過一次風(fēng)(空氣氣量0.2 sl/min)攜帶煤粉且外圍二次風(fēng)(空氣氣量1.4 sl/min)裹攜進(jìn)入燃燒室實現(xiàn)煤粉燃燒的局部氣氛初期為空氣，后向煙氣氣氛漸變。為了顯示這兩種燃燒環(huán)境(特別是煤粉燃燒初期局部氣氛)的差異，下面給出給粉管(一次風(fēng)管)伸入燃燒室2 cm、環(huán)境氧濃度10%，攜帶風(fēng)為氮?dú)夂鸵欢物L(fēng)都為空氣兩種情況下燃燒室內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果。下文分析中，攜帶氣為氮?dú)夤r標(biāo)記為N2工況，一二次風(fēng)都為空氣工況標(biāo)記為Air工況。

圖3　兩種工況下燃燒室軸向速度云圖及流線圖

由圖3可知，雖然Air工況比N2工況多噴入1.4 sl/min的二次風(fēng)，但相對于可燃預(yù)混氣氣量20 L/min和保護(hù)氣氣量5 L/min仍然較小，燃燒室內(nèi)整體速度場并無明顯區(qū)別。由流線分布可知，在燃燒室中心區(qū)域呈層流狀態(tài)，確保其中的煤粉顆粒不因湍流情況影響其化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)，同時盡可能減少顆粒的徑向混合，盡量保證顆粒平行于軸線進(jìn)行軸向運(yùn)動，使試驗中煤粉顆粒所經(jīng)過的歷程和反應(yīng)程度都近乎一致，這樣才能保證試驗結(jié)果的可靠性[3]。中心高溫區(qū)氣體難流向壁面，與壁面對流換熱少，利于在燃燒室內(nèi)氣溫在軸線方向上保持恒溫性。

由圖4可知，在N2工況下，煤粉流過3 cm的距離其周圍的氧濃度就能很接近研究所需要的背景氧濃度，但是煤粉初期揮發(fā)分釋放和燃燒是處于較低環(huán)境氧濃度下的；在Air工況下，煤粉由一次風(fēng)空氣攜帶外側(cè)二次風(fēng)空氣裹攜，流過區(qū)域的氧濃度是由空氣的21%向背景氧濃度(煤粉鍋爐中煤粉燃燒后煙氣中的氧濃度)漸變的，其是在比較高的環(huán)境氧濃度下發(fā)生揮發(fā)分釋放和揮發(fā)分氣相燃燒的，后期焦炭在較低的環(huán)境氧濃度下燃燒，這接近煤粉在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒的過程中周圍氧氣濃度的變化過程。

圖4　兩種工況下燃燒室O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

由圖5可知，因為N2工況下由于攜帶氣N2會降低煤粉出口處的氧濃度且本身溫度低，會抑制平焰產(chǎn)生的OH基向燃燒室中心擴(kuò)散，因此在煤粉出口處OH基濃度很低，平焰產(chǎn)生的OH基對煤粉燃燒產(chǎn)生的OH基的測量干擾比較??；而Air工況下，由于冷的二次風(fēng)量比較大，燃燒室軸線區(qū)域低OH基濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.002)范圍更大，對煤粉射流火焰中OH基測量更有利。

圖5　兩種工況下燃燒室OH基質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

3　試驗結(jié)果與分析討論

下面圖例中，1 600、1 700、1 800表示燃燒室內(nèi)環(huán)境溫度為1 600 K、1 700 K、1 800 K，0.1、0.2和0.3分別表示燃燒室內(nèi)環(huán)境氧濃度為10%、20%、30%，sh2和md2分別表示近爐內(nèi)燃燒條件下的神華煙煤和蒙東褐煤，z表示中等粒徑(53～80 μm)。

3.1　環(huán)境溫度對高揮發(fā)分煙煤著火及燃燒的影響

由圖6可知，近爐內(nèi)燃燒條件下神華煙煤在初始30～40 mm內(nèi)處于加熱階段，其總光強(qiáng)分及OH基自發(fā)輻射強(qiáng)度幾乎都為零，之后急劇上升到峰值再緩慢下降。由圖7可知，神華煙煤總著火延遲時間和揮發(fā)分著火延遲時間都隨著環(huán)境溫度的提高而略變短。根據(jù)熱爆炸理論[17]，煤粉顆粒著火時間和燃料氧化劑混合物的反應(yīng)性成反比，升高溫度可以增加燃料的反應(yīng)性，從而降低煤粉火焰著火延時。由圖8可知，在環(huán)境溫度1 600～1 800 K范圍內(nèi)，煤粉射流火焰主燃燒段長度比火焰中揮發(fā)分主燃燒段長度要長25 mm左右，這是因為OH基主要存在揮發(fā)分氣相燃燒反應(yīng)區(qū)域，而煤粉燃燒后期揮發(fā)分燃盡焦炭氣固兩相燃燒反應(yīng)也會發(fā)出強(qiáng)烈的光，這部分長度在通過總光強(qiáng)分布曲線獲得的主燃燒段長度有體現(xiàn)；而它們都隨著環(huán)境溫度的提高而變長，這是因為雖然環(huán)境溫度提高促進(jìn)煤粉燃燒，但是溫度提高使得燃燒室內(nèi)氣體流速提高導(dǎo)致煤粉主燃燒段變長，且后者起得作用更大。

圖6　近爐內(nèi)燃燒條件下神華煙煤在不同溫度下歸一化分布曲線

圖7　在不同溫度下神華煙煤著火延時

圖8　在不同溫度下神華煙煤主燃燒段長度

圖9　在不同溫度下蒙東褐煤著火延時

圖10　在不同溫度下蒙東褐煤主燃燒段長度

3.2　環(huán)境溫度對褐煤著火及燃燒的影響

由圖9可知，近爐內(nèi)燃燒條件下蒙東褐煤總著火延遲時間與揮發(fā)分著火延遲時間都隨著環(huán)境溫度的提高而變短。由圖10可知，蒙東褐煤主燃燒段長度比火焰中揮發(fā)分的主燃燒段長度要長25 mm左右，這個數(shù)值要比我們之前研究的褐煤在高氧濃度下主燃燒段長度與火焰中揮發(fā)分的主燃燒段長度[15]之間差值大很多，這是因為在近爐內(nèi)燃燒條件下褐煤后期焦炭燃燒處于低氧濃度環(huán)境下，需要燃盡時間更長。與煙煤不同的是，褐煤主燃燒段長度要短一些，而且其幾乎不隨環(huán)境溫度提高而變化，這是因為環(huán)境溫度提高對褐煤燃燒反應(yīng)性提升更大，褐煤燃燒反應(yīng)性對環(huán)境溫度提高更加敏感。

4　結(jié)論

本文在光學(xué)診斷型攜帶流煤粉反應(yīng)器系統(tǒng)上開展煤粉著火及燃燒特性初步研究，通過數(shù)值模擬手段說明了試驗系統(tǒng)設(shè)計和試驗配氣方案的合理性，考察了環(huán)境溫度、環(huán)境氧濃度、煤種對煤粉著火延時及主燃燒段長度的影響。試驗裝置燃燒室內(nèi)煤粉燃燒環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果顯示：燃燒室中心區(qū)域呈層流狀態(tài)，可使試驗中煤粉顆粒所經(jīng)過的歷程和反應(yīng)程度都近乎一致；煤粉出口處OH基濃度很低，平焰產(chǎn)生的OH基對煤粉燃燒產(chǎn)生的OH基的測量干擾比較??；試驗配氣方案使得煤粉流過區(qū)域的氧濃度是由空氣的21%向背景氧濃度(煤粉鍋爐中煤粉燃燒后煙氣中的氧濃度)漸變的，煤粉是在比較高的環(huán)境氧濃度下發(fā)生揮發(fā)分釋放和揮發(fā)分氣相燃燒，后期焦炭是在較低的環(huán)境氧濃度下燃燒，這接近煤粉在煤粉鍋爐內(nèi)燃燒的過程中周圍氧氣濃度的變化過程。試驗研究表明：在近爐內(nèi)燃燒條件下，粒徑為53～80 μm煙煤和褐煤煤粉總著火延遲時間和揮發(fā)分著火延遲時間都隨著環(huán)境溫度的提高而變短；褐煤煤粉主燃燒段長度比火焰中揮發(fā)分的主燃燒段長25 cm左右，比以前我們研究的在高氧濃度環(huán)境下兩者差值更大；與煙煤相比，褐煤主燃燒段長度要短一些，而且其幾乎不隨環(huán)境溫度提高而變化，這是因為環(huán)境溫度提高對褐煤燃燒反應(yīng)性提升更大，褐煤燃燒反應(yīng)性對環(huán)境溫度提高更加敏感。