朱文堃，齊洪亮，楊玉奇，彭江波，孫?銳，丁賽杰，張?蕾，田?巖

?

基于OH-PLIF測量技術(shù)的煤粉射流火焰著火燃燒特性

朱文堃1，齊洪亮1，楊玉奇1，彭江波2，孫?銳1，丁賽杰1，張?蕾1，田?巖3

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所；哈爾濱 150001；2. 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，哈爾濱 150080；3. 北京國電龍高科環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100035)

在光學(xué)診斷型煤粉燃燒器系統(tǒng)上研究煤粉著火燃燒特性，利用ICMOS相機捕捉射流火焰總光強信號、自發(fā)輻射信號以及PLIF熒光信號，根據(jù)獲得信號的品質(zhì)，判斷各種測試手段的優(yōu)缺點．計算射流火焰總光強和PLIF熒光信號的著火延遲時間，分析PLIF測量手段的可靠性，結(jié)合OH-PLIF技術(shù)的瞬態(tài)圖像，以及著火延遲時間的變化規(guī)律，分析射流火焰揮發(fā)分著火及燃燒特性．研究結(jié)果表明，顆粒群著火是揮發(fā)分先析出著火燃燒，然后加熱焦炭顆粒燃燒的過程．

煤粉；著火；射流火焰；PLIF；揮發(fā)分燃燒

煤粉著火及燃燒特性的研究由來已久，煤粉著火是整個燃燒過程的開始，也直接影響到燃燒過程的清潔高效、燃燒環(huán)境的安全穩(wěn)定，因此著火過程的研究至關(guān)重要[1]．大量的研究表明，煤粉燃燒的穩(wěn)定性對于燃燒器的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，也直接影響到燃燒系統(tǒng)的著火穩(wěn)定性；煤粉爐穩(wěn)燃性能受到煤粉脫揮發(fā)分過程的直接影響，而且脫揮發(fā)分過程對于NO等污染物排放影響巨大[2]，煤粉著火特性的分析研究是煤粉燃燒領(lǐng)域的關(guān)鍵研究內(nèi)容．煤粉著火是復(fù)雜的氣固兩相燃燒，著火機理異常復(fù)雜，研究者對煤粉顆粒經(jīng)歷均相著火還是異相著火極為關(guān)注[2]；不同的燃燒條件下著火模式各有不同，具體為何種著火模式取決于顆粒表面加熱速率和揮發(fā)分熱解釋放速率的相對大小[3]．任何方式的煤燃燒，著火是首要條件，即如何加熱煤粉顆粒，將煤粉顆粒點燃，并達到穩(wěn)定著火以及火焰?zhèn)鞑サ哪康模谥鹑紵^程中，煤粉顆粒間的相互作用、相互影響，對于燃燒器的燃燒穩(wěn)定、燃盡程度及污染物排放有著重要的影響[4]．

均相著火是煤粉著火的主要方式之一，均相著火的溫度與煤顆粒揮發(fā)分含量和粒徑相關(guān)[1,5]. Gururajan等[6]在研究中重新發(fā)展了均相著火模型，考慮到焦炭表面氧化反應(yīng)，同時也將原有模型中低溫情況下預(yù)測著火溫度偏低的情況進行糾正．之后，研究者Howard等[7]發(fā)現(xiàn)在特定情況下煤粉顆粒的著火是焦炭顆粒表面先發(fā)生著火，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，提出了異相著火模型；考慮多因素對著火影響時，異相著火模型在解釋能力上更有優(yōu)勢；實驗中也發(fā)現(xiàn)粒徑在15μm以下時，顆粒群的著火多是異相著火．

伴隨技術(shù)的不斷進步，光學(xué)測量手段被引入燃燒測量中，例如采用雙色或三色高溫計測量煤粉顆粒燃燒溫度[8-9]，使用高速相機可以觀察到高速流動中煤粉的著火形態(tài)以及判斷其著火機制[10-12]；煤粉燃燒機理的研究中，用CH*信號判斷揮發(fā)分著火和熄滅相比于碳黑或者熱焦的黑體輻射信號效果更好[13-14]；燃燒中CH*、OH*等自由基并不容易探測到，采用平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)激發(fā)自由基輻射熒光增加了有效信號的強度，對于火焰中異?；钴S的OH*和CH*等痕量組分，具有非常好的探測效果，而且對燃燒場影響非常?。?/p>

Seung等[15]搭建一個可利用光學(xué)測量手段的煤粉燃燒器，其中雙色高溫計測量煤粉燃燒過程中的火焰溫度，SDPA系統(tǒng)測量煤粉顆粒速度，用濾光片測得自發(fā)輻射信號CH*的分布，由OH-PLIF和Mie散射技術(shù)得到煤粉顆粒與燃燒反應(yīng)區(qū)域的空間關(guān)系；研究結(jié)果表明煤粉流上部區(qū)域在邊緣發(fā)生燃燒反應(yīng)，伴隨反應(yīng)不斷的進行，煤粉流下部區(qū)域在內(nèi)部發(fā)生燃燒反應(yīng)，煤粉流精細的火焰特征為數(shù)值模擬的發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．Hayashi等[16]進一步研究中，增加激光誘導(dǎo)白熾燈(LII)測量系統(tǒng)，探測煤粉熱解燃燒中碳黑的釋放情況，OH-PLIF技術(shù)測量燃燒反應(yīng)區(qū)的情況，分析研究碳黑和OH*的空間分布情況，得知OH*與碳黑釋放的疊加區(qū)域在不斷向下部區(qū)域擴展，而且碳黑大量存在于高溫、低氧的煤顆粒周圍．

Balusamy等[17]在用甲烷燃燒為熱源的煤粉燃燒器上開展研究，采用OH-PLIF技術(shù)、Mie散射及LDV(2D)技術(shù)，對燃燒反應(yīng)區(qū)進行在線監(jiān)測；研究結(jié)果表明，在一定程度內(nèi)增加給粉速率加速燃燒反應(yīng)，縮短射流火焰長度，碳黑在煤粉射流火焰燃燒較弱的離散區(qū)域形成．K?ser等[18]在預(yù)混平焰燃燒器上開展煤粉熱解燃燒的研究，利用10kHz的OH-PLIF技術(shù)捕捉單顆粒煙煤(90～125μm)燃燒的OH*瞬態(tài)圖像，連續(xù)圖像的時間變化規(guī)律展現(xiàn)了揮發(fā)著火的全過程，發(fā)現(xiàn)氧含量強烈影響揮發(fā)分燃燒，而且揮發(fā)分燃盡只需1～2ms，強有力地說明單顆粒煙煤著火是均相著火．相比于傳統(tǒng)的自發(fā)輻射光譜圖像，OH-PLIF的斷層圖像更容易確定揮發(fā)分著火的起始點，以及火焰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．

本文在自主設(shè)計的煤粉反應(yīng)燃燒器開展煤粉射流火焰的著火燃燒特性的研究，分析射流火焰的總光強信號、OH*自發(fā)輻射信號及PLIF熒光信號，通過測量數(shù)據(jù)的對比，分析說明各個測量手段的優(yōu)劣，并通過歸一化光強曲線計算出的煤粉著火延遲時間，結(jié)合OH-PLIF的斷層瞬態(tài)圖像，分析環(huán)境氧濃度對于煤粉射流火焰的燃燒影響．

1?實驗裝置和方法

1.1?煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)

煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)主體是預(yù)混平焰燃燒器，具體結(jié)構(gòu)介紹詳見文獻[19]；本實驗在此基礎(chǔ)上增加PLIF測量實驗臺，見圖1．PLIF系統(tǒng)主要由激光器模塊、光束整形模塊、信號采集模塊3個部分組成．

激光器模塊主要包括Nd：YAG固體激光器、倍頻SHG器和染料激光器等，如圖2所示；Nd：YAG固體激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過倍頻及燃料激光器調(diào)整后輸出波長為283nm的激光，經(jīng)過測量激光束的單脈沖能量穩(wěn)定在0.7mJ左右．

光束整形模塊主要包括反射鏡、透鏡組等，其作用是將一維點狀激光整形為二維平面激光．PLIF技術(shù)探測二維平面的光學(xué)信號，激光的入射形態(tài)是片光源，探測火焰的二維斷層圖像，本文中整形后的片光源高24mm、厚300mm．

信號采集模塊主要包括ICMOS 相機、DG645數(shù)字延時信號發(fā)生器、DG535數(shù)字延時信號發(fā)生器、濾波片、計算機等．OH*熒光壽命只有幾十納秒左右，所以采用數(shù)字延時信號發(fā)生器控制ICMOS相機的信號采集與LIF激光激發(fā)過程同步進行．

圖1?光學(xué)診斷型煤粉反應(yīng)系統(tǒng)

圖2?OH-PLIF激光系統(tǒng)

ICMOS相機鏡頭為紫外鏡頭(＝105mm，/4.5)，相機門寬為100μs，相機幀頻為20Hz，紫外鏡頭對火焰的直接成像是總光強輻射信號，在鏡頭前安裝濾光片獲得OH*自發(fā)輻射信號[19]．PLIF激光光束入射待測火焰區(qū)域，激發(fā)火焰中被測OH*輻射熒光信號，由ICMOS相機捕獲后進而獲得OH*的熒光信號，其中相機幀頻為100Hz，門寬為50ns．

1.2?實驗工況設(shè)計

實驗的研究對象煤粉采用神華煙煤，煤粉粒徑為53～80μm，實驗時給粉速率1.9g/h，神華煙煤干燥劑的工業(yè)分析和元素分析如表1所示．煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)可靈活調(diào)整CH4、O2和 N2的流量(保持總流量不變)，通過調(diào)節(jié)氣體配比對燃燒環(huán)境控制，實驗工況配比方案如表2所示．

表1?原煤的工業(yè)分析和元素分析

Tab.1?Ultimate and proximate analyses of coal

表2?實驗工況配比方案

Tab.2?Configuration scheme for experimental operation condition

1.3?顆粒流速度測量

利用OH-PLIF圖像的時間規(guī)律性，可測量顆粒流動速度，相鄰圖像的時間間隔是0.01s，利用單顆粒在圖像的不同位置高度計算出兩張圖片的位移差值，不同圖像距離差值如圖3所示，煤顆粒受到重力及氣體吹動和熱解燃燒的影響，可認為顆粒在燃燒器內(nèi)做勻加速直線運動，根據(jù)＝/可得顆粒流動速度，同時也得到此段位移中間位置的瞬時速度，通過計算得到顆粒速度分布圖，如圖3(b)所示．

圖3?沿燃燒室高度方向的顆粒速度分布

2?實驗結(jié)果與分析討論

2.1?顆粒群著火特性

顆粒的著火伴隨著光和熱的強烈釋放，所以利用光強值的變化可以判斷顆粒群的著火位置．總光強輻射信號和OH*自發(fā)輻射信號著火位置判斷采用文獻[20]的方法，PLIF熒光信號的著火位置判斷采用類似的方法，規(guī)定光學(xué)信號第1次達到最大光強20%時定義為火焰的著火位置．在獲得煤粉著火位置以及顆粒速度后，可獲得煤粉顆粒群著火延遲時間，如圖4所示(神華煙煤，環(huán)境溫度1700K，氧體積分?jǐn)?shù)20%)；著火延遲時間是煤粉著火燃燒特性的重要衡量指標(biāo)，本文將利用光學(xué)診斷技術(shù)重點研究顆粒群在不同氧濃度及不同溫度下的著火燃燒特性．

煤粉顆粒群著火研究中，當(dāng)煤粉顆粒的粒徑遠小于顆粒間的距離時，顆粒群的著火可認為是大量單顆粒著火的集聚[20-21]，將煤粉單顆粒的著火機理研究應(yīng)用到煤粉顆粒群的燃燒研究中，簡化顆粒群著火燃燒復(fù)雜性．基于以上的假設(shè)，顆粒群著火可認為是顆粒間相互作用的結(jié)果，對于分散良好的顆粒群的著火燃燒，通過探究單顆粒OH*的變化規(guī)律和火焰結(jié)構(gòu)和顆粒群的OH*變化規(guī)律和火焰結(jié)構(gòu)，可深入分析煤粉著火燃燒特性．

圖4?歸一化信號強度曲線及著火延遲時間

圖4(a)中3條光強曲線的變化表明，最先出現(xiàn)著火點位置的是PLIF熒光信號，說明PLIF的響應(yīng)性能最好，對于著火點的判斷更為合適．其中PLIF熒光信號曲線在10～20mm 的高度范圍內(nèi)，呈線性增加的趨勢，揮發(fā)分火焰從著火到穩(wěn)定的燃燒強度逐漸增加；在20～30mm的高度范圍內(nèi)，光強值穩(wěn)定在最大光強范圍內(nèi)，說明揮發(fā)分火焰在此區(qū)域內(nèi)達到劇烈穩(wěn)定燃燒．圖4(b)給出采用總光強輻射信號和PLIF熒光信號下的著火延遲時間的變化，總光強輻射信號的著火延遲時間和PLIF熒光信號的著火延遲時間整體呈現(xiàn)下降趨勢，而且 PLIF熒光信號的著火延遲時間更短．3種不同的測量方式，信號響應(yīng)最快的是PLIF測量手段，PLIF測量技術(shù)對于火焰的敏感程度最高，對于煤粉火焰著火過程研究有著更為明顯的優(yōu)勢．

2.2?單顆粒著火特性

在10%～30%的氧體積分?jǐn)?shù)環(huán)境下，煙煤顆粒群的OH*熒光信號變化如圖5所示，瞬態(tài)的熒光信號圖像可直接判斷出煤粉的絕對著火位置，圖像的顏色變化表征燃燒的劇烈程度．不同氧體積分?jǐn)?shù)對于揮發(fā)分燃燒劇烈程度影響甚大，顆粒流形成較為穩(wěn)定的燃燒火焰束，OH*的瞬態(tài)斷層圖像顯示揮發(fā)分火焰完全包裹著焦炭顆粒，顆粒間的揮發(fā)分火焰相互重疊、相互影響，構(gòu)建成穩(wěn)定燃燒的射流火焰束．伴隨氧體積分?jǐn)?shù)的升高，絕對著火位置提前，揮發(fā)分燃燒加劇，OH*釋放量大增，符合煤粉均相著火燃燒情況；煤粉的自動著火時間與燃料氧化劑的反應(yīng)活性密切相關(guān)[22]，增加環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)，加速氧化劑的滲透能力，加速氣相燃燒反應(yīng)的進行．

圖5?顆粒群在1700K下的熒光信號分布

在(O2)=10%時，揮發(fā)分的燃燒相對不劇烈，氧體積分?jǐn)?shù)較低，氧分子向氣相揮發(fā)分內(nèi)部滲透能力較弱，顆粒焦炭周圍形成欠氧富燃料區(qū)域，造成燃燒不充分，燃燒反應(yīng)區(qū)域也較??；當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)為20%時，氧化劑的滲透能力增加，絕對著火位置提前，燃燒加劇，火焰束變得更加連續(xù)，燃燒穩(wěn)定性進一步增加；在(O2)＝30%時，絕對著火位置再一次提前，燃燒反應(yīng)區(qū)爆發(fā)性擴大，形成一個錐形的燃燒反應(yīng)區(qū)，OH*的體積分?jǐn)?shù)更高，燃燒更加劇烈；不同氧體積分?jǐn)?shù)下發(fā)現(xiàn)火焰束內(nèi)部均有低體積分?jǐn)?shù)OH*信號的空洞，說明焦炭顆粒被包裹其中，受到氣相火焰的加熱；瞬態(tài)圖像也說明了顆粒間的距離遠遠大于顆粒的直徑，可以用單顆粒的均相著火理論分析煤粉群著火燃燒特性．

通過捕捉不同高度下單顆粒的OH*熒光信號圖像，結(jié)果如圖6(a)所示，顆?；鹧婊究尚纬赏耆那蛐位鹧?，從外到內(nèi)形成明顯的燃燒梯度帶，球形火焰的半徑在1～1.5mm之間；以顆粒中心為起點，向外繪制OH*的絕對體積分?jǐn)?shù)值變化如圖6(b)所示；OH*體積分?jǐn)?shù)最高的點在0.4～0.6mm的區(qū)域內(nèi)，說明揮發(fā)分釋放與氧化劑的混合在這個區(qū)域達到最佳當(dāng)量比，揮發(fā)分在不斷向外擴散與氧分子不斷向內(nèi)滲透達到平衡的區(qū)域；在0～0.4mm的區(qū)域內(nèi)，形成欠氧富燃料區(qū)域，在0.6～2mm的區(qū)域內(nèi)為富氧欠燃料區(qū)域，都造成燃燒的不充分，在圖像中表現(xiàn)為燃燒梯度帶．不同高度顆粒球的OH*體積分?jǐn)?shù)值變化不同，體積分?jǐn)?shù)峰值隨著燃燒室的高度在增加，在20mm以上的高度，變化減弱，基本保持在穩(wěn)定的區(qū)域??內(nèi)[18]；而且在25mm以后峰值體積分?jǐn)?shù)有一定的回落，說明揮發(fā)分釋放減弱，焦炭顆粒逐漸形成完畢；與圖5中OH*在燃燒室內(nèi)20～30mm內(nèi)的穩(wěn)定燃燒階段的趨勢相對應(yīng)，與前文的分析一致，單顆粒的均相著火理論與顆粒群的著火分析相一致(為顆粒距離燃料噴口垂直距離)．

圖6 煤粉單顆?；鹧娴臒晒庑盘柗植?/p>

2.3?半焦顆粒的燃盡特性

煤粉顆粒流燃燒結(jié)束，在燃燒器的底部收集煤焦，通過對半焦的特性進行分析研究，獲取氧體積分?jǐn)?shù)對煤焦熱解性能的影響．圖7給出將煤焦放大1000倍后觀察到的實驗結(jié)果，煤焦形狀棱角分明，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達多變，熱解脫揮發(fā)分階段形成的孔隙對焦炭的燃盡有著直接的影響．

圖7?神華煙煤燃燒后的煤焦形態(tài)

對煤焦的比表面積、成分含量進行測試，利用灰示蹤法[19]計算不同條件下的揮發(fā)分析出率和固定碳轉(zhuǎn)化率，其中神華原焦是在900℃的水平爐氬氣氛圍下(2L/min)停留30min制取，結(jié)果如表3所示.

神華煙煤及煤焦的比表面積變化說明煤焦經(jīng)歷脫揮發(fā)分、高溫停留及表面氧化反應(yīng)后，煤焦發(fā)生軟化、熔融及灰的熔化等現(xiàn)象[23]，煤焦比表面積伴隨氧體積分?jǐn)?shù)的增加而減少，因為高氧體積分?jǐn)?shù)下燃燒更為劇烈，燃盡程度更高，孔隙結(jié)構(gòu)變形更嚴(yán)重；燃燒工況下煤焦的比表面積大于神華原焦的比表面積，主要原因是煤焦在燃燒環(huán)境內(nèi)的停留時間很短造成．

表3結(jié)果給出的神華原焦揮發(fā)分析出率最高，固定碳損失率最低，原焦在高溫缺氧的環(huán)境中，揮發(fā)分可高效析出，但是無氧環(huán)境下無法氧化，固定碳轉(zhuǎn)化比例較??；在燃燒工況下，煤焦的揮發(fā)分析出率和固定碳損失率伴隨氧體積分?jǐn)?shù)的增加呈線性增長，但固定碳損失率相對更高，氧體積分?jǐn)?shù)的增加加速揮發(fā)分的燃盡，同時也促進煤焦的燃燒，說明氧體積分?jǐn)?shù)對煤粉顆粒群的揮發(fā)分熱解燃燒及煤焦燃盡特性都有著非常的重要影響．

表3?神華煙煤和焦的元素分析、比表面積分析

Tab.3?Proximate and poreanalysis of Shenhua bituminous coal and char

3?結(jié)?論

(1) OH-PLIF技術(shù)在煤粉著火燃燒研究中具有明顯優(yōu)勢，測量結(jié)果靈敏度高、物質(zhì)選擇性強，可獲得更加清晰的火焰結(jié)構(gòu)，OH-PLIF測量診斷圖像也為數(shù)值模擬提供更加強有力的數(shù)據(jù)支撐．粒徑53～80μm的神華煙煤在10%～30%的氧體積分?jǐn)?shù)下均相著火占主導(dǎo)地位，顆粒群的著火是揮發(fā)分先著火并迅速形成穩(wěn)定的火焰束，包裹并加熱焦炭顆粒．

(2)通過煤焦孔隙特性分析，發(fā)現(xiàn)孔隙特性會直接影響到焦炭燃盡程度，同時煤焦燃盡程度也直接受到氧濃度的影響．

(3)高揮發(fā)分煙煤脫揮發(fā)分過程對于著火過程有著至關(guān)重要的影響，更為詳細的研究需要結(jié)合OH/CH-PLIF和測溫技術(shù)深入研究．

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Ignition and Combustion Characteristics of Pulverized Coal Jet Flame Based on OH-PLIF Measurement Techniques

Zhu Wenkun1，Qi Hongliang1，Yang Yuqi1，Peng Jiangbo2，Sun Rui1，Ding Saijie1，Zhang Lei1，Tian Yan3

(1.Institute of Combustion Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China； 2. National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser， Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China； 3. Beijing LGK Environment Co.，Ltd，Beijing 100035，China)

The ignition and combustion characteristics of a pulverized coal(PC)reactor system were studied via optical diagnosis. The OH*spontaneous emission signal，total light intensity signal and the OH-PLIF fluorescence signal of the powder jet flame were captured by ICMOS. The advantages and disadvantages of different measurement techniques were analyzed，respectively. The ignition delay time of the latter two was simultaneously calculated，thereby analyzing the reliability of the PLIF measurement method. Based on the combination of the OH-PLIF diagnostic fluorescence image and ignition delay time，the ignition and combustion characteristics of the volatile jet flame were elaborated. The results show that the PC cloud ignition is a process in which volatiles are burned first and then char particles are heated up.

pulverized coal；ignition；jet flame；planar laser induced fluorescence(PLIF)；volatile combustion

TQ534.9

A

1006-8740(2019)02-0175-07

2018-03-09.

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項資助項目(2012YQ040164)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51536002；61405048)．

朱文堃（1992—??），男，碩士，wenkunzhu@ foxmail.com．

孫?銳，男，博士，教授，sunsr@hit.edu.cn．

10.11715/rskxjs.R201805003