劉潔妤，龔巖，吳曉翔，郭慶華，于廣鎖，王輔臣

（華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海200237）

引 言

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)屬于撞擊氣流床氣化技術(shù)，具有單爐處理量大、碳轉(zhuǎn)化率高、運(yùn)行穩(wěn)定安全等優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)主流煤氣化技術(shù)之一[1]。多噴嘴對(duì)置式氣化爐通過兩兩對(duì)置的噴嘴，輸送水煤漿進(jìn)入爐內(nèi)氣化成合成氣。水煤漿經(jīng)噴嘴霧化成不同粒徑分布的水煤漿液滴，煤漿液滴蒸發(fā)后形成的顆粒在高溫、多相流動(dòng)的還原性氣氛下運(yùn)動(dòng)、破碎并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[2]，而在噴嘴射流區(qū)顆粒與氧氣反應(yīng)形成高溫火焰，研究顆粒的揮發(fā)分燃燒過程對(duì)了解真實(shí)氣化環(huán)境和復(fù)雜流場(chǎng)中顆粒的反應(yīng)特性具有重要意義。

煤的氣化經(jīng)歷顆粒加熱、揮發(fā)分析出與燃燒、焦炭燃燒與氣化和灰演變等過程[3]。前人對(duì)煤顆粒燃燒、揮發(fā)分燃燒特性進(jìn)行了諸多研究，指出煤顆粒著火模式、揮發(fā)分火焰形態(tài)和燃燒時(shí)間等演化行為與反應(yīng)環(huán)境[4-7]和原料性質(zhì)[8-9]等因素密切相關(guān)，如反應(yīng)溫度、燃燒氣氛、煤階、顆粒粒徑和水煤漿成分等。Khatami 等[10-11]對(duì)比粒徑為75～150 μm 的不同煤階煤顆粒在相同操作條件下的燃燒行為，發(fā)現(xiàn)無煙煤和大多數(shù)半無煙煤發(fā)生非均相著火，煙煤顆粒發(fā)生均相著火，隨著煤級(jí)降低至褐煤，著火模式變?yōu)楫愘|(zhì)聯(lián)合著火，隨著顆粒粒徑的增大，煤顆粒趨向均相燃燒。Riaza 等[12]基于數(shù)字成像技術(shù)研究單顆粒的點(diǎn)燃和燃燒行為，發(fā)現(xiàn)較高揮發(fā)分的煙煤顆粒在氣相中均勻點(diǎn)燃，隨煤中揮發(fā)分含量增加，揮發(fā)分燃盡時(shí)間線性增加。在相同氧濃度氣氛中，煤在N2中比在CO2氣氛中燃燒得更熱更快。Zhang等[13]基于數(shù)字成像技術(shù)研究在不同燃燒氣氛中，不同煤階煤顆粒的燃燒過程，對(duì)比煤顆粒在空氣中燃燒，煙煤顆粒在21%O2/79%CO2氣氛中沒有觀察到劇烈氧化或揮發(fā)分火焰的形成，但改變氣氛對(duì)褐煤顆粒燃燒現(xiàn)象無顯著影響。Lee 等[14-15]基于數(shù)字成像技術(shù)研究煤顆粒在管式爐中的燃燒行為，發(fā)現(xiàn)在相對(duì)較低的氧氣濃度下，揮發(fā)物最初在煤顆粒周圍釋放，火焰不明亮且立即伸長(zhǎng)，顯示出長(zhǎng)揮發(fā)分尾跡，隨著氧氣濃度增加，煤顆粒傾向于在幾乎同心的揮發(fā)分火焰中以高強(qiáng)度燃燒。Wu 等[16]使用數(shù)字在線全息技術(shù)對(duì)燃燒的煤顆粒進(jìn)行成像，研究其揮發(fā)分燃燒行為，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性火焰的長(zhǎng)度瞬間變化取決于煤粒度、局部氣流流速和氧碳比，以及燃燒煤顆粒的不同狀態(tài)等參數(shù)。Adeosun 等[17]運(yùn)用高速攝影技術(shù)研究煤顆粒點(diǎn)火過程，發(fā)現(xiàn)煤顆粒脫除的揮發(fā)分物質(zhì)會(huì)消耗氧氣，形成局部還原區(qū)，后其他煤顆粒經(jīng)還原-氧化環(huán)境相互作用，影響其著火行為。

煤顆粒的燃燒過程十分復(fù)雜，較多學(xué)者通過對(duì)煤顆粒燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬以探究燃燒行為機(jī)理。Kreitzberg 等[18]基于簡(jiǎn)化的吸附/解吸機(jī)理建立了非均相氣固反應(yīng)的顆粒燃燒模型，探究燃燒和氣化氣氛中顆粒粒徑的變化，發(fā)現(xiàn)氣化過程中顆粒直徑減小不如燃燒過程中明顯。Tufano 等[19-20]通過直接數(shù)值模擬方法研究了在粒子邊界層為層流和湍流條件時(shí)空氣中煤顆粒揮發(fā)分燃燒行為，發(fā)現(xiàn)在低粒子Reynolds數(shù)下，單粒子揮發(fā)分包絡(luò)火焰幾乎呈球形，隨著Reynolds數(shù)增加，揮發(fā)分火焰完全不包裹顆粒，形成揮發(fā)分尾跡。

運(yùn)用可視化技術(shù)[21-23]在氣化爐外對(duì)燃料燃燒特性的研究已有許多。Levendis 等[24]采用三色測(cè)溫、高速高分辨率攝影法，比較不同煤種的燃燒特性差異。Yuan等[4]運(yùn)用數(shù)字成像技術(shù)、CH*化學(xué)發(fā)光和三色測(cè)溫法，研究煤顆粒脫揮發(fā)分的均相和非均相點(diǎn)火行為。葉宏程等[25]基于乙醇荷電噴霧對(duì)沖燃燒器，利用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝無水乙醇霧化、火焰形態(tài)并記錄火焰溫度變化，研究不同當(dāng)量比、應(yīng)變率對(duì)火焰形態(tài)和溫度的影響。Gong 等[26]和Zhang 等[27]在多噴嘴對(duì)置式氣化爐內(nèi)運(yùn)用高速相機(jī)等裝置獲得了氣化爐內(nèi)顆粒物高速運(yùn)動(dòng)圖像，并歸納氣化爐內(nèi)顆粒類型及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，但未對(duì)顆粒氣化反應(yīng)特性做進(jìn)一步的研究。本研究在此前研究基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的多噴嘴對(duì)置式氣流床水煤漿氣化爐研究平臺(tái)，運(yùn)用高溫內(nèi)窺鏡及高速相機(jī)等裝置組成的可視化成像系統(tǒng)，對(duì)噴嘴平面非射流區(qū)的煤顆粒揮發(fā)分反應(yīng)過程開展實(shí)驗(yàn)研究，探索在氣化條件下煤顆粒揮發(fā)分火焰燃燒特性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐和可視化裝置。氣化爐主要由上部氣化室和下部激冷室兩部分組成。氣化爐外層為不銹鋼殼體，內(nèi)層為剛玉耐火層，內(nèi)外層之間填充陶瓷纖維保溫棉。兩對(duì)同軸雙通道水冷噴嘴水平對(duì)置安裝于氣化室中上部區(qū)域，在氣化室直筒段設(shè)置多組熱電偶用于監(jiān)測(cè)氣化爐不同軸向位置的溫度。氣化室頂部中心和噴嘴平面兩噴嘴中間開孔置入配有冷卻水夾套和氬氣吹掃系統(tǒng)的高溫內(nèi)窺鏡，配合高速相機(jī)等設(shè)備，在爐頂對(duì)氣化爐內(nèi)燃燒情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且對(duì)噴嘴平面顆粒反應(yīng)過程進(jìn)行記錄。通過柴油和氧氣燃燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行烘爐，當(dāng)氣化爐被預(yù)熱至1473～1573 K 時(shí)，將噴嘴的柴油切換為水煤漿，環(huán)隙高速氧氣對(duì)內(nèi)通道水煤漿進(jìn)行剪切和霧化，發(fā)生燃燒和氣化反應(yīng)。

圖1 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐和可視化裝置Fig.1 Schematic diagram of opposed multi-burner coal-water slurry entrained-flow gasifier and visualization device

本研究中配用了兩組成像系統(tǒng)：(1)軸向成像系統(tǒng)由JAI 相機(jī)(JAI BB-500C)和φ38 mm 高溫內(nèi)窺鏡(光軸與目標(biāo)軸夾角0°、視場(chǎng)角60°)組成，置于氣化爐爐頂，用于監(jiān)測(cè)氣化爐燃燒情況；(2)水平成像系統(tǒng)由PCO Dimax S4 高速攝像機(jī)和φ38 mm 高溫內(nèi)窺鏡(光軸與目標(biāo)軸夾角45°、視場(chǎng)角60°)組成，置于噴嘴平面，用于觀察和記錄噴嘴平面煤顆粒反應(yīng)過程。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

熱態(tài)實(shí)驗(yàn)中所用的煤和水煤漿的性質(zhì)如表1所示。氣化爐操作條件選擇的氧碳摩爾比為1.2，對(duì)應(yīng)氧氣流速140 m·s-1，該反應(yīng)條件與氣流床水煤漿氣化工業(yè)運(yùn)行裝置的氧氣流速較為接近。

表1 煤質(zhì)分析和水煤漿物性參數(shù)Table 1 Properties of coal and CWS

1.3 圖像處理方法

水煤漿經(jīng)噴嘴霧化后產(chǎn)生大量煤漿液滴，部分顆粒隨著卷吸氣流在非射流區(qū)中的回流區(qū)運(yùn)動(dòng)，該區(qū)域顆粒速度較射流區(qū)慢，因此能觀察到較清晰的揮發(fā)分燃燒過程，故本文選用噴嘴平面非射流區(qū)中的回流區(qū)顆粒為研究對(duì)象。相機(jī)設(shè)置為4000 fps，選取停留時(shí)間盡可能長(zhǎng)的顆粒進(jìn)行圖像處理分析，探究氣化條件下顆粒揮發(fā)分反應(yīng)特性。以圖2中所示的原始圖像為例，通過一系列圖像處理后得到圖像中顆粒和火焰信息的過程。圖中記錄有明顯揮發(fā)分尾跡的顆粒為帶有高溫尾跡的低溫顆粒[28-29]，該類顆粒揮發(fā)分火焰亮度較背景要高，顆粒亮度較背景要低，故定義亮度較圖片中氣化爐背景亮度高的火焰區(qū)域?yàn)橛行Щ鹧婷娣e區(qū)域，顆粒亮度較氣化爐背景亮度要低。圖像處理過程主要分五步[30]：(1)將噴嘴霧化后拍攝獲取的彩色原圖轉(zhuǎn)化為灰度圖；(2)調(diào)整圖像亮度及對(duì)比度，圖片中顆粒、火焰與背景相互融合，通過調(diào)整亮度及對(duì)比度有助于提高顆粒與火焰相對(duì)于背景的識(shí)別度，減少圖像處理誤差；(3)對(duì)圖像進(jìn)行平坦濾波處理，由于背景亮度分布不均，影響顆粒和火焰與背景的分割，平坦濾波可以使背景平坦化，消除背景中干擾因素；(4)對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割處理，選取合適的閾值將火焰、顆粒與背景分離，僅剩下所需黑色區(qū)域和純白色背景的黑白二值化圖像；(5)統(tǒng)計(jì)顆粒與火焰區(qū)域面積等參數(shù)，根據(jù)所需數(shù)據(jù)值，經(jīng)像素面積與真實(shí)面積換算得到顆粒/火焰面積大小。

表2 氣化爐操作條件Table 2 Gasifier operating conditions

經(jīng)噴嘴霧化后90%顆粒平均粒徑均小于700 μm，50%顆粒平均粒徑小于400 μm[30-31]，當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)至回流區(qū)，已經(jīng)歷干燥脫水和部分脫揮發(fā)分過程，故本文選取粒徑小于300 μm的顆粒進(jìn)行討論。

顆粒粒徑和火焰大小在統(tǒng)計(jì)時(shí)采用等效圓直徑(De)[14-15]表示，即與顆粒或火焰投影面積相等的圓的直徑，其定義式為

式中，A 為顆?；蚧鹧娴耐队懊娣e；De代表等效圓直徑。取火焰面積為用處理后圖像得到的顆粒和火焰面積之和。

因圖像處理過程可能因?yàn)轭w粒與火焰離焦等系統(tǒng)誤差，直接比較揮發(fā)分火焰面積變化誤差較大，故取揮發(fā)分火焰投影面積等效直徑與顆粒投影面積等效直徑比D1[14-15]來量化分析揮發(fā)分火焰隨時(shí)間變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 揮發(fā)分燃燒過程圖像

為能較清晰觀察煤顆粒揮發(fā)分燃燒過程，取用經(jīng)灰度與對(duì)比度處理后的圖像進(jìn)行分析。圖3為在O/C 為1.2、4000 fps條件下記錄的噴嘴平面視場(chǎng)中3個(gè)不同時(shí)刻顆粒揮發(fā)分燃燒的灰度圖，前期研究表明[32]視場(chǎng)被劃分成三個(gè)區(qū)域，即以噴嘴為起點(diǎn)的扇形分布的射流區(qū)流場(chǎng)和上下兩個(gè)非射流區(qū)流場(chǎng)，其中a、b區(qū)域處于射流區(qū)，c、d區(qū)域處于非射流區(qū)。

圖2 圖像處理過程Fig.2 Schematic diagram for steps of image processing algorithm

圖3 噴嘴平面顆粒反應(yīng)過程灰度圖Fig.3 Gray-scale images of particle reaction process of burner plane

水煤漿經(jīng)流量泵送至噴嘴后被高速氧氣加速并剪切呈一定粒徑分布的液滴送入氣化爐內(nèi)加熱氣化。由于噴嘴平面氣化反應(yīng)劇烈，存在火焰脈動(dòng)和流場(chǎng)復(fù)雜等情況，回流區(qū)帶有高溫尾跡的低溫顆粒在脫揮發(fā)分過程中，高速氣流不斷改變顆粒速度，由于揮發(fā)分物質(zhì)較輕，浮力大，當(dāng)揮發(fā)分從煤顆粒中析出后，在顆粒速度矢量和氣流速度矢量差作用下，聚集在顆粒的一側(cè)并被迅速拉長(zhǎng)，揮發(fā)分聚集并伸長(zhǎng)方向同氣流運(yùn)動(dòng)方向一致。噴嘴平面溫度較高且伴隨有高速射流的氧氣，故揮發(fā)分易被點(diǎn)燃，圖3 中可以看到明顯的高亮度揮發(fā)分燃燒的火焰尾跡。

顆粒揮發(fā)分尾跡形態(tài)是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，顆粒脫揮發(fā)分速率和顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都是影響揮發(fā)分尾跡形態(tài)變化的因素。圖3 中a、b 區(qū)域內(nèi)含粒徑較小顆粒的揮發(fā)分尾跡，c、d 區(qū)域內(nèi)含粒徑較大顆粒的揮發(fā)分尾跡。對(duì)比c、d 區(qū)域顆粒揮發(fā)分尾跡長(zhǎng)度，c 區(qū)域顆粒剛開始脫揮發(fā)分，揮發(fā)分尾跡較短，顆粒隨氣流克服重力向上運(yùn)動(dòng)，因揮發(fā)分物質(zhì)較顆粒更輕，故此刻揮發(fā)分長(zhǎng)度較短、集中在顆粒上方且伸長(zhǎng)方向與氣流方向一致。此時(shí)顆粒脫揮發(fā)分速率大于揮發(fā)分燃燒消耗速率，氣流速率高于顆粒，隨著揮發(fā)分不斷析出，揮發(fā)分尾跡有伸長(zhǎng)趨勢(shì)。d 區(qū)域處于視場(chǎng)上部非射流區(qū)，并靠近射流區(qū)頂端，該區(qū)域低速氣流受射流區(qū)高速氣流卷吸作用速度方向指向撞擊區(qū)并略微向下，顆粒向上運(yùn)動(dòng)至該區(qū)域時(shí)，仍具有向上運(yùn)動(dòng)的速度，但其揮發(fā)分在氣流拉扯中向左下伸長(zhǎng)且顆粒運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，隨時(shí)間推移，當(dāng)揮發(fā)分析出速率小于其燃燒消耗速率，揮發(fā)分尾跡逐漸變短。a 區(qū)域處于射流區(qū)末端偏下位置，因此該區(qū)域高速氣流速度方向指向撞擊區(qū)并略微向下，導(dǎo)致顆粒在向上運(yùn)動(dòng)至該區(qū)域時(shí)，揮發(fā)分由集中在顆粒上方轉(zhuǎn)變?yōu)榧性陬w粒左下方，且顆粒運(yùn)動(dòng)速度受氣流作用減小。b 區(qū)域觀察到小粒徑顆粒揮發(fā)分尾跡呈半環(huán)伸長(zhǎng)狀，是因顆粒運(yùn)動(dòng)至b 區(qū)域遇高速氣流，氣流改變顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并迅速拉長(zhǎng)揮發(fā)分尾跡，其中揮發(fā)分尾跡呈半環(huán)狀是氣流速度矢量與不斷改變的顆粒速度矢量共同作用的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某時(shí)刻顆粒揮發(fā)分尾跡形態(tài)取決于顆粒脫揮發(fā)分過程所處階段和顆粒運(yùn)動(dòng)位置的氣流速度與顆粒速度，氣化爐內(nèi)顆粒相對(duì)于氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)揮發(fā)分火焰形態(tài)影響很大。

圖4 列出O/C 為1.2 工況下三種不同揮發(fā)分尾跡變化過程的單顆粒燃燒過程和開始記錄時(shí)刻該顆粒在視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)位置，圖4(a)中圈出三種顆粒揮發(fā)分尾跡尺寸為記錄中最大時(shí)刻的圖片。1#顆粒處于非射流區(qū)，氣流運(yùn)動(dòng)速度低，顆粒粒徑約為130 μm，揮發(fā)分尾跡集中在顆粒一側(cè)，長(zhǎng)度較短，隨顆粒運(yùn)動(dòng)到不同位置，其揮發(fā)分尾跡與顆粒的相對(duì)位置不斷改變。2#顆粒處于射流區(qū)，粒徑約為200 μm，在高速氣流作用下其揮發(fā)分尾跡隨時(shí)間有逐漸向撞擊區(qū)伸長(zhǎng)的趨勢(shì)。3#顆粒粒徑約為250 μm，前期顆粒在非射流區(qū)向上運(yùn)動(dòng)，其揮發(fā)分尾跡被不斷拉長(zhǎng)，后顆粒運(yùn)動(dòng)到射流區(qū)，揮發(fā)分物質(zhì)被高速氣流迅速帶離顆粒，顆粒在此期間不斷析出揮發(fā)分物質(zhì)，最后觀察到顆粒四周有揮發(fā)分云團(tuán)出現(xiàn)。隨著顆粒粒徑的增加，顆粒揮發(fā)分質(zhì)量增大，顆粒會(huì)釋放出更多的揮發(fā)分物質(zhì)，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分最大火焰尺寸相應(yīng)增加。顆粒受氣流攜帶運(yùn)動(dòng)過程中，揮發(fā)分火焰被拉長(zhǎng)成尾跡，而不是聚集在顆粒四周呈云團(tuán)包絡(luò)狀。圖4(a)示出的三組圖片說明噴嘴平面回流區(qū)顆粒揮發(fā)分尾跡形貌與顆粒所在位置的氣流速度緊密相關(guān)，由于氣化爐內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜、氣流湍動(dòng)劇烈，導(dǎo)致顆粒揮發(fā)分尾跡形貌隨時(shí)間不斷變化。圖中記錄的顆粒揮發(fā)分燃燒過程，由于噴嘴平面觀察視角區(qū)域有限，在高速氣流運(yùn)動(dòng)環(huán)境中顆粒快速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致顆粒在視角范圍內(nèi)停留時(shí)間較短，未能記錄到揮發(fā)分反應(yīng)全過程。

圖4 單顆粒揮發(fā)分燃燒過程Fig.4 Process diagram of single particle volatile combustion

圖5 不同粒徑單顆粒揮發(fā)分火焰行為Fig.5 Volatile flame behavior diagram of single coal particles with various particle diameters

2.2 揮發(fā)分火焰隨時(shí)間變化的量化分析

圖5 示 出O/C 為1.2 工 況 下 粒 徑 約 為200 和250 μm 的煤顆粒揮發(fā)分火焰投影面積等效直徑與顆粒投影面積等效直徑比隨時(shí)間的變化過程。圖中曲線為揮發(fā)分火焰面積隨時(shí)間變化擬合的趨勢(shì)線，0時(shí)刻為開始記錄時(shí)刻，非顆粒揮發(fā)分燃燒起始時(shí)刻。因視場(chǎng)中粒徑小于200 μm 的顆粒與其火焰尺寸較小，且揮發(fā)分火焰尺寸較顆粒大許多，難以將亮度低的顆粒圖像與其高亮度火焰圖像分離，導(dǎo)致圖像處理誤差過大，故此處不討論粒徑小于200 μm的顆粒揮發(fā)分火焰隨時(shí)間變化過程。

揮發(fā)分的燃燒是揮發(fā)分從顆粒中不斷析出和發(fā)生燃燒反應(yīng)不斷消耗相互疊加的過程，故揮發(fā)分火焰圖像面積應(yīng)逐步增大到峰值后再減小[14]。由圖5(a)、(b)觀察到顆粒揮發(fā)分火焰隨時(shí)間推移有先增大后減小的趨勢(shì)，且分別在8 ms 和12 ms 時(shí)揮發(fā)分火焰面積達(dá)峰值，呈現(xiàn)出顆粒揮發(fā)分燃燒是揮發(fā)分不斷釋放和反應(yīng)消耗的動(dòng)態(tài)過程。對(duì)比圖5(a)、(b)中兩種粒徑顆粒的揮發(fā)分火焰面積到達(dá)峰值的速率和最大揮發(fā)分火焰等效直徑與顆粒等效直徑比，差異并不明顯。實(shí)驗(yàn)中沒有記錄完整顆粒脫揮發(fā)分過程，原因是水煤漿在霧化過程產(chǎn)生大量顆粒，顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生破碎等復(fù)雜物理過程，導(dǎo)致顆粒形態(tài)大小等發(fā)生變化；顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中被湍流火焰或其他顆粒所遮擋以及成像系統(tǒng)視場(chǎng)限制，顆粒運(yùn)動(dòng)離開視場(chǎng)等因素使得難以記錄完整顆粒脫揮發(fā)分過程，導(dǎo)致無法對(duì)比不同粒徑顆粒從起始脫揮發(fā)分時(shí)刻到揮發(fā)分火焰面積到達(dá)峰值的速率。對(duì)比Lee[14]在21%、29.8%和40.2%O2（體積）環(huán)境中以加熱速率約為105K·s-1燃燒180～200 μm煙煤顆粒實(shí)驗(yàn)，其顆粒從起始脫揮發(fā)分時(shí)刻到揮發(fā)分火焰面積到達(dá)峰值時(shí)刻分別需8、3 和2 ms，且在O2高于29.8%（體積）的環(huán)境中，煤顆粒在10 ms內(nèi)完成揮發(fā)分燃燒。發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)中氣化條件下顆粒揮發(fā)分燃燒持續(xù)時(shí)間明顯更長(zhǎng)，說明煤顆粒揮發(fā)分燃燒持續(xù)時(shí)間與氣氛中氧含量有密切聯(lián)系。在氧碳比為1.2 的煤氣化氣氛中，顆粒揮發(fā)分中可燃組分與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)物氧氣含量較少[33]，限制燃燒反應(yīng)的速度，導(dǎo)致顆粒揮發(fā)分燃燒時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

本文基于多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐，運(yùn)用可視化成像系統(tǒng)研究氣流床氣化條件下爐內(nèi)噴嘴平面非射流區(qū)中回流區(qū)顆粒揮發(fā)分燃燒特性，結(jié)合圖像處理方法對(duì)顆粒揮發(fā)分尾跡數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并分析，經(jīng)對(duì)比分析得到了氣化條件下顆粒揮發(fā)分燃燒特性。結(jié)論如下。

(1)噴嘴平面非射流區(qū)中的回流區(qū)顆粒揮發(fā)分火焰不是典型包絡(luò)型火焰，而是形成揮發(fā)分尾跡，揮發(fā)分聚集并伸長(zhǎng)方向同氣流運(yùn)動(dòng)方向一致。

(2)顆粒揮發(fā)分燃燒是揮發(fā)分從顆粒中不斷析出和發(fā)生燃燒反應(yīng)不斷消耗相互疊加的過程，揮發(fā)分火焰形態(tài)隨顆粒和氣流運(yùn)動(dòng)不斷改變，某時(shí)刻顆粒揮發(fā)分尾跡形態(tài)取決于顆粒脫揮發(fā)分過程所處階段和顆粒相對(duì)于氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(3)隨著顆粒粒徑增加，顆粒揮發(fā)分質(zhì)量增大，顆粒會(huì)釋放出更多的揮發(fā)分物質(zhì)，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分最大火焰尺寸相應(yīng)增加，且在氣流床氣化還原性氣氛中顆粒揮發(fā)分燃燒時(shí)間較文獻(xiàn)報(bào)道的顆粒在富氧氣氛中燃燒時(shí)間更長(zhǎng)。