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        低氧稀釋條件下不同煤種著火燃燒特性實驗研究

        2021-06-19 07:39:08李國棟張廷堯曾柱楷周月桂
        動力工程學報 2021年6期

        李國棟, 張廷堯, 曾柱楷, 周月桂

        (1.上海交通大學 中英國際低碳學院,上海 201306;2.上海交通大學 機械與動力工程學院,熱能工程研究所,上海 200240)

        低氧稀釋(Moderate and Intense Low Oxygen Dilution, MILD)燃燒是一種能夠同時提高燃燒效率和降低NOx排放的新型燃燒模式[1]。該技術通過提高氧化劑射流或燃料射流的速度使爐膛內(nèi)形成強烈的煙氣內(nèi)循環(huán),燃料和氧化劑被回流的高溫煙氣高度稀釋,燃燒反應區(qū)擴大,燃燒反應速率減小,爐膛內(nèi)峰值溫度降低,溫度分布更加均勻[2]。MILD富氧燃燒技術是將MILD燃燒技術與富氧燃燒技術相結合,不僅能夠提高燃燒效率,降低NOx等污染物的排放水平,還有利于CO2的捕集和封存,是新一代的富氧煤粉燃燒技術[3]。

        目前,許多學者開展了MILD燃燒和富氧燃燒特性的研究。Abtahizadeh等[4-5]研究了預熱氧化劑和利用N2稀釋燃料對CH4層流燃燒的影響,結果表明預熱氧化劑和利用N2稀釋燃料均有利于提高反應區(qū)溫度分布的均勻性,在氧氣體積分數(shù)為3.6%、氧化劑預熱溫度為1 530 K、燃料稀釋度為83%的條件下,實現(xiàn)了CH4層流MILD燃燒。Dally等[6]研究了不同氧氣質(zhì)量分數(shù)(3%~9%)條件下CH4與H2混合燃燒的火焰結構,在射流雷諾數(shù)相同的條件下,隨著氧氣質(zhì)量分數(shù)的減小,著火距離增大,火焰趨于透明,溫度分布更加均勻。Li等[7]研究了天然氣、液化石油氣和乙烯在O2/N2和O2/CO2氣氛下的MILD燃燒特性,結果表明相比O2/N2氣氛,O2/CO2氣氛下燃料燃燒的反應區(qū)更大,溫度分布更加均勻。相比氣體燃料,煤粉燃燒涉及氣-固兩相流反應,燃燒過程更加復雜。Rezaei等[8]對比了猶他Skyline煙煤和伊利諾伊斯6號煙煤在O2/CO2氣氛下湍流擴散燃燒的煤粉著火特性和火焰穩(wěn)定性,結果表明2種成分相似的同階煤,由于化學性質(zhì)和結構不同,其著火特性和火焰穩(wěn)定性也不同,當二次風預熱至420 ℃時,伊利諾伊斯6號煙煤的火焰穩(wěn)定性明顯優(yōu)于猶他Skyline煙煤。Shaddix等[9]研究了O2/N2和O2/CO2下氧氣體積分數(shù)對匹斯堡煙煤著火時間和揮發(fā)分釋放的影響,結果表明與O2/N2氣氛相比,煤粉顆粒在O2/CO2氣氛下的著火時間更長,揮發(fā)分釋放速率更慢,在相同氣氛下隨著O2體積分數(shù)增大,煤粉顆粒的揮發(fā)分釋放速率加快,著火時間變短。Zhang等[10]設計了帶有預熱室的煤粉燃燒器,通過回流的高溫煙氣預熱可燃混合物,實現(xiàn)了無煙煤的MILD燃燒。Saha等[11]通過實驗研究了射流雷諾數(shù)對褐煤煤粉在MILD燃燒模式下?lián)]發(fā)分釋放和焦炭反應的影響,結果表明高雷諾數(shù)下?lián)]發(fā)分釋放速率更快,但焦炭整體消耗速率減小,有利于實現(xiàn)煤粉的MILD燃燒。Yuan等[12]研究了褐煤和煙煤煤粉顆粒的著火模式,結果表明在高溫低氧條件下煙煤發(fā)生均相著火,其著火特征時間比褐煤短2~4 ms。

        上述研究表明,煤種對MILD燃燒模式下煤粉著火和燃燒特性具有重要影響。筆者選取不同揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤,在平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)上研究了3種煤的煤粉在低氧稀釋條件、O2/CO2氣氛中的著火和燃燒特性,獲取并分析了不同燃燒條件下煤粉火焰形態(tài)、著火距離、煤粉顆粒溫度和顆粒溫度波動系數(shù),并利用顆粒溫度波動系數(shù)來評價煤粉燃燒時顆粒溫度分布的均勻性,進而判斷不同煤種的煤粉實現(xiàn)MILD燃燒的難易程度,為MILD富氧燃燒技術的開發(fā)和數(shù)值模型的驗證提供了基礎實驗數(shù)據(jù)。

        1 實驗系統(tǒng)和測量方法

        1.1 平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)

        圖1為平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)示意圖,主要包括Hencken燃燒器、給粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。CO和少量用于穩(wěn)燃的CH4從燃料腔通入毛細管,其中CH4的體積流量恒定為0.2 L/min,O2和CO2在氧化劑腔混合后通入其余蜂窩孔,在燃燒器出口形成均勻穩(wěn)定的平面擴散火焰。一次風攜帶煤粉從中心管噴出,在一定溫度和氧氣體積分數(shù)的熱協(xié)流環(huán)境中燃燒。燃燒器出口裝有光學石英玻璃罩以避免外部空氣對火焰的干擾,同時便于火焰光學測量。Hencken燃燒器的結構和尺寸見文獻[13]。通過調(diào)節(jié)熱協(xié)流氣體流量,為煤粉燃燒提供溫度為1 473~1 873 K、氧氣體積分數(shù)φ(O2)為5%~20%的熱協(xié)流環(huán)境。表1為各實驗工況的氣體體積流量。在通入煤粉前先對燃燒器出口軸向高度上的熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)進行測量,結果如圖2所示。測量結果表明,燃燒器出口軸向高度1~20 cm內(nèi)氧氣體積分數(shù)波動小于1%,溫降小于120 K,可以認為氧氣體積分數(shù)和溫度分布比較均勻,能夠為中心煤粉射流的燃燒提供穩(wěn)定的燃燒環(huán)境。

        圖1 平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)示意圖

        (a)溫度分布

        表1 實驗工況

        所選3種煤的工業(yè)分析見表2。其中,神木西煙煤的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)最高,為21.44%,長平貧煤的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)為8.60%,揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)最低的是濟源無煙煤,為4.56%。煤粉粒徑為63~75 μm,給粉速率為0.1 g/min,煤粉顆粒被體積流量為0.4 L/min的CO2攜帶并經(jīng)中心管噴出,氣流速度為1.6 m/s。

        表2 不同煤種的工業(yè)分析

        1.2 顆粒溫度計算方法

        根據(jù)普朗克定律,物體在溫度為T、波長為λ時的輻射強度I(λ,T)為:

        (1)

        式中:ε(λ)為物體的單色輻射率;h為普朗克常數(shù);k為玻耳茲曼常數(shù);c為光速。

        當物體溫度為800~2 000 K,波長為300~1 000 nm時,由于ehc/λkT遠大于1,普朗克定律可簡化為維恩定律:

        (2)

        假設煤粉顆粒為灰體[14],在同一溫度下根據(jù)式(2)取2個不同波長(λ1和λ2)對應的輻射強度的比值,整理后可以計算出煤粉顆粒的溫度:

        (3)

        式中:c2為第二輻射常數(shù)。

        實驗前采用標準黑體爐對Avaspec-ULS2048XL型光纖光譜儀進行標定,標定后采用雙色法計算得到的顆粒溫度最大標準誤差為86 K,相對誤差為4.6%,大部分測點的顆粒溫度相對誤差小于2.5%,標定后的光纖光譜儀能很好地用于測量煤粉顆粒溫度。實驗中采用光纖光譜儀測量煤粉燃燒火焰的輻射光譜,并利用雙色法計算得到煤粉顆粒溫度。

        2 結果與分析

        2.1 煤粉燃燒火焰圖像

        采用CMOS相機拍攝了不同工況下煤粉燃燒火焰圖像。為了更清晰地捕捉煤粉火焰,CMOS相機曝光時間、光圈值和感光度分別設置為1/100 s、14和500。圖3給出了熱協(xié)流溫度為1 673 K、氧氣體積分數(shù)為5%~20%條件下的煤粉燃燒火焰圖像。一次風攜帶煤粉從中心管射出后形成穩(wěn)定燃燒的煤粉火焰。從圖3可以發(fā)現(xiàn),對于同一煤種的煤粉燃燒,當氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%時,煤粉火焰長度增加5 cm左右,根據(jù)阿倫尼烏斯定律可知,這是由于在較低氧氣體積分數(shù)條件下煤粉燃燒反應速率減小,燃盡時間增加。隨著氧氣體積分數(shù)的減小,煤粉火焰亮度減弱。當氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%時,神木西煙煤煤粉火焰從亮黃色變?yōu)榘导t色,燃燒反應速率變慢,火焰亮度減弱。對于不同煤種,由于高揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)有助于煤粉燃盡,隨著揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大,煤粉火焰長度變短。在1 673 K熱協(xié)流溫度、5%氧氣體積分數(shù)條件下,神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤的火焰長度依次為24 cm、35 cm和40 cm。

        5%φ(O2)

        2.2 煤粉著火距離

        將實驗中煤粉火焰中心軸線處光強值達到光強峰值20%時的位置定義為煤粉顆粒的著火位置[15],并由此計算出煤粉著火距離。為了減小煤粉火焰波動對實驗結果的影響,每組工況連續(xù)拍攝100張煤粉火焰圖像,使用Matlab軟件轉(zhuǎn)化為灰度圖像后,計算得到煤粉在O2/N2和O2/CO2氣氛下的著火距離,分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

        (a)O2/N2氣氛

        對于同一煤種,由于在低氧稀釋條件下氧氣擴散速率減小,煤粉異相反應受到抑制,煤粉著火距離隨著氧氣體積分數(shù)的減小而變長。以神木西煙煤煤粉在O2/CO2氣氛中的燃燒為例,熱協(xié)流溫度為1 673 K時,隨著氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%,煤粉著火距離從2.48 cm增加至2.95 cm;隨著熱協(xié)流溫度的升高,煤粉著火距離變短,在5%氧氣體積分數(shù)條件下,隨著熱協(xié)流溫度從1 473 K提高至1 873 K,神木西煙煤煤粉著火距離從3.93 cm縮短至2.01 cm,這是因為隨著熱協(xié)流溫度的升高,熱協(xié)流對煤粉的加熱速率也增大,有助于促進煤粉著火。

        對于不同煤種,在O2/N2氣氛下,3種煤的煤粉著火距離從長至短依次為濟源無煙煤、長平貧煤和神木西煙煤,說明在O2/N2氣氛下著火延遲距離隨著揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大而減小,揮發(fā)分有助于促進煤粉著火。在O2/CO2氣氛下,由于O2在CO2中的質(zhì)量擴散系數(shù)比在N2中低約20%~25%[16-17],所以O2/CO2氣氛抑制了氧氣向煤粉顆粒表面擴散,3種煤的煤粉著火距離均有所增加,神木西煙煤的著火距離增幅約為0.50~1.10 cm,而長平貧煤著火距離增幅約為0.05~0.70 cm,導致當熱協(xié)流溫度為1 473 K和1 673 K、氧氣體積分數(shù)為5%~20%以及熱協(xié)流溫度為1 873 K、氧氣體積分數(shù)為5%~10%時,神木西煙煤的煤粉著火距離大于長平貧煤。這主要是因為CO2的密度和摩爾熱容顯著高于N2,且揮發(fā)分在CO2中的質(zhì)量擴散系數(shù)較在N2中更低,相比于O2/N2氣氛,在O2/CO2氣氛下?lián)]發(fā)分的釋放和擴散速率較慢,所以在O2/CO2氣氛下?lián)]發(fā)分對著火的影響減弱,且煤粉揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)越高減弱幅度越大,神木西煙煤由于揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)高達21.44%,顯著高于長平貧煤,所以著火距離增幅較大。在熱協(xié)流溫度為1 873 K、氧氣體積分數(shù)從10%增大至20%時,神木西煙煤煤粉著火距離由1.56 cm減小至0.89 cm,此時神木西煙煤的煤粉著火距離變?yōu)樽疃?,這是因為高揮發(fā)分煙煤在高溫、高氧氣體積分數(shù)條件下均相反應速率增大,著火距離大幅縮短[12]。

        2.3 煤粉顆粒溫度

        圖5為熱協(xié)流溫度為1 673 K、氧氣體積分數(shù)為20%條件下燃燒器出口軸向高度上煤粉顆粒溫度分布。由圖5可知,煤粉顆粒溫度在經(jīng)歷快速上升后,逐漸平穩(wěn)而后緩慢下降。在燃燒器出口軸向高度9~15 mm內(nèi)長平貧煤煤粉顆粒溫度比神木西煙煤高,主要是因為長平貧煤的固定碳質(zhì)量分數(shù)比神木西煙煤高,且揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)也相對較低,長平貧煤煤粉顆粒燃盡速率相對較慢,火焰更長;而神木西煙煤固定碳質(zhì)量分數(shù)低,燃盡時間和火焰長度較短。所以在距離燃燒器出口9~15 mm內(nèi),神木西煙煤燃燒時的煤粉顆粒溫度下降較快。在相同位置處長平貧煤燃燒時的煤粉顆粒溫度下降較緩,因此比神木西煙煤煤粉顆粒溫度高。

        圖5 1 673 K時20%氧氣體積分數(shù)條件下煤粉顆粒溫度分布

        以煤粉火焰沿程14個測點的顆粒溫度平均值為煤粉顆粒平均溫度,圖6給出了3種煤的煤粉顆粒平均溫度隨熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)的變化。對于同一煤種,煤粉顆粒平均溫度隨著熱協(xié)流溫度的升高和氧氣體積分數(shù)的增大而升高,主要是因為熱協(xié)流溫度升高和氧氣體積分數(shù)增大加快了反應速率,使熱量更快釋放從而提高了煤粉顆粒平均溫度。對于不同煤種,神木西煙煤的煤粉顆粒平均溫度最高,其次是長平貧煤,濟源無煙煤的煤粉顆粒平均溫度最低,這主要是由于煤發(fā)熱量的影響。神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤的發(fā)熱量依次為23.137 MJ/kg、25.004 MJ/kg和20.362 MJ/kg。由于濟源無煙煤的發(fā)熱量最低,所以其煤粉顆粒平均溫度最低;長平貧煤的發(fā)熱量略高于神木西煙煤,但是由于神木西煙煤揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較高,燃燒速率和熱量釋放較快,所以神木西煙煤煤粉顆粒平均溫度較高。當熱協(xié)流溫度為1 473 K時,神木西煙煤與濟源無煙煤的煤粉顆粒平均溫度差異較大,兩者溫差為90~130 K。而隨著熱協(xié)流溫度的提高,不同煤種之間的顆粒平均溫度差異逐漸減小,當熱協(xié)流溫度升高至1 873 K時,顆粒平均溫度相差僅為14~80 K。這說明通過提高煤粉燃燒所處的環(huán)境溫度可以提高低發(fā)熱量煤在燃燒過程中的整體溫度,在一定程度上能夠彌補煤粉因發(fā)熱量低而造成的燃燒特性差的缺陷。

        圖6 不同熱協(xié)流條件下煤粉顆粒平均溫度

        2.4 煤粉顆粒溫度波動系數(shù)

        采用燃燒器出口沿程煤粉顆粒溫度波動系數(shù)σ來評價煤粉燃燒溫度空間分布的均勻性[18],其定義為:

        (4)

        煤粉顆粒溫度波動系數(shù)越小,表示燃燒溫度分布越均勻。

        圖7給出了不同熱協(xié)流條件下煤粉顆粒溫度波動系數(shù)。對于同一煤種,在相同熱協(xié)流溫度下,隨著氧氣體積分數(shù)的減小,煤粉顆粒溫度波動系數(shù)逐漸減小,在熱協(xié)流溫度為1 673 K條件下,當氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%時,神木西煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)從3.6%減小至2.4%,長平貧煤從6.2%減小至5.1%,濟源無煙煤從6.6%減小至5.8%,這說明低氧稀釋條件下煤粉火焰沿程顆粒溫度波動較小,燃燒溫度分布更加均勻。在相同熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)條件下,隨著煤粉揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大,煤粉顆粒溫度波動系數(shù)逐漸減小,在熱協(xié)流溫度為1 473 K、5%氧氣體積分數(shù)條件下,神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)分別為2.0%、6.4%和6.5%。與濟源無煙煤相比,神木西煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)減小了70%,說明煤種的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)增大有助于提升煤粉顆粒溫度分布的均勻性,從而有利于實現(xiàn)煤粉的MILD燃燒。

        圖7 不同熱協(xié)流條件下煤粉顆粒溫度波動系數(shù)

        3 結 論

        (1)在相同熱協(xié)流溫度下,隨著氧氣體積分數(shù)的減小,煤粉燃燒反應速率減小,火焰長度增加,火焰亮度減弱。隨著煤粉揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大,煤粉顆粒燃盡時間和煤粉火焰長度縮短。

        (2)在熱協(xié)流溫度為1 473~1 673 K、氧氣體積分數(shù)為5%~20%以及熱協(xié)流溫度為1 873 K、氧氣體積分數(shù)為5%~10%條件下,O2/CO2氣氛下煤粉的著火距離從長至短依次為:濟源無煙煤、神木西煙煤和長平貧煤。當熱協(xié)流溫度為1 873 K,氧氣體積分數(shù)為20%時,神木西煙煤的煤粉著火距離最短。

        (3)在相同熱協(xié)流條件下,煤粉顆粒平均溫度從高至低依次為神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤。隨著熱協(xié)流溫度升高,濟源無煙煤與神木西煙煤的煤粉顆粒平均溫度差值縮小,高溫條件下有助于彌補煤粉因發(fā)熱量低而造成的燃燒特性差的缺陷。

        (4)在相同熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)條件下,隨著揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大,煤粉燃燒的顆粒溫度分布更加均勻,顆粒溫度波動系數(shù)從高至低依次為濟源無煙煤、長平貧煤和神木西煙煤。在低氧稀釋條件下,神木西煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)比濟源無煙煤低70%。揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較高的神木西煙煤更易于實現(xiàn)煤粉的MILD燃燒。

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