【2021年第3期】多喷嘴对置式气化炉内颗粒挥发分火焰可视化研究
多喷嘴对置式气化炉内颗粒挥发分火焰可视化研究
刘洁妤 龚岩吴晓翔郭庆华 于广锁王辅臣
摘 要基于实验室规模多喷嘴对置式水煤浆气化炉及其可视化装置，研究了气化炉喷嘴平面非射流区颗粒挥发分燃烧过程。结合图像处理技术，在气化条件下对粒径小于300 μm颗粒挥发分火焰尾迹形态及变化过程进行分析。研究结果表明，颗粒挥发分火焰非典型包络型火焰，而是形成挥发分火焰尾迹。颗粒挥发分尾迹形态受颗粒脱挥发分所处阶段和颗粒相对于气流的运动状态的影响，随时间不断变化。颗粒挥发分最大火焰尺寸随颗粒粒径增加而增加。气流床气化还原性气氛条件下颗粒挥发分燃烧时间较颗粒在富氧气氛中燃烧时间显著增加。
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关键词水煤浆；挥发分火焰；撞击气流床气化炉；可视化技术
引言
多喷嘴对置式水煤浆气化技术属于撞击气流床气化技术，具有单炉处理量大、碳转化率高、运行稳定安全等优势，已成为现代煤化工产业主流煤气化技术之一 [ 1] 。多喷嘴对置式气化炉通过两两对置的喷嘴，输送水煤浆进入炉内气化成合成气。水煤浆经喷嘴雾化成不同粒径分布的水煤浆液滴，煤浆液滴蒸发后形成的颗粒在高温、多相流动的还原性气氛下运动、破碎并发生化学反应 [ 2] ，而在喷嘴射流区颗粒与氧气反应形成高温火焰，研究颗粒的挥发分燃烧过程对了解真实气化环境和复杂流场中颗粒的反应特性具有重要意义。
煤的气化经历颗粒加热、挥发分析出与燃烧、焦炭燃烧与气化和灰演变等过程 [ 3] 。前人对煤颗粒燃烧、挥发分燃烧特性进行了诸多研究，指出煤颗粒着火模式、挥发分火焰形态和燃烧时间等演化行为与反应环境 [ 4-7 ] 和原料性质 [ 8-9 ] 等因素密切相关，如反应温度、燃烧气氛、煤阶、颗粒粒径和水煤浆成分等。Khatami等 [ 10-11 ] 对比粒径为75~150 μm的不同煤阶煤颗粒在相同操作条件下的燃烧行为，发现无烟煤和大多数半无烟煤发生非均相着火，烟煤颗粒发生均相着火，随着煤级降低至褐煤，着火模式变为异质联合着火，随着颗粒粒径的增大，煤颗粒趋向均相燃烧。Riaza等 [ 12] 基于数字成像技术研究单颗粒的点燃和燃烧行为，发现较高挥发分的烟煤颗粒在气相中均匀点燃，随煤中挥发分含量增加，挥发分燃尽时间线性增加。在相同氧浓度气氛中，煤在N 2 中比在CO 2 气氛中燃烧得更热更快。Zhang等 [ 13] 基于数字成像技术研究在不同燃烧气氛中，不同煤阶煤颗粒的燃烧过程，对比煤颗粒在空气中燃烧，烟煤颗粒在21％O 2 /79％CO 2 气氛中没有观察到剧烈氧化或挥发分火焰的形成，但改变气氛对褐煤颗粒燃烧现象无显著影响。Lee等 [ 14-15 ] 基于数字成像技术研究煤颗粒在管式炉中的燃烧行为，发现在相对较低的氧气浓度下，挥发物最初在煤颗粒周围释放，火焰不明亮且立即伸长，显示出长挥发分尾迹，随着氧气浓度增加，煤颗粒倾向于在几乎同心的挥发分火焰中以高强度燃烧。Wu等 [ 16] 使用数字在线全息技术对燃烧的煤颗粒进行成像，研究其挥发分燃烧行为，发现挥发性火焰的长度瞬间变化取决于煤粒度、局部气流流速和氧碳比，以及燃烧煤颗粒的不同状态等参数。Adeosun等 [ 17] 运用高速摄影技术研究煤颗粒点火过程，发现煤颗粒脱除的挥发分物质会消耗氧气，形成局部还原区，后其他煤颗粒经还原-氧化环境相互作用，影响其着火行为。
煤颗粒的燃烧过程十分复杂，较多学者通过对煤颗粒燃烧进行数值模拟以探究燃烧行为机理。Kreitzberg等 [ 18] 基于简化的吸附/解吸机理建立了非均相气固反应的颗粒燃烧模型，探究燃烧和气化气氛中颗粒粒径的变化，发现气化过程中颗粒直径减小不如燃烧过程中明显。Tufano等 [ 19-20 ] 通过直接数值模拟方法研究了在粒子边界层为层流和湍流条件时空气中煤颗粒挥发分燃烧行为，发现在低粒子Reynolds数下，单粒子挥发分包络火焰几乎呈球形，随着Reynolds数增加，挥发分火焰完全不包裹颗粒，形成挥发分尾迹。
运用可视化技术 [ 21-23 ] 在气化炉外对燃料燃烧特性的研究已有许多。Levendis等 [ 24] 采用三色测温、高速高分辨率摄影法，比较不同煤种的燃烧特性差异。Yuan等 [ 4] 运用数字成像技术、CH * 化学发光和三色测温法，研究煤颗粒脱挥发分的均相和非均相点火行为。叶宏程等 [ 25] 基于乙醇荷电喷雾对冲燃烧器，利用数字摄像机拍摄无水乙醇雾化、火焰形态并记录火焰温度变化，研究不同当量比、应变率对火焰形态和温度的影响。Gong等 [ 26] 和Zhang等 [ 27] 在多喷嘴对置式气化炉内运用高速相机等装置获得了气化炉内颗粒物高速运动图像，并归纳气化炉内颗粒类型及其转化关系，但未对颗粒气化反应特性做进一步的研究。本研究在此前研究基础上，基于实验室规模的多喷嘴对置式气流床水煤浆气化炉研究平台，运用高温内窥镜及高速相机等装置组成的可视化成像系统，对喷嘴平面非射流区的煤颗粒挥发分反应过程开展实验研究，探索在气化条件下煤颗粒挥发分火焰燃烧特性。
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