【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( 二 )
1 实验方法
1.1 实验装置
图1是多喷嘴对置式水煤浆气化炉和可视化装置。气化炉主要由上部气化室和下部激冷室两部分组成。气化炉外层为不锈钢壳体，内层为刚玉耐火层，内外层之间填充陶瓷纤维保温棉。两对同轴双通道水冷喷嘴水平对置安装于气化室中上部区域，在气化室直筒段设置多组热电偶用于监测气化炉不同轴向位置的温度。气化室顶部中心和喷嘴平面两喷嘴中间开孔置入配有冷却水夹套和氩气吹扫系统的高温内窥镜，配合高速相机等设备，在炉顶对气化炉内燃烧情况进行实时监控，并且对喷嘴平面颗粒反应过程进行记录。通过柴油和氧气燃烧产生的热量进行烘炉，当气化炉被预热至1473~1573 K时，将喷嘴的柴油切换为水煤浆，环隙高速氧气对内通道水煤浆进行剪切和雾化，发生燃烧和气化反应。 
文章插图
图1多喷嘴对置式水煤浆气化炉和可视化装置
Fig.1Schematic diagram of opposed multi-burner coal-water slurry entrained-?ow gasi?er and visualization device
本研究中配用了两组成像系统：(1)轴向成像系统由JAI相机(JAI BB-500C)和 ? 38 mm高温内窥镜(光轴与目标轴夹角0°、视场角60°)组成，置于气化炉炉顶，用于监测气化炉燃烧情况；(2)水平成像系统由PCO Dimax S4高速摄像机和 ? 38 mm高温内窥镜(光轴与目标轴夹角45°、视场角60°)组成，置于喷嘴平面，用于观察和记录喷嘴平面煤颗粒反应过程。
1.2 实验条件
热态实验中所用的煤和水煤浆的性质如表1所示。气化炉操作条件选择的氧碳摩尔比为1.2，对应氧气流速140 m·s -1 ，该反应条件与气流床水煤浆气化工业运行装置的氧气流速较为接近。
表1 煤质分析和水煤浆物性参数Table 1 Properties of coal and CWS
文章插图
表2 气化炉操作条件Table 2 Gasifier operating conditions
1.3 图像处理方法
水煤浆经喷嘴雾化后产生大量煤浆液滴，部分颗粒随着卷吸气流在非射流区中的回流区运动，该区域颗粒速度较射流区慢，因此能观察到较清晰的挥发分燃烧过程，故本文选用喷嘴平面非射流区中的回流区颗粒为研究对象。相机设置为4000 fps，选取停留时间尽可能长的颗粒进行图像处理分析，探究气化条件下颗粒挥发分反应特性。以图2中所示的原始图像为例，通过一系列图像处理后得到图像中颗粒和火焰信息的过程。图中记录有明显挥发分尾迹的颗粒为带有高温尾迹的低温颗粒 [ 28-29 ] ，该类颗粒挥发分火焰亮度较背景要高，颗粒亮度较背景要低， 故定义亮度较图片中气化炉背景亮度高的火焰区域为有效火焰面积区域，颗粒亮度较气化炉背景亮度要低。图像处理过程主要分五步 [ 30] ：(1)将喷嘴雾化后拍摄获取的彩色原图转化为灰度图；(2)调整图像亮度及对比度，图片中颗粒、火焰与背景相互融合，通过调整亮度及对比度有助于提高颗粒与火焰相对于背景的识别度，减少图像处理误差；(3)对图像进行平坦滤波处理，由于背景亮度分布不均，影响颗粒和火焰与背景的分割，平坦滤波可以使背景平坦化，消除背景中干扰因素；(4)对图像进行阈值分割处理，选取合适的阈值将火焰、颗粒与背景分离，仅剩下所需黑色区域和纯白色背景的黑白二值化图像；(5)统计颗粒与火焰区域面积等参数，根据所需数据值，经像素面积与真实面积换算得到颗粒/火焰面积大小。 
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图2图像处理过程Fig.2Schematic diagram for steps of image processing algorithm
经喷嘴雾化后90%颗粒平均粒径均小于700 μm，50%颗粒平均粒径小于400 μm [ 30-31 ] ，当颗粒运动至回流区，已经历干燥脱水和部分脱挥发分过程，故本文选取粒径小于300 μm的颗粒进行讨论。
颗粒粒径和火焰大小在统计时采用等效圆直径( D e ) [ 14-15 ] 表示，即与颗粒或火焰投影面积相等的圆的直径，其定义式为
(1)式中， A 为颗粒或火焰的投影面积； D e 代表等效圆直径。取火焰面积为用处理后图像得到的颗粒和火焰面积之和。
因图像处理过程可能因为颗粒与火焰离焦等系统误差，直接比较挥发分火焰面积变化误差较大，故取挥发分火焰投影面积等效直径与颗粒投影面积等效直径比 D 1 [ 14-15 ] 来量化分析挥发分火焰随时间变化趋势。
2 结果与讨论
2.1 挥发分燃烧过程图像
为能较清晰观察煤颗粒挥发分燃烧过程，取用经灰度与对比度处理后的图像进行分析。图3为在O/C为1.2、4000 fps条件下记录的喷嘴平面视场中3个不同时刻颗粒挥发分燃烧的灰度图，前期研究表明 [ 32] 视场被划分成三个区域，即以喷嘴为起点的扇形分布的射流区流场和上下两个非射流区流场，其中a、b区域处于射流区，c、d区域处于非射流区。
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