【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( 三 )
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图3喷嘴平面颗粒反应过程灰度图Fig.3Gray-scale images of particle reaction process of burner plane
水煤浆经流量泵送至喷嘴后被高速氧气加速并剪切呈一定粒径分布的液滴送入气化炉内加热气化。由于喷嘴平面气化反应剧烈，存在火焰脉动和流场复杂等情况，回流区带有高温尾迹的低温颗粒在脱挥发分过程中，高速气流不断改变颗粒速度，由于挥发分物质较轻，浮力大，当挥发分从煤颗粒中析出后，在颗粒速度矢量和气流速度矢量差作用下，聚集在颗粒的一侧并被迅速拉长，挥发分聚集并伸长方向同气流运动方向一致。喷嘴平面温度较高且伴随有高速射流的氧气，故挥发分易被点燃，图3中可以看到明显的高亮度挥发分燃烧的火焰尾迹。
颗粒挥发分尾迹形态是随时间动态变化的，颗粒脱挥发分速率和颗粒运动状态都是影响挥发分尾迹形态变化的因素。图3中a、b区域内含粒径较小颗粒的挥发分尾迹，c、d区域内含粒径较大颗粒的挥发分尾迹。对比c、d区域颗粒挥发分尾迹长度，c区域颗粒刚开始脱挥发分，挥发分尾迹较短，颗粒随气流克服重力向上运动，因挥发分物质较颗粒更轻，故此刻挥发分长度较短、集中在颗粒上方且伸长方向与气流方向一致。此时颗粒脱挥发分速率大于挥发分燃烧消耗速率，气流速率高于颗粒，随着挥发分不断析出，挥发分尾迹有伸长趋势。d区域处于视场上部非射流区，并靠近射流区顶端，该区域低速气流受射流区高速气流卷吸作用速度方向指向撞击区并略微向下，颗粒向上运动至该区域时，仍具有向上运动的速度，但其挥发分在气流拉扯中向左下伸长且颗粒运动速度逐渐减小，随时间推移，当挥发分析出速率小于其燃烧消耗速率，挥发分尾迹逐渐变短。a区域处于射流区末端偏下位置，因此该区域高速气流速度方向指向撞击区并略微向下，导致颗粒在向上运动至该区域时，挥发分由集中在颗粒上方转变为集中在颗粒左下方，且颗粒运动速度受气流作用减小。b区域观察到小粒径颗粒挥发分尾迹呈半环伸长状，是因颗粒运动至b区域遇高速气流，气流改变颗粒运动状态并迅速拉长挥发分尾迹，其中挥发分尾迹呈半环状是气流速度矢量与不断改变的颗粒速度矢量共同作用的结果。实验发现某时刻颗粒挥发分尾迹形态取决于颗粒脱挥发分过程所处阶段和颗粒运动位置的气流速度与颗粒速度，气化炉内颗粒相对于气流的运动状态对挥发分火焰形态影响很大。
图4列出O/C为1.2工况下三种不同挥发分尾迹变化过程的单颗粒燃烧过程和开始记录时刻该颗粒在视场中的运动位置，图4(a)中圈出三种颗粒挥发分尾迹尺寸为记录中最大时刻的图片。1 # 颗粒处于非射流区，气流运动速度低，颗粒粒径约为130 μm，挥发分尾迹集中在颗粒一侧，长度较短，随颗粒运动到不同位置，其挥发分尾迹与颗粒的相对位置不断改变。2 # 颗粒处于射流区，粒径约为200 μm，在高速气流作用下其挥发分尾迹随时间有逐渐向撞击区伸长的趋势。3 # 颗粒粒径约为250 μm，前期颗粒在非射流区向上运动，其挥发分尾迹被不断拉长，后颗粒运动到射流区，挥发分物质被高速气流迅速带离颗粒，颗粒在此期间不断析出挥发分物质，最后观察到颗粒四周有挥发分云团出现。随着颗粒粒径的增加，颗粒挥发分质量增大，颗粒会释放出更多的挥发分物质，导致挥发分最大火焰尺寸相应增加。颗粒受气流携带运动过程中，挥发分火焰被拉长成尾迹，而不是聚集在颗粒四周呈云团包络状。图4(a)示出的三组图片说明喷嘴平面回流区颗粒挥发分尾迹形貌与颗粒所在位置的气流速度紧密相关，由于气化炉内流场复杂、气流湍动剧烈，导致颗粒挥发分尾迹形貌随时间不断变化。图中记录的颗粒挥发分燃烧过程，由于喷嘴平面观察视角区域有限，在高速气流运动环境中颗粒快速运动，导致颗粒在视角范围内停留时间较短，未能记录到挥发分反应全过程。 
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图4单颗粒挥发分燃烧过程
Fig.4Process diagram of single particle volatile combustion
2.2 挥发分火焰随时间变化的量化分析
图5示出O/C为1.2工况下粒径约为200和250 μm的煤颗粒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随时间的变化过程。图中曲线为挥发分火焰面积随时间变化拟合的趋势线，0时刻为开始记录时刻，非颗粒挥发分燃烧起始时刻。因视场中粒径小于200 μm的颗粒与其火焰尺寸较小，且挥发分火焰尺寸较颗粒大许多，难以将亮度低的颗粒图像与其高亮度火焰图像分离，导致图像处理误差过大，故此处不讨论粒径小于200 μm的颗粒挥发分火焰随时间变化过程。
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