【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( 四 )
文章插图
图5不同粒径单颗粒挥发分火焰行为Fig.5Volatile ?ame behavior diagram of single coal particles with various particle diameters
挥发分的燃烧是挥发分从颗粒中不断析出和发生燃烧反应不断消耗相互叠加的过程，故挥发分火焰图像面积应逐步增大到峰值后再减小 [ 14] 。由图5(a)、(b) 观察到颗粒挥发分火焰随时间推移有先增大后减小的趋势，且分别在8 ms和12 ms时挥发分火焰面积达峰值，呈现出颗粒挥发分燃烧是挥发分不断释放和反应消耗的动态过程。对比图5(a)、(b)中两种粒径颗粒的挥发分火焰面积到达峰值的速率和最大挥发分火焰等效直径与颗粒等效直径比，差异并不明显。实验中没有记录完整颗粒脱挥发分过程，原因是水煤浆在雾化过程产生大量颗粒，颗粒随气流运动过程中发生破碎等复杂物理过程，导致颗粒形态大小等发生变化；颗粒在运动过程中被湍流火焰或其他颗粒所遮挡以及成像系统视场限制，颗粒运动离开视场等因素使得难以记录完整颗粒脱挥发分过程，导致无法对比不同粒径颗粒从起始脱挥发分时刻到挥发分火焰面积到达峰值的速率。对比Lee [ 14] 在21%、29.8%和40.2%O 2 （体积）环境中以加热速率约为10 5 K·s -1 燃烧180~200 μm烟煤颗粒实验，其颗粒从起始脱挥发分时刻到挥发分火焰面积到达峰值时刻分别需8、3和2 ms，且在O 2 高于29.8%（体积）的环境中，煤颗粒在10 ms内完成挥发分燃烧。发现本实验中气化条件下颗粒挥发分燃烧持续时间明显更长，说明煤颗粒挥发分燃烧持续时间与气氛中氧含量有密切联系。在氧碳比为1.2的煤气化气氛中，颗粒挥发分中可燃组分与氧气发生燃烧反应，反应物氧气含量较少 [ 33] ，限制燃烧反应的速度，导致颗粒挥发分燃烧时长较长。
3 结 论
本文基于多喷嘴对置式水煤浆气化炉，运用可视化成像系统研究气流床气化条件下炉内喷嘴平面非射流区中回流区颗粒挥发分燃烧特性，结合图像处理方法对颗粒挥发分尾迹数据进行提取并分析，经对比分析得到了气化条件下颗粒挥发分燃烧特性。结论如下。
(1) 喷嘴平面非射流区中的回流区颗粒挥发分火焰不是典型包络型火焰，而是形成挥发分尾迹，挥发分聚集并伸长方向同气流运动方向一致。
(2) 颗粒挥发分燃烧是挥发分从颗粒中不断析出和发生燃烧反应不断消耗相互叠加的过程，挥发分火焰形态随颗粒和气流运动不断改变，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相对于气流的运动状态。
(3) 随着颗粒粒径增加，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，且在气流床气化还原性气氛中颗粒挥发分燃烧时间较文献报道的颗粒在富氧气氛中燃烧时间更长。
Visualization study on particle volatile flame opposed multi-burner impinging entrained-?ow gasi?er
LIU Jieyu GONG YanWU XiaoxiangGUO Qinghua YU GuangsuoWANG Fuchen
Abstract: Based on the bench-scale opposed multi-burner (OMB) coal-water slurry entrained-flow gasifier and its visualization device, the combustion process of particle volatiles in the plane non-jet zone of the gasifier nozzle is studied. Image processing technology was applied to analyze the change of particles' volatile flame trail shape under the gasification condition with the particles smaller than 300 μm. The results show that the particle volatile flames are not typical envelope flames, but a volatile flame trail is formed. The trail shape of particle volatile matter is affected by the phase of the particle devolatilization and the movement condition of the particle relative to the air flow, which changes continuously with time. The maximum flame size of particle volatiles increases as the particle size increases. The combustion time of the volatile matter of the particles under the condition of reducing atmosphere of entrained-flow gasification is significantly longer than that of the particles in the oxygen-rich atmosphere.
【【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】Keywords: coal-water slurry；volatile flame；impinging entrained-flow gasifier；visualization technology
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