不同湍流強(qiáng)度下煤粉顆粒群著火及燃燒特性的光學(xué)診斷研究

祁 勝, 劉絲雨, 辛世榮, 何 勇, 劉穎祖, 王智化

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310027)

0 引 言

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國能源消費(fèi)總量為48.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)量仍高達(dá)57.7%[1]，“富煤貧油少氣”的資源稟賦決定了在未來很長一段時(shí)間里煤炭仍將在我國的能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。目前，煤炭的主要利用方式仍為鍋爐燃燒，深入探究煤粉顆粒群在不同工況下的著火及燃燒特性，尤其是著火延遲及燃燒穩(wěn)定性，對實(shí)現(xiàn)煤碳的高效燃燒和鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。針對單顆粒煤粉的著火及燃燒特性，前人已做了大量研究工作，總結(jié)了煤種、煤粉粒徑、溫度、氣氛條件等因素對單顆粒煤粉的著火模式、著火延遲時(shí)間、顆粒溫度等參數(shù)的影響規(guī)律[2-4]。然而，煤粉在實(shí)際鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒過程十分復(fù)雜，煤粉被強(qiáng)湍流一次風(fēng)送入爐膛后，在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生脫揮發(fā)分、著火、顆粒群燃燒，其中包含氣流卷吸、顆粒彌散、熱流傳遞等過程，是流動與燃燒相互耦合的復(fù)雜氣固兩相反應(yīng)流[5-6]。與單顆粒煤粉相比，針對煤粉顆粒群在層流及湍流狀態(tài)下的著火與燃燒特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究更具挑戰(zhàn)性，且對實(shí)際鍋爐內(nèi)煤粉火焰的穩(wěn)定燃燒具有更為重要的指導(dǎo)意義。

在研究煤粉顆粒群著火及燃燒特性時(shí)，已有的研究多采用帶有光學(xué)觀察窗口的攜帶流反應(yīng)器，通過獲取煤粉火焰的亮度及各種熒光信號，對其著火及燃燒特性進(jìn)行分析。美國Sandia實(shí)驗(yàn)室的Molina[7]和Shaddix等[8]系統(tǒng)地研究了層流工況下溫度、氣氛條件、煤粉粒徑等因素對煤粉顆粒群著火及燃燒特性的影響，指出煤粉的快速脫揮發(fā)分過程與層流火焰速度之間的平衡在煤粉顆粒群的著火與穩(wěn)定燃燒中起著重要作用。Suda等[9]使用微重力燃燒室研究了氣氛條件對煤粉顆粒群燃燒特性的影響，研究表明煤粉顆粒群在CO2/O2氣氛中的火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著低于在N2/O2氣氛中的傳播速度。Yuan等[10]利用煤粉火焰的CH*自發(fā)輻射信號以及三色測溫法研究了層流狀態(tài)下煤粉顆粒群的著火過程，研究表明：隨著背景煙氣溫度的升高，煤粉顆粒群的著火模式由異相著火向均相著火轉(zhuǎn)變。

值得一提的是，上述工作均為針對層流工況下煤粉射流火焰的研究。針對煤粉顆粒群在湍流狀態(tài)下的燃燒特性，研究者多采用甲烷火焰直接點(diǎn)燃煤粉射流的同軸燃燒器進(jìn)行研究[11-17]。Balusamy等[11-12]聯(lián)用米散射(Mie scattering)、OH平面激光誘導(dǎo)熒光(OH-PLIF)技術(shù)測量了一個(gè)功率約為21 kW的煤粉/甲烷火焰結(jié)構(gòu)，研究了氧含量對火焰結(jié)構(gòu)的影響。Hayashi等[13-14]聯(lián)用米散射、激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)、激光誘導(dǎo)白熾光(Laser-Induced Incandescence，LII)等技術(shù)，同步測量了煤粉火焰中煤粉顆粒、多環(huán)芳烴化合物(PAHs)、碳煙顆粒的分布，為煤粉火焰中碳煙的形成路徑研究提供了重要指導(dǎo)。許開龍[18-20]和俞偉偉[21]等基于煤粉射流火焰圖像研究了揮發(fā)分含量、煤粉粒徑、氧含量等因素對著火模式及著火延遲的影響。

總的來說，以往針對煤粉顆粒群燃燒的研究多側(cè)重于層流工況，而針對湍流工況下煤粉顆粒群著火及燃燒特性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)測量則較少，且使用的燃燒器多采用甲烷火焰直接點(diǎn)燃煤粉射流的方式，難以消除甲烷火焰對煤粉顆粒群著火階段的干擾，不利于研究煤粉顆粒群的著火過程。本文基于Hencken型平面火焰燃燒器、電加熱高溫爐以及自制給煤器，搭建了溫度、氣氛條件可控的攜帶流反應(yīng)系統(tǒng)，模擬真實(shí)爐膛環(huán)境。采用OH-PLIF技術(shù)觀測煤粉射流火焰在升溫、著火、群燃等各階段的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，并利用數(shù)碼相機(jī)記錄火焰形態(tài)，系統(tǒng)地研究了湍流強(qiáng)度、溫度、氧含量等因素對煤粉顆粒群著火及燃燒特性的影響規(guī)律，為更好地理解湍流工況下煤粉顆粒群的著火及燃燒行為提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由Hencken型平面火焰燃燒器、電加熱高溫爐、給煤器、給氣系統(tǒng)以及光學(xué)測量系統(tǒng)組成，如圖1所示。Hencken型平面火焰燃燒器頂部為金屬蜂窩盤片，燃燒區(qū)域直徑60 mm，分布著1200個(gè)1.1 mm孔徑的小孔，其中600個(gè)小孔中插有不銹鋼毛細(xì)管，毛細(xì)管外徑1 mm，壁厚0.1 mm。整個(gè)燃燒器被分隔為2個(gè)腔室，上部腔室通入氧化劑，下部腔室通入CH4。CH4通過600根不銹鋼毛細(xì)管到達(dá)燃燒器頂部盤片，點(diǎn)燃后在盤片上形成平面擴(kuò)散火焰群。為了提高平面火焰的穩(wěn)定性，在燃燒器上部腔室中放置了適量的整流鋼珠。另外，燃燒器盤片下方裝有冷卻水管路，防止盤片溫度過高。已有的研究表明，Hencken型燃燒器能夠提供一個(gè)一維的高溫?zé)煔猸h(huán)境[5, 21]，非常適合用于固體燃料的著火及燃燒特性研究。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

燃燒器中心射流為攜帶煤粉的一次風(fēng)，平面火焰產(chǎn)生的高溫?zé)煔獍榱鲗χ行纳淞髦械拿悍圻M(jìn)行點(diǎn)火和燃燒的維持(中心送粉管內(nèi)徑2.6 mm，壁厚0.2 mm)。為隔絕外部環(huán)境以及更加精確地控制背景煙氣溫度，燃燒器上方裝有一個(gè)帶有光學(xué)觀察窗口的電加熱高溫爐，其內(nèi)壁溫度最高可達(dá)1500 K。高溫爐上方裝有排煙管道與引風(fēng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)中爐膛內(nèi)處于微負(fù)壓狀態(tài)。通過改變通入Hencken型燃燒器的燃料和氧化劑的流量，可以定量調(diào)節(jié)背景煙氣溫度(1200～1700 K)、爐內(nèi)煙氣氧含量(10%～30%)以及一次風(fēng)氧含量(5%～45%)等參數(shù)。整套實(shí)驗(yàn)裝置提供了一個(gè)接近真實(shí)工業(yè)爐膛的燃燒環(huán)境。

1.2 光學(xué)測量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用OH-PLIF技術(shù)獲取煤粉射流火焰的OH瞬態(tài)分布圖。如圖1中放大圖所示，OH-PLIF測量系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成：激光器模塊、光斑調(diào)制模塊、信號采集模塊。激光器模塊包括一臺Nd:YAG固體激光器(Spectra-Physics, Pro-250-10H)和一臺染料激光器(Continuum, ND6000)。固體激光器發(fā)出的1064 nm基頻光(頻率10 Hz，脈沖寬度10 ns)泵浦染料激光器后，產(chǎn)生波長在283 nm附近的OH激發(fā)光，單脈沖能量為4 mJ左右。染料激光器輸出的圓形點(diǎn)狀光束經(jīng)過光斑調(diào)制模塊(由一組凹透鏡、凸透鏡組成)后，被整形為高30 mm、厚300 μm左右的片狀光源，用于激發(fā)煤粉射流火焰中的OH熒光，獲取火焰內(nèi)部的二維瞬態(tài)結(jié)構(gòu)。信號采集模塊由示波器、ICCD相機(jī)(Princeton Instrument, PI-MAX3)和濾光片等組成。ICCD相機(jī)采用紫外鏡頭，相機(jī)門寬設(shè)為50 ns，通過示波器調(diào)節(jié)ICCD相機(jī)門寬與OH-PLIF熒光信號之間的同步。為準(zhǔn)確獲取煤粉射流火焰中的OH熒光信號，在ICCD相機(jī)前安裝了雙濾光片：310 nm帶通濾光片(Andover, 310FS10-50)和305 nm長通濾光片(Andover, 305FG01-50)，其中305 nm長通濾光片能有效消除煤粉顆粒的米散射對OH熒光信號測量的干擾。

為了系統(tǒng)地研究不同湍流強(qiáng)度下煤粉顆粒群的著火及燃燒特性，使用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D5000)獲取了不同工況下的煤粉射流火焰圖像。相機(jī)鏡頭(Nikon, PF10545MF-UV)焦距為105 mm，相機(jī)參數(shù)設(shè)置為：光圈F11，門寬1/4000 s，ISO200，盡量避免火焰圖像飽和。在每個(gè)工況下拍攝150張火焰圖像，基于對火焰圖像亮度的處理，獲取煤粉顆粒群的著火距離。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

選用蒙混煙煤(MH)作為實(shí)驗(yàn)煤種，煤種的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。實(shí)驗(yàn)前，在105 ℃的烘箱中將煤粉烘干，并篩選粒徑為70～100 μm的煤粉。實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)螺旋式給煤器的給粉速率，保證所有工況下煤粉射流的一次風(fēng)送粉的質(zhì)量濃度為0.523 kg/m3(273 K, 101 kPa)左右。

表1 煤種的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)地研究了3種湍流強(qiáng)度下(一次風(fēng)氣流速度為5、15和25 m/s，對應(yīng)的雷諾數(shù)為813、2438、4063)，背景煙氣溫度(1200～1700 K)、煙氣氧含量(10%～30%)以及一次風(fēng)氧含量(5%～45%)對煤粉顆粒群著火及燃燒特性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中煤粉射流的雷諾數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：U0為送粉管出口處一次風(fēng)平均流速，m/s；d0為送粉管內(nèi)徑，m；ν為一次風(fēng)的運(yùn)動黏性系數(shù)，m2/s。

圖2為一種典型實(shí)驗(yàn)工況(背景煙氣溫度1300 K，煙氣氧含量15 %)空載條件下燃燒器上方的軸向溫度分布，由直徑100 μm的B型鉑銠熱電偶測得。測量結(jié)果表明：在燃燒器上方5～100 mm范圍內(nèi)，最大溫度衰減小于50 K，可為煤粉顆粒群的著火提供一段穩(wěn)定恒溫區(qū)。實(shí)驗(yàn)中，將燃燒器中心軸向高度40 mm處的溫度作為背景煙氣溫度的參考值，保持背景煙氣總流量為70 L/min(273 K, 101 kPa)左右。

圖2 典型工況下燃燒器上方的軸向溫度分布

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 不同湍流強(qiáng)度下煤粉顆粒群的著火及火焰結(jié)構(gòu)

圖3為不同雷諾數(shù)工況下的蒙混煙煤射流火焰圖像(背景煙氣溫度1300 K；煙氣氧含量15%，一次風(fēng)氧含量20%；一次風(fēng)氣流速度為5、15和25 m/s，對應(yīng)的雷諾數(shù)為813、2438和4063)。

如圖3所示，煤粉顆粒群被一次風(fēng)攜帶進(jìn)入高溫?zé)煔猸h(huán)境后快速升溫，發(fā)生脫揮發(fā)分過程，當(dāng)揮發(fā)分聚集到一定程度后，煤粉顆粒群開始整體燃燒，出現(xiàn)明亮的群燃火焰。在煤粉射流火焰的下游，隨著揮發(fā)分群燃的結(jié)束，未燃盡的焦炭顆粒開始與氧發(fā)生異相燃燒反應(yīng)?？梢郧逦乜吹?，層流工況下(Re=813)煤粉射流火焰窄而規(guī)則，火焰中心及外圍均存在明亮的燃燒顆粒軌跡。隨著一次風(fēng)氣流速度的增加(Re=2438、4063)，煤粉顆粒的彌散效應(yīng)增強(qiáng)，較細(xì)的煤粉顆粒被一次風(fēng)攜帶到遠(yuǎn)離軸線的區(qū)域，射流火焰逐漸變寬并出現(xiàn)明顯的渦結(jié)構(gòu)，火焰中心亮度有所下降，明亮的顆粒逐漸消失，這表明了射流火焰中心溫度的下降。同時(shí)，隨著湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)，煤粉顆粒群群燃火焰的抬舉高度下降，著火延遲時(shí)間顯著縮短。

圖3 不同湍流強(qiáng)度下的煤粉射流火焰圖像

為了深入研究湍流工況下煤粉顆粒群的著火及群燃行為，采用OH-PLIF技術(shù)獲取了煤粉射流火焰的OH瞬態(tài)分布圖。圖4(a)展示了一次風(fēng)氣流速度15 m/s(Re=2438)工況下射流火焰的典型OH瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，圖4(b)為數(shù)碼相機(jī)拍攝的同一火焰的圖像(光圈F4.5，門寬1/4000 s，ISO200)。

如圖4(a)所示，根據(jù)煤粉射流火焰各個(gè)高度段OH信號的強(qiáng)弱，煤粉顆粒群的著火過程可分為3個(gè)階段：

圖4 湍流射流火焰的OH瞬態(tài)分布圖和數(shù)碼相機(jī)拍攝的火焰圖像

(1)加熱階段。高速氣流攜帶煤粉進(jìn)入高溫?zé)煔庵?，射流外圍區(qū)域的煤粉顆粒快速升溫并發(fā)生脫揮發(fā)分反應(yīng)，此時(shí)基本沒有燃燒現(xiàn)象發(fā)生。

(2)著火階段。在高速一次風(fēng)的卷吸作用下，射流外圍區(qū)域的揮發(fā)分與周圍高溫?zé)煔庵械难醪粩嗷旌希_(dá)到可燃極限并著火，出現(xiàn)明顯的OH信號，但此時(shí)射流中心區(qū)域的煤粉仍然處于加熱階段，未發(fā)生燃燒。

(3)群燃火焰階段。外圍已燃的煤粉釋放出大量熱量，并在湍流擾動下不斷向射流內(nèi)部傳遞，促進(jìn)了射流內(nèi)部區(qū)域煤粉顆粒群揮發(fā)分的析出，OH的鋒面逐漸向內(nèi)拓展，火焰逐漸連接成片，煤粉顆粒群開始整體燃燒，出現(xiàn)群燃揮發(fā)分火焰。實(shí)驗(yàn)所使用的蒙混煙煤的揮發(fā)分含量相對較高，因此實(shí)驗(yàn)中煤粉顆粒群的著火模式為均相著火。

已有的研究表明[20]，煤粉的著火時(shí)間tignition主要由4個(gè)部分組成：熱流傳遞至煤粉射流內(nèi)部的時(shí)間tth、煤粉顆粒加熱至脫揮發(fā)分反應(yīng)開始的時(shí)間tp、揮發(fā)分與氧之間形成可燃混合物的時(shí)間tf以及燃燒反應(yīng)誘發(fā)時(shí)間ti。一次風(fēng)湍流強(qiáng)度的增加對煤粉顆粒群著火的影響有兩方面：一方面，隨著一次風(fēng)氣流速度的增加，煤粉顆粒群在相同高度段上的停留時(shí)間減小，并且冷態(tài)煤粉氣流的輸入量增加，這些都會導(dǎo)致熱流傳遞至煤粉射流內(nèi)部的時(shí)間增加，降低煤粉的升溫速率以及揮發(fā)分的析出速率；另一方面，與層流工況相比，湍流工況下高速一次風(fēng)對周圍高溫?zé)煔獾木砦饔蔑@著，強(qiáng)化了煤粉氣流與高溫?zé)煔猸h(huán)境間的熱流傳遞，同時(shí)高速氣流的擾動加劇了揮發(fā)分與氧之間的混合，縮短了揮發(fā)分與氧之間形成可燃混合物的時(shí)間。上述兩方面因素對煤粉顆粒群的著火起著相反的作用，從圖3中的火焰圖像來看，顯然后者起了主導(dǎo)作用，隨著一次風(fēng)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)，煤粉顆粒群群燃火焰的抬舉高度下降，著火延遲時(shí)間顯著縮短。

2.2 溫度對煤粉顆粒群著火的影響

圖5為3種湍流強(qiáng)度下蒙混煙煤顆粒群在不同溫度煙氣中的火焰圖像(背景煙氣氧含量15%，一次風(fēng)氧含量20%)。隨著背景煙氣溫度的升高，煤粉的升溫及脫揮發(fā)分過程加快，射流火焰的著火位置均顯著下降，同時(shí)火焰中心的亮度增強(qiáng)，說明火焰溫度有所上升。隨著煙氣溫度以及顆粒群燃燒溫度的升高，反應(yīng)過程中煤粉氣流的動力黏度系數(shù)上升，火焰的湍流度下降，如圖5(a)和(b)所示，當(dāng)背景煙氣溫度達(dá)到1700 K時(shí)，射流火焰的褶皺及渦結(jié)構(gòu)顯著減弱。

圖5 不同煙氣溫度下的射流火焰圖像

為了定量分析射流火焰的著火特性，將燃燒器送粉管噴口處到煤粉顆粒群著火位置之間的距離定義為著火距離，用于研究煤粉顆粒群的著火延遲特性。在已有的研究中[5,18]，基于對火焰圖像的處理，通常采用以下兩種方法來確定射流火焰的著火位置：一種方法是將火焰軸向亮度變化率最大的位置定義為著火位置；另一種方法是以火焰軸向亮度信號的峰值為參考值，將火焰亮度達(dá)到峰值50%的位置定義為著火位置。使用這兩種方法對火焰圖像進(jìn)行處理后所得到的結(jié)果基本相似，本實(shí)驗(yàn)采用后者，使用亮度峰值的50%作為著火位置的判定依據(jù)。同時(shí)，為了更深入地研究著火延遲特性，將著火距離與送粉管噴口處一次風(fēng)氣流速度的比值定義為著火延遲時(shí)間，這種處理方式雖然忽略了煤粉氣流進(jìn)入高溫?zé)煔猸h(huán)境后軸向速度的衰減，存在較大的估算誤差，但仍具有一定的參考意義[18]。

如圖6(a)所示，隨著背景煙氣溫度升高，煤粉顆粒群的著火距離逐漸下降，層流工況下尤為顯著，這主要是因?yàn)閷恿鞴r下煤粉射流在單位時(shí)間內(nèi)的冷態(tài)一次風(fēng)流量及煤粉送入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于湍流工況，因此當(dāng)煙氣溫度上升時(shí)，層流工況下的煤粉氣流升溫速率增加更為劇烈，著火距離顯著減小。

圖6(b)給出了基于著火距離估算的著火延遲時(shí)間隨背景煙氣溫度的變化規(guī)律。層流工況下(Re=813)，在煙氣溫度由1200 K上升至1600 K的過程中，熱流由高溫?zé)煔鈧鬟f至煤粉射流內(nèi)部的時(shí)間減少，煤粉顆粒群的升溫速率急劇上升，發(fā)生脫揮發(fā)分反應(yīng)的時(shí)間大大縮短，著火延遲時(shí)間顯著下降；而當(dāng)煙氣溫度繼續(xù)由1600 K增加至1700 K時(shí)，著火延遲時(shí)間的下降變得不明顯。這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度上升到某一閾值后，煤粉的脫揮發(fā)分速率對著火過程的影響減弱，控制煤粉顆粒群著火行為的主導(dǎo)因素發(fā)生改變，這一階段煤粉顆粒群的著火延遲主要由揮發(fā)分與氧之間相互擴(kuò)散、形成可燃混合物的過程所決定，其受煤粉射流的流動特性以及氧含量的影響較大，而背景煙氣溫度的影響則相對較小。從圖6(a)可以看到，湍流工況中也存在著相似的閾值現(xiàn)象。

圖6 煤粉顆粒群著火距離及延遲時(shí)間隨背景煙氣溫度的變化

另外，如圖6(b)所示，當(dāng)背景煙氣溫度相同時(shí)，層流工況下煤粉顆粒群的著火延遲時(shí)間始終大于湍流工況，這也驗(yàn)證了上文提及的湍流工況中氣流卷吸作用所帶來的熱傳遞增強(qiáng)、氧擴(kuò)散加快的效應(yīng)導(dǎo)致煤粉顆粒群的著火延遲時(shí)間顯著縮短。

2.3 一次風(fēng)氧含量對煤粉顆粒群著火的影響

圖7為3種湍流強(qiáng)度下蒙混煙煤顆粒群在不同一次風(fēng)氧含量工況下的火焰圖像(背景煙氣溫度1300 K，煙氣氧含量15%)。隨著一次風(fēng)中氧含量的增加，煤粉顆粒群析出的揮發(fā)分與氧之間的擴(kuò)散、混合過程加快，形成可燃混合物的時(shí)間縮短，更易達(dá)到可燃極限；同時(shí)氧含量的增加也會提升可燃混合物的反應(yīng)活性，減少燃燒反應(yīng)的誘發(fā)時(shí)間，這些因素導(dǎo)致煤粉顆粒群的著火距離顯著縮短。此外，從圖7所示的火焰圖像可以清晰地看到，隨著一次風(fēng)氧含量的增加，燃燒反應(yīng)變得劇烈，火焰中心亮度上升，表明揮發(fā)分群燃火焰溫度顯著升高。

圖7 不同一次風(fēng)氧含量下的射流火焰圖像

為了深入探究湍流工況下一次風(fēng)氧含量對煤粉顆粒群著火及燃燒特性的影響機(jī)理，實(shí)驗(yàn)采用OH-PLIF技術(shù)測量了射流速度為15 m/s(Re=2438)、不同一次風(fēng)氧含量工況下的射流火焰OH瞬態(tài)分布圖。如圖8所示，當(dāng)一次風(fēng)氧含量為20%時(shí)，在60～90 mm這一高度段，射流的外圍發(fā)生揮發(fā)分燃燒，而射流內(nèi)部區(qū)域的顆粒群仍處于加熱階段，沒有OH生成。隨著一次風(fēng)氧含量逐漸升高，同一高度段上，射流外圍揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)速率增加，OH的信號強(qiáng)度顯著上升。射流外圍揮發(fā)分的劇烈燃燒釋放出大量熱量，強(qiáng)化了射流內(nèi)部區(qū)域未燃煤粉顆粒群的升溫及揮發(fā)分析出過程。同時(shí)，一次風(fēng)氧含量的升高加快了射流內(nèi)部可燃混合物的形成速率，降低了燃燒反應(yīng)的誘發(fā)時(shí)間，火焰OH的鋒面快速向射流內(nèi)部拓展并逐漸連接成片，形成揮發(fā)分群燃火焰，射流的著火延遲時(shí)間顯著縮短。

圖8 不同一次風(fēng)氧含量下射流火焰內(nèi)部的OH瞬態(tài)分布圖

圖9給出了不同一次風(fēng)氧含量工況下煤粉顆粒群的著火距離及著火延遲時(shí)間的變化趨勢。如圖9(a)和(b)所示，隨著一次風(fēng)氧含量的增加，3種湍流強(qiáng)度工況下煤粉顆粒群的著火距離及著火延遲時(shí)間均顯著減小，但存在著一個(gè)閾值，當(dāng)一次風(fēng)氧含量增加到一定程度后，其對著火距離的影響變得不明顯，這一現(xiàn)象在層流工況下尤為明顯。這是因?yàn)樵谝淮物L(fēng)氧含量較低時(shí)，揮發(fā)分與氧之間的擴(kuò)散過程及燃燒反應(yīng)的誘發(fā)時(shí)間在著火延遲中占主導(dǎo)地位，而當(dāng)氧含量高于某個(gè)閾值后，煤粉顆粒群的著火行為則主要由煤粉顆粒群揮發(fā)分的析出速率所控制，一次風(fēng)氧含量的影響變得不明顯。實(shí)驗(yàn)中保持一次風(fēng)氣流中煤粉的質(zhì)量濃度為定值，即0.523 kg/m3(273 K, 101 kPa)，層流工況中單位時(shí)間內(nèi)的煤粉送入量遠(yuǎn)少于湍流工況，因此層流工況在一次風(fēng)氧含量達(dá)到30%左右時(shí)便出現(xiàn)了閾值現(xiàn)象，而湍流工況的一次風(fēng)氧含量閾值則更高。

圖9 煤粉顆粒群著火距離及延遲時(shí)間隨一次風(fēng)氧含量的變化

2.4 背景煙氣氧含量對煤粉顆粒群著火的影響

實(shí)驗(yàn)還研究了背景煙氣中的氧含量對煤粉顆粒群著火及燃燒特性的影響。不同氧含量工況下的射流火焰圖像如圖10所示，其中，背景煙氣溫度為1300 K，一次風(fēng)氧含量為20%。圖11定量地給出了著火距離及著火延遲時(shí)間隨背景煙氣氧含量的變化。如圖11(a)所示，層流工況下(Re=813)，當(dāng)煙氣中氧含量低于15%時(shí)，隨著煙氣中氧含量的升高，著火距離顯著減?。欢?dāng)氧含量增加至20%以上，其對著火距離的影響變得不明顯，其原因與上文對一次風(fēng)氧含量閾值現(xiàn)象的分析一致。從圖11(b)可以發(fā)現(xiàn)，與層流工況相比，湍流工況中煤粉顆粒群的著火延遲時(shí)間受背景煙氣氧含量的影響較小。實(shí)驗(yàn)中背景煙氣氧含量對煤粉顆粒群著火的影響主要體現(xiàn)在：更高的背景煙氣氧含量能夠加快射流外圍揮發(fā)分與氧之間的混合、擴(kuò)散過程，縮短可燃混合物的形成時(shí)間。然而在湍流工況下，高速一次風(fēng)的卷吸作用大大強(qiáng)化了射流外圍與高溫?zé)煔忾g的熱流和物質(zhì)傳遞，射流外圍煤粉顆粒群析出的揮發(fā)分與周圍煙氣中的氧快速混合，導(dǎo)致湍流工況下射流外圍可燃混合物的形成時(shí)間在整體著火延遲時(shí)間中所占的比例較小，弱化了背景煙氣氧含量對煤粉顆粒群著火延遲的影響。

圖10 背景煙氣不同氧含量工況下的射流火焰圖像

圖11 煤粉顆粒群著火距離及延遲時(shí)間隨背景煙氣氧含量的變化

3 結(jié) 論

本文利用Hencken型燃燒器搭建了攜帶流反應(yīng)系統(tǒng)，基于光學(xué)診斷技術(shù)研究了煤粉顆粒群的著火過程及煤粉射流火焰結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明：

(1)在背景煙氣的加熱下，射流外圍區(qū)域的煤粉首先發(fā)生脫揮發(fā)分并著火，外圍已燃的煤粉釋放出大量熱量并在湍流的擾動下不斷向射流內(nèi)部傳遞，促進(jìn)了射流內(nèi)部區(qū)域煤粉顆粒群揮發(fā)分的析出。揮發(fā)分燃燒的OH鋒面逐漸向射流內(nèi)部拓展并連接成片，出現(xiàn)揮發(fā)分群燃火焰。

(2)隨著一次風(fēng)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)，氣流的卷吸作用和顆粒的彌散效應(yīng)強(qiáng)化了煤粉顆粒群與背景煙氣間的熱流傳遞以及揮發(fā)分與氧之間的混合過程，煤粉顆粒群的著火延遲時(shí)間顯著縮短。

(3)隨著背景煙氣溫度的升高，煤粉顆粒群的著火延遲時(shí)間縮短，在層流工況下尤為顯著。然而當(dāng)煙氣溫度上升到一定程度后，其對煤粉顆粒群著火特性的影響減弱，這一階段煤粉顆粒群的著火延遲主要由揮發(fā)分與氧之間的混合、擴(kuò)散過程所決定。

(4)在一次風(fēng)氧含量較低時(shí)，隨著一次風(fēng)氧含量的增加，揮發(fā)分的燃燒速率上升，燃燒的OH鋒面更快地連接成片、形成揮發(fā)分群燃火焰，煤粉顆粒群的著火延遲時(shí)間縮短。當(dāng)一次風(fēng)氧含量高于某個(gè)閾值后，煤粉顆粒群的著火行為開始受揮發(fā)分的析出速率控制，一次風(fēng)氧含量的影響變得不明顯。