单煤粉颗粒着火特性的激光辅助高速摄像测量

卢 科，栗 晶，王昱升，黄晓宏，罗 威，柳朝晖



单煤粉颗粒着火特性的激光辅助高速摄像测量

卢 科1，栗 晶1，王昱升1，黄晓宏1，罗 威2，柳朝晖1

(1. 华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205)

针对煤粉的着火特性，基于平面火焰燃烧器，应用自行开发的连续激光辅助高速摄像的测量方法对煤粉颗粒的着火过程进行了连续捕捉，系统地研究了空气条件下着火过程中的单煤粉颗粒的尺寸、形貌、温度和着火延迟特性．研究发现环境温度1800K的空气气氛下，粒径分布为74～98μm的神华烟煤为均相着火；煤粉颗粒析出的挥发分首先氧化燃烧并形成球形的包覆火焰；待挥发分消耗后，继而发生煤焦异相的着火燃烧；煤粉颗粒温度分布进一步证明了煤焦燃烧是非均匀的．

单煤粉颗粒；着火特性；平面火焰燃烧器；光学诊断

煤粉颗粒的着火特性对于工业锅炉中燃烧的稳定运行和煤的高效利用起到至关重要的作用．通常情况下，煤粉的着火燃烧过程可分为两个阶段，即挥发分的析出反应阶段和残余焦炭的氧化反应阶段．然而这两阶段的发生过程在实际煤粉的着火燃烧中却是十分复杂的，和煤粉的着火方式密切相关．大量研究表明煤粉颗粒着火方式可分为均相着火和非均相着火两种．不同的着火方式，其燃烧煤粉颗粒的大小、形貌及温度分布各不相同．因此，详细研究单煤粉颗粒的着火过程，对于煤粉着火方式的区分、着火模型的建立以及指导工业实际应用都具有重要的意义．

国内外众多学者围绕着煤粉着火延迟开展了系统研究．李水清等[1-2]、余岳峰等[3]采用ICCD相机捕捉煤粉着火燃烧过程的可见光强度，通过设定光强阈值或图像RGB数值变化来判断煤粉着火的发生，同时通过双色或三色法获得煤粉着火过程中的温度变化．邹高鹏[4]、Shaddix等[5-7]则通过采集煤粉着火燃烧过程释放的活性基团(包括OH或CH活性基团)强度来判断着火点的位置．不论是基于煤粉燃烧的可见光或是活性基团强度来判断着火点，都无法同时捕捉每个颗粒的连续着火过程，并且需要人为设定阈值(该阈值的确定尚无统一依据)，由此不可避免造成了煤粉着火延迟时间的测量误差．除此之外，Lee 等[8]使用高速摄像对单煤粉颗粒的着火过程进行连续捕捉，通过煤粉颗粒图像的实际尺寸、形貌、光强和煤粉颗粒的运动速度，判断着火点并计算着火延迟时间．该方法虽然基于颗粒燃烧的实际过程准确判断单个煤粉颗粒的着火点，但通常只能获取少数颗粒的着火过程，样本太少，统计误差太大，并且该方法多基于背光法，无法同时获取颗粒燃烧过程中的温度这一重要信息．

有鉴于此，本文基于平面火焰携带流反应器，采用激光辅助高速摄像技术，结合自行开发的颗粒识别与跟踪算法，准确捕捉所有颗粒从受热到着火燃烧的全过程，同时应用双色法实时计算出每个颗粒的温度分布，进而准确统计出煤粉颗粒着火延迟时间．

1 实验系统和实验方案

1.1 煤粉单颗粒反应平台

实验系统是以Hencken平面火焰燃烧器为核心搭建的单煤粉颗粒着火光学测量系统，如图1所示．燃烧器的主要分为三层：由CO和H2组成的混合燃料气体通过400多根内径0.6mm的毛细钢管构成的燃料通路进入炉膛；由N2和O2组成的混合氧化气体则通过蜂窝段整流后与燃料气在燃烧器表面进行混合；此外，燃烧器最外层还设置有外环气道，通过输入N2达到保护流场和冷却燃烧器的作用．燃烧器的中心设置有内径2mm的给粉管，通入N2携带煤粉进入到炉膛中．冷态的煤粉颗粒穿过平面火焰后急剧受热，其加热速率可达105～106K/s．在燃烧器上方设置尺寸为54mm×54mm的透明石英方管作为燃烧器的炉膛，既保证了燃烧器上方的流场稳定，也为煤粉颗粒的着火燃烧以及光学测量营造了一个良好的环境．

图1 单煤粉颗粒实验系统示意

实验中携带煤粉的气流流量为0.3L/min(stan-dard liter per minute，SLPM)，给粉量控制在1g/h．燃料侧的进气流量控制在30L/min，根据化学当量比配置了燃料气体和氧化气体，使得在形成稳定的平面火焰后，保证煤粉颗粒处于氧体积分数为20%的烟气中发生反应．炉膛加热温度是1800K，实验工况及组分如表1所示．

表1 实验工况

Tab.1 Experimental conditions

同时为了验证燃烧器上方的中心温度分布是否均匀，采用了B型热电偶进行炉膛内不同高度中心位置处的温度测量．并对测量的值进行了辐射修正，具体数据如图2所示．

图2 炉膛内温度场分布

1.2 煤种的准备和表征

本文为了研究煤粉颗粒的脱挥发分过程和煤焦氧化燃烧的相关特性，选用了挥发分含量较高的神华烟煤，并控制煤粉颗粒的粒径为74～98μm．该煤的工业分析和元素分析如表2所示．

表2 煤的工业分析和元素分析

Tab.2 Proximate and ultimate analyses of coal

1.3 光学测量装置及数据处理方法

本文为了清晰准确地获得煤粉颗粒着火过程的连续图片，分析煤粉颗粒在着火燃烧过程中的尺寸、形貌、温度的变化情况，搭建了一套激光辅助高速摄像测量装置．通过高速摄像相机(型号为Photron FASTCAMSA4)配合微距镜头(型号为AF Micro-Nikkor 105mm/2.8D)对煤粉的着火过程进行高质量、连续的图像捕捉．相机主要设置参数详见表3.高速摄像拍摄过程中的辅助连续激光(波长为532nm)，保证了煤粉颗粒从未燃到着火燃烧的全过程捕捉．

为了分析颗粒尺寸的变化以及跟踪统计连续颗粒，本文建立了一套图像处理的方法．按照先后顺序可以分为以下4个过程：①灰度转换，将数据变量单一化．将彩色图像转变为黑白的8位灰度图像，每个像素点的光强值为0～255；②降噪过滤，确定一个背景的临界阈值，将灰度值低于该阈值的像素点的灰度值设为0；③粒子识别，即从降噪后的图像中提取出每一个粒子，同时准确获取每一个粒子的大小，亮度和中心位置坐标，如式(1)、(2)所示；④颗粒匹配与跟踪，通过匹配的连续颗粒计算出颗粒速度，其详细计算方法可参看文献[9]建立的计算模型．

颗粒的平均亮度：

 (1)

颗粒的中心位置：

    (2)

表3 设备参数

Tab.3 Device parameters

高速摄像镜头连续激光 FPS曝光时间/s拍摄照片数分辨率光圈最大输出功率/W波长/mm 50001/30000300019.53f/2.8D8532

1.4 光学测量装置及图形处理方法

本文对于煤粉单颗粒温度的测量采用的是双色法．由于煤粉颗粒着火温度在3000K以下，这里使用了维恩公式代替普朗克辐射公式，产生的误差可忽略不计：

 (3)

式中：为辐射强度对应的波长；为辐射强度对应的温度；()为煤粉的发射率；1和2为经验参数．

通过将同一物体在同一位置的两种波长下的光辐射强度进行比值，就可以得到物体的温度，如公式(4)所示．

 (4)

高速相机接受到的数据值与光路特性和被拍摄物体有关．对单个CMOS感光单元，其所接受到的总辐射强度为入射光强度对波长和时间的积分，本文在此进行了简化，取特定曝光时间下相机输出数据、、值分别为700nm波长辐射强度()、546nm波长辐射强度()、435nm波长辐射强度()的函数，通过黑体炉标定来确定输出数据与辐射强度的关系．在实际拍摄的煤粉颗粒着火图像中，由于值信噪比较低，因此选取了和值进行比值，这里对煤粉颗粒做灰体假设，从而得到温度的计算公式：

 (5)

通过黑体炉的标定，可以建立、、与(，)、(，)、(，)的对应曲线，其中r、g为响应比例系数，带入公式中，可以求出颗粒的温度．

2 结果与讨论

2.1 煤粉颗粒在炉膛内速度变化

在实验过程中为了保证平面火焰层的稳定和燃烧器内环境温度场的均匀，对于燃烧器的一次风和二次风的流量进行了控制．煤粉颗粒是由一次风N2携带通入到燃烧器内，其一次风的流量为0.3L/min，平均流速为1.72m/s．燃烧器的二次风，即燃料侧和氧化剂侧的总进气量是30L/min，其热态下的流速可以达到1～2m/s．通过高速摄像连续捕捉煤粉颗粒图像，应用PTV(particle tracking velocimetry)算法[9]，计算得到每个颗粒的速度．在此基础上，通过分层统计获取沿炉膛高度分布煤粉颗粒平均速度，见图3．

图3 颗粒在炉膛内的速度

2.2 连续颗粒着火过程图像捕捉

从煤粉颗粒进入到炉膛内开始受热，到煤焦燃烧，整个煤粉的着火过程主要发生在燃烧器上方0～60mm的范围内．因此在实验中每隔10mm作为一个拍摄区域，设置了6个拍摄位置，保证了拍摄区域的重叠和拍摄过程的完整．

在炉膛加热温度1800K下，对神华烟煤在燃烧器上方不同位置进行了连续拍摄，每张图片时间间隔为0.2ms．通过对颗粒着火过程的连续图片分析，可以划分出颗粒的加热阶段，脱挥发分阶段和煤焦的氧化阶段的3个阶段，如图4所示．选取图4中煤粉颗粒着火各阶段的典型图片进行分析，如图5所示．

图4 颗粒着火燃烧过程示意

在煤粉颗粒进入炉膛0～15ms时，颗粒图像主要呈绿色，这是由于颗粒对连续激光进行反射产生的，说明颗粒自身并未着火，因此这一阶段主要是煤粉的受热过程．而在颗粒进入炉膛15ms后，可以清晰地观测到颗粒周围逐渐出现暗红色的包覆火焰，但是颗粒的中心位置依然较暗，且被连续激光照射为绿色．这表明此时煤粉颗粒析出的挥发分开始着火，这种挥发分首先发生着火的现象属于均相着火．

随着挥发分火焰的燃烧，在17～20ms时，火焰尺寸开始逐渐变小，亮度变暗．颗粒中心位置处亮度依然较暗，呈现成绿色，这表明煤粉的脱挥发分的过程逐渐结束，外围挥发分燃烧完全．在20ms时，煤粉颗粒逐渐变亮，且中心位置处的亮度最强．由上述过程可知，煤焦颗粒在脱挥发分过程中不断受热，外围挥发分剧烈燃烧．在挥发分燃烧完后，进而发生煤焦的氧化燃烧．煤焦的燃烧过程主要呈现为亮白色，并且颗粒中心位置处的亮度最强，其颗粒尺寸较小，这和挥发分火焰的燃烧现象有很大的区别，这对于区分脱挥发过程和煤焦的燃烧过程有很大的帮助．

2.3 颗粒着火过程温度变化统计

本文以高速摄像图片为基础，对煤粉颗粒进行灰体假设，用双色法原理计算了颗粒温度场的分布．但是在挥发分燃烧过程中，其辐射特性与挥发分厚度、碳烟浓度等有关，不属于物体表面辐射，无法使用双色法进行温度分析．因此本文主要给出了煤焦氧化过程中的温度场分布以及温度变化情况．如图6所示，选取了未过曝的(亮度值＜255)煤焦颗粒着火燃烧的连续图像．利用双色法对图6中的颗粒图像进行计算处理，分别得到了每幅图中颗粒的温度场分布，并统计得到颗粒最高温度变化图和颗粒尺寸变化，如图7所示．通过数据可知煤焦颗粒的温度随着反应的进行逐渐增加，最高温度可以达到1800K左右．而颗粒的尺寸则是随着着火进行逐渐增加，最后达到一个较为稳定的值．

图5 煤粉颗粒着火过程连续捕捉图片(单位：ms)

图6 煤焦颗粒着火燃烧连续图片(1～10按时间顺序排列)

图7 煤粉颗粒温度和尺寸的变化情况

对捕捉到的每一幅照片中的颗粒进行了双色法计算得到温度场分布，如图8所示．通过温度场的分布可以发现在煤焦颗粒氧化的初始阶段温度分布并不均匀，有高温区的存在．这说明煤焦颗粒的着火是以局部着火的形式进行，随着时间的推移，高温区逐渐向四周传播热量，最后整个颗粒发生着火燃烧，此时温度分布趋于均匀．

图8 煤焦颗粒着火过程温度分布

3 结 语

本文通过激光辅助高速测量，应用自行开发的颗粒识别、匹配、跟踪算法，在平面火焰燃烧器上对单煤粉颗粒的燃烧过程进行了连续测量，获取了神华烟煤颗粒在燃烧过程中的尺寸、形貌、温度和着火延迟特性．实验结果表明，环境温度1800K、空气气氛下，粒径分布为74～98μm的神华烟煤煤粉为均相着火．煤粉颗粒释放的挥发分首先发生着火，形成暗红色球形包覆火焰；待挥发分消耗后，煤焦颗粒开始异相着火，并从其表面发出亮白色光；温度分布进一步证明煤焦颗粒燃烧是非均匀的．

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Li Jing. PIV Measurements and Direct Numerical Simulation of Turbulence Modification in a Horizontal Particle-laden Channel Flow[D]. Wuhan：School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，2010(in Chinese).

Experimental Study on the Ignition Characteristics of Single Coal Particles Using Laser-assisted High-speed Camera

Lu Ke1，Li Jing1，Wang Yusheng1，Huang Xiaohong1，Luo Wei2，Liu Zhaohui1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion，School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430205，China)

The ignition characteristics of single pulverized coal particles were investigated using a Hencken burner. A laser-assisted high-speed camera was used to image the ignition process，after which the size，shape，temperature，and ignition delay time of the pulverized coal were examined in detail. Shenhua bituminous coal with particle diameter of 74—98 μm underwent homogeneous ignition under an ambient temperature of 1 800 K. The volatiles of the pulverized coal were released and ignited to form a spherical coating flame. When these volatiles were completely consumed，heterogeneous ignition of char began to occur，representing the formation of luminous intensity emitted from the particle surface. The temperature distribution of coal particles demonstrates that combustion on the char surface was non-uniform.

single coal particle；ignition characteristics；flat flame burner；optical diagnosis

TK16

A

1006-8740(2019)02-0169-06

2018-05-04．

国家重点研发计划资助项目(2018YFB0605300)．

卢 科（1992—  ），男，硕士研究生，look111@hust.edu.cn.

栗 晶，男，博士，讲师，jingli@hust.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201805004