基于OH-PLIF测量技术的煤粉射流火焰着火燃烧特性

朱文堃，齐洪亮，杨玉奇，彭江波，孙 锐，丁赛杰，张 蕾，田 岩



基于OH-PLIF测量技术的煤粉射流火焰着火燃烧特性

朱文堃1，齐洪亮1，杨玉奇1，彭江波2，孙 锐1，丁赛杰1，张 蕾1，田 岩3

(1．哈尔滨工业大学燃烧工程研究所；哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨 150080；3. 北京国电龙高科环境工程技术有限公司，北京 100035)

在光学诊断型煤粉燃烧器系统上研究煤粉着火燃烧特性，利用ICMOS相机捕捉射流火焰总光强信号、自发辐射信号以及PLIF荧光信号，根据获得信号的品质，判断各种测试手段的优缺点．计算射流火焰总光强和PLIF荧光信号的着火延迟时间，分析PLIF测量手段的可靠性，结合OH-PLIF技术的瞬态图像，以及着火延迟时间的变化规律，分析射流火焰挥发分着火及燃烧特性．研究结果表明，颗粒群着火是挥发分先析出着火燃烧，然后加热焦炭颗粒燃烧的过程．

煤粉；着火；射流火焰；PLIF；挥发分燃烧

煤粉着火及燃烧特性的研究由来已久，煤粉着火是整个燃烧过程的开始，也直接影响到燃烧过程的清洁高效、燃烧环境的安全稳定，因此着火过程的研究至关重要[1]．大量的研究表明，煤粉燃烧的稳定性对于燃烧器的安全稳定运行至关重要，也直接影响到燃烧系统的着火稳定性；煤粉炉稳燃性能受到煤粉脱挥发分过程的直接影响，而且脱挥发分过程对于NO等污染物排放影响巨大[2]，煤粉着火特性的分析研究是煤粉燃烧领域的关键研究内容．煤粉着火是复杂的气固两相燃烧，着火机理异常复杂，研究者对煤粉颗粒经历均相着火还是异相着火极为关注[2]；不同的燃烧条件下着火模式各有不同，具体为何种着火模式取决于颗粒表面加热速率和挥发分热解释放速率的相对大小[3]．任何方式的煤燃烧，着火是首要条件，即如何加热煤粉颗粒，将煤粉颗粒点燃，并达到稳定着火以及火焰传播的目的．在着火燃烧过程中，煤粉颗粒间的相互作用、相互影响，对于燃烧器的燃烧稳定、燃尽程度及污染物排放有着重要的影响[4]．

均相着火是煤粉着火的主要方式之一，均相着火的温度与煤颗粒挥发分含量和粒径相关[1,5]. Gururajan等[6]在研究中重新发展了均相着火模型，考虑到焦炭表面氧化反应，同时也将原有模型中低温情况下预测着火温度偏低的情况进行纠正．之后，研究者Howard等[7]发现在特定情况下煤粉颗粒的着火是焦炭颗粒表面先发生着火，根据这一发现，提出了异相着火模型；考虑多因素对着火影响时，异相着火模型在解释能力上更有优势；实验中也发现粒径在15μm以下时，颗粒群的着火多是异相着火．

伴随技术的不断进步，光学测量手段被引入燃烧测量中，例如采用双色或三色高温计测量煤粉颗粒燃烧温度[8-9]，使用高速相机可以观察到高速流动中煤粉的着火形态以及判断其着火机制[10-12]；煤粉燃烧机理的研究中，用CH*信号判断挥发分着火和熄灭相比于碳黑或者热焦的黑体辐射信号效果更好[13-14]；燃烧中CH*、OH*等自由基并不容易探测到，采用平面激光诱导荧光(PLIF)技术激发自由基辐射荧光增加了有效信号的强度，对于火焰中异常活跃的OH*和CH*等痕量组分，具有非常好的探测效果，而且对燃烧场影响非常小．

Seung等[15]搭建一个可利用光学测量手段的煤粉燃烧器，其中双色高温计测量煤粉燃烧过程中的火焰温度，SDPA系统测量煤粉颗粒速度，用滤光片测得自发辐射信号CH*的分布，由OH-PLIF和Mie散射技术得到煤粉颗粒与燃烧反应区域的空间关系；研究结果表明煤粉流上部区域在边缘发生燃烧反应，伴随反应不断的进行，煤粉流下部区域在内部发生燃烧反应，煤粉流精细的火焰特征为数值模拟的发展提供数据基础．Hayashi等[16]进一步研究中，增加激光诱导白炽灯(LII)测量系统，探测煤粉热解燃烧中碳黑的释放情况，OH-PLIF技术测量燃烧反应区的情况，分析研究碳黑和OH*的空间分布情况，得知OH*与碳黑释放的叠加区域在不断向下部区域扩展，而且碳黑大量存在于高温、低氧的煤颗粒周围．

Balusamy等[17]在用甲烷燃烧为热源的煤粉燃烧器上开展研究，采用OH-PLIF技术、Mie散射及LDV(2D)技术，对燃烧反应区进行在线监测；研究结果表明，在一定程度内增加给粉速率加速燃烧反应，缩短射流火焰长度，碳黑在煤粉射流火焰燃烧较弱的离散区域形成．Köser等[18]在预混平焰燃烧器上开展煤粉热解燃烧的研究，利用10kHz的OH-PLIF技术捕捉单颗粒烟煤(90～125µm)燃烧的OH*瞬态图像，连续图像的时间变化规律展现了挥发着火的全过程，发现氧含量强烈影响挥发分燃烧，而且挥发分燃尽只需1～2ms，强有力地说明单颗粒烟煤着火是均相着火．相比于传统的自发辐射光谱图像，OH-PLIF的断层图像更容易确定挥发分着火的起始点，以及火焰的内部结构．

本文在自主设计的煤粉反应燃烧器开展煤粉射流火焰的着火燃烧特性的研究，分析射流火焰的总光强信号、OH*自发辐射信号及PLIF荧光信号，通过测量数据的对比，分析说明各个测量手段的优劣，并通过归一化光强曲线计算出的煤粉着火延迟时间，结合OH-PLIF的断层瞬态图像，分析环境氧浓度对于煤粉射流火焰的燃烧影响．

1 实验装置和方法

1.1 煤粉燃烧反应系统

煤粉燃烧反应系统主体是预混平焰燃烧器，具体结构介绍详见文献[19]；本实验在此基础上增加PLIF测量实验台，见图1．PLIF系统主要由激光器模块、光束整形模块、信号采集模块3个部分组成．

激光器模块主要包括Nd：YAG固体激光器、倍频SHG器和染料激光器等，如图2所示；Nd：YAG固体激光器发射的激光束经过倍频及燃料激光器调整后输出波长为283nm的激光，经过测量激光束的单脉冲能量稳定在0.7mJ左右．

光束整形模块主要包括反射镜、透镜组等，其作用是将一维点状激光整形为二维平面激光．PLIF技术探测二维平面的光学信号，激光的入射形态是片光源，探测火焰的二维断层图像，本文中整形后的片光源高24mm、厚300mm．

信号采集模块主要包括ICMOS 相机、DG645数字延时信号发生器、DG535数字延时信号发生器、滤波片、计算机等．OH*荧光寿命只有几十纳秒左右，所以采用数字延时信号发生器控制ICMOS相机的信号采集与LIF激光激发过程同步进行．

图1 光学诊断型煤粉反应系统

图2 OH-PLIF激光系统

ICMOS相机镜头为紫外镜头(＝105mm，/4.5)，相机门宽为100μs，相机帧频为20Hz，紫外镜头对火焰的直接成像是总光强辐射信号，在镜头前安装滤光片获得OH*自发辐射信号[19]．PLIF激光光束入射待测火焰区域，激发火焰中被测OH*辐射荧光信号，由ICMOS相机捕获后进而获得OH*的荧光信号，其中相机帧频为100Hz，门宽为50ns．

1.2 实验工况设计

实验的研究对象煤粉采用神华烟煤，煤粉粒径为53～80μm，实验时给粉速率1.9g/h，神华烟煤干燥剂的工业分析和元素分析如表1所示．煤粉燃烧反应系统可灵活调整CH4、O2和 N2的流量(保持总流量不变)，通过调节气体配比对燃烧环境控制，实验工况配比方案如表2所示．

表1 原煤的工业分析和元素分析

Tab.1 Ultimate and proximate analyses of coal

表2 实验工况配比方案

Tab.2 Configuration scheme for experimental operation condition

1.3 颗粒流速度测量

利用OH-PLIF图像的时间规律性，可测量颗粒流动速度，相邻图像的时间间隔是0.01s，利用单颗粒在图像的不同位置高度计算出两张图片的位移差值，不同图像距离差值如图3所示，煤颗粒受到重力及气体吹动和热解燃烧的影响，可认为颗粒在燃烧器内做匀加速直线运动，根据＝/可得颗粒流动速度，同时也得到此段位移中间位置的瞬时速度，通过计算得到颗粒速度分布图，如图3(b)所示．

图3 沿燃烧室高度方向的颗粒速度分布

2 实验结果与分析讨论

2.1 颗粒群着火特性

颗粒的着火伴随着光和热的强烈释放，所以利用光强值的变化可以判断颗粒群的着火位置．总光强辐射信号和OH*自发辐射信号着火位置判断采用文献[20]的方法，PLIF荧光信号的着火位置判断采用类似的方法，规定光学信号第1次达到最大光强20%时定义为火焰的着火位置．在获得煤粉着火位置以及颗粒速度后，可获得煤粉颗粒群着火延迟时间，如图4所示(神华烟煤，环境温度1700K，氧体积分数20%)；着火延迟时间是煤粉着火燃烧特性的重要衡量指标，本文将利用光学诊断技术重点研究颗粒群在不同氧浓度及不同温度下的着火燃烧特性．

煤粉颗粒群着火研究中，当煤粉颗粒的粒径远小于颗粒间的距离时，颗粒群的着火可认为是大量单颗粒着火的集聚[20-21]，将煤粉单颗粒的着火机理研究应用到煤粉颗粒群的燃烧研究中，简化颗粒群着火燃烧复杂性．基于以上的假设，颗粒群着火可认为是颗粒间相互作用的结果，对于分散良好的颗粒群的着火燃烧，通过探究单颗粒OH*的变化规律和火焰结构和颗粒群的OH*变化规律和火焰结构，可深入分析煤粉着火燃烧特性．

图4 归一化信号强度曲线及着火延迟时间

图4(a)中3条光强曲线的变化表明，最先出现着火点位置的是PLIF荧光信号，说明PLIF的响应性能最好，对于着火点的判断更为合适．其中PLIF荧光信号曲线在10～20mm 的高度范围内，呈线性增加的趋势，挥发分火焰从着火到稳定的燃烧强度逐渐增加；在20～30mm的高度范围内，光强值稳定在最大光强范围内，说明挥发分火焰在此区域内达到剧烈稳定燃烧．图4(b)给出采用总光强辐射信号和PLIF荧光信号下的着火延迟时间的变化，总光强辐射信号的着火延迟时间和PLIF荧光信号的着火延迟时间整体呈现下降趋势，而且 PLIF荧光信号的着火延迟时间更短．3种不同的测量方式，信号响应最快的是PLIF测量手段，PLIF测量技术对于火焰的敏感程度最高，对于煤粉火焰着火过程研究有着更为明显的优势．

2.2 单颗粒着火特性

在10%～30%的氧体积分数环境下，烟煤颗粒群的OH*荧光信号变化如图5所示，瞬态的荧光信号图像可直接判断出煤粉的绝对着火位置，图像的颜色变化表征燃烧的剧烈程度．不同氧体积分数对于挥发分燃烧剧烈程度影响甚大，颗粒流形成较为稳定的燃烧火焰束，OH*的瞬态断层图像显示挥发分火焰完全包裹着焦炭颗粒，颗粒间的挥发分火焰相互重叠、相互影响，构建成稳定燃烧的射流火焰束．伴随氧体积分数的升高，绝对着火位置提前，挥发分燃烧加剧，OH*释放量大增，符合煤粉均相着火燃烧情况；煤粉的自动着火时间与燃料氧化剂的反应活性密切相关[22]，增加环境氧体积分数，加速氧化剂的渗透能力，加速气相燃烧反应的进行．

图5 颗粒群在1700K下的荧光信号分布

在(O2)=10%时，挥发分的燃烧相对不剧烈，氧体积分数较低，氧分子向气相挥发分内部渗透能力较弱，颗粒焦炭周围形成欠氧富燃料区域，造成燃烧不充分，燃烧反应区域也较小；当氧体积分数为20%时，氧化剂的渗透能力增加，绝对着火位置提前，燃烧加剧，火焰束变得更加连续，燃烧稳定性进一步增加；在(O2)＝30%时，绝对着火位置再一次提前，燃烧反应区爆发性扩大，形成一个锥形的燃烧反应区，OH*的体积分数更高，燃烧更加剧烈；不同氧体积分数下发现火焰束内部均有低体积分数OH*信号的空洞，说明焦炭颗粒被包裹其中，受到气相火焰的加热；瞬态图像也说明了颗粒间的距离远远大于颗粒的直径，可以用单颗粒的均相着火理论分析煤粉群着火燃烧特性．

通过捕捉不同高度下单颗粒的OH*荧光信号图像，结果如图6(a)所示，颗粒火焰基本可形成完全的球形火焰，从外到内形成明显的燃烧梯度带，球形火焰的半径在1～1.5mm之间；以颗粒中心为起点，向外绘制OH*的绝对体积分数值变化如图6(b)所示；OH*体积分数最高的点在0.4～0.6mm的区域内，说明挥发分释放与氧化剂的混合在这个区域达到最佳当量比，挥发分在不断向外扩散与氧分子不断向内渗透达到平衡的区域；在0～0.4mm的区域内，形成欠氧富燃料区域，在0.6～2mm的区域内为富氧欠燃料区域，都造成燃烧的不充分，在图像中表现为燃烧梯度带．不同高度颗粒球的OH*体积分数值变化不同，体积分数峰值随着燃烧室的高度在增加，在20mm以上的高度，变化减弱，基本保持在稳定的区域  内[18]；而且在25mm以后峰值体积分数有一定的回落，说明挥发分释放减弱，焦炭颗粒逐渐形成完毕；与图5中OH*在燃烧室内20～30mm内的稳定燃烧阶段的趋势相对应，与前文的分析一致，单颗粒的均相着火理论与颗粒群的着火分析相一致(为颗粒距离燃料喷口垂直距离)．

图6 煤粉单颗粒火焰的荧光信号分布

2.3 半焦颗粒的燃尽特性

煤粉颗粒流燃烧结束，在燃烧器的底部收集煤焦，通过对半焦的特性进行分析研究，获取氧体积分数对煤焦热解性能的影响．图7给出将煤焦放大1000倍后观察到的实验结果，煤焦形状棱角分明，孔隙结构发达多变，热解脱挥发分阶段形成的孔隙对焦炭的燃尽有着直接的影响．

图7 神华烟煤燃烧后的煤焦形态

对煤焦的比表面积、成分含量进行测试，利用灰示踪法[19]计算不同条件下的挥发分析出率和固定碳转化率，其中神华原焦是在900℃的水平炉氩气氛围下(2L/min)停留30min制取，结果如表3所示.

神华烟煤及煤焦的比表面积变化说明煤焦经历脱挥发分、高温停留及表面氧化反应后，煤焦发生软化、熔融及灰的熔化等现象[23]，煤焦比表面积伴随氧体积分数的增加而减少，因为高氧体积分数下燃烧更为剧烈，燃尽程度更高，孔隙结构变形更严重；燃烧工况下煤焦的比表面积大于神华原焦的比表面积，主要原因是煤焦在燃烧环境内的停留时间很短造成．

表3结果给出的神华原焦挥发分析出率最高，固定碳损失率最低，原焦在高温缺氧的环境中，挥发分可高效析出，但是无氧环境下无法氧化，固定碳转化比例较小；在燃烧工况下，煤焦的挥发分析出率和固定碳损失率伴随氧体积分数的增加呈线性增长，但固定碳损失率相对更高，氧体积分数的增加加速挥发分的燃尽，同时也促进煤焦的燃烧，说明氧体积分数对煤粉颗粒群的挥发分热解燃烧及煤焦燃尽特性都有着非常的重要影响．

表3 神华烟煤和焦的元素分析、比表面积分析

Tab.3 Proximate and poreanalysis of Shenhua bituminous coal and char

3 结 论

(1) OH-PLIF技术在煤粉着火燃烧研究中具有明显优势，测量结果灵敏度高、物质选择性强，可获得更加清晰的火焰结构，OH-PLIF测量诊断图像也为数值模拟提供更加强有力的数据支撑．粒径53～80μm的神华烟煤在10%～30%的氧体积分数下均相着火占主导地位，颗粒群的着火是挥发分先着火并迅速形成稳定的火焰束，包裹并加热焦炭颗粒．

(2)通过煤焦孔隙特性分析，发现孔隙特性会直接影响到焦炭燃尽程度，同时煤焦燃尽程度也直接受到氧浓度的影响．

(3)高挥发分烟煤脱挥发分过程对于着火过程有着至关重要的影响，更为详细的研究需要结合OH/CH-PLIF和测温技术深入研究．

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Ignition and Combustion Characteristics of Pulverized Coal Jet Flame Based on OH-PLIF Measurement Techniques

Zhu Wenkun1，Qi Hongliang1，Yang Yuqi1，Peng Jiangbo2，Sun Rui1，Ding Saijie1，Zhang Lei1，Tian Yan3

(1.Institute of Combustion Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China； 2. National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser， Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China； 3. Beijing LGK Environment Co.，Ltd，Beijing 100035，China)

The ignition and combustion characteristics of a pulverized coal(PC)reactor system were studied via optical diagnosis. The OH*spontaneous emission signal，total light intensity signal and the OH-PLIF fluorescence signal of the powder jet flame were captured by ICMOS. The advantages and disadvantages of different measurement techniques were analyzed，respectively. The ignition delay time of the latter two was simultaneously calculated，thereby analyzing the reliability of the PLIF measurement method. Based on the combination of the OH-PLIF diagnostic fluorescence image and ignition delay time，the ignition and combustion characteristics of the volatile jet flame were elaborated. The results show that the PC cloud ignition is a process in which volatiles are burned first and then char particles are heated up.

pulverized coal；ignition；jet flame；planar laser induced fluorescence(PLIF)；volatile combustion

TQ534.9

A

1006-8740(2019)02-0175-07

2018-03-09.

国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2012YQ040164)；国家自然科学基金资助项目(51536002；61405048)．

朱文堃（1992—  ），男，硕士，wenkunzhu@ foxmail.com．

孙 锐，男，博士，教授，sunsr@hit.edu.cn．

10.11715/rskxjs.R201805003