張廷堯，胡中發(fā)，周月桂

單顆粒煤粉著火特性的數(shù)值分析

張廷堯，胡中發(fā)，周月桂

(上海交通大學機械與動力工程學院熱能工程研究所，上海 200240)

建立了模擬靜止的單顆粒煤粉著火燃燒過程的氣相和固相耦合的質量、組分和能量守恒方程組，采用不同脫揮發(fā)分模型研究了不同熱力氛圍下單顆粒煤粉的著火延遲時間和著火模式等特性．基于熱力著火理論的煤粉異相著火和均相著火判據(jù)，確定了不同熱力氛圍下煤粉顆粒發(fā)生著火模式轉變的臨界參數(shù)．結果表明，采用化學滲透脫揮發(fā)分(CPD)模型預報的煤粉著火延遲時間比雙揮發(fā)反應模型更加準確．在21%的氧氣體積分數(shù)下，環(huán)境溫度為1500K時，煤粉著火模式發(fā)生轉變的臨界粒徑為150μm；環(huán)境溫度為1100K時，其臨界粒徑為300μm.

單顆粒煤粉；CPD模型；著火延遲時間；著火模式；臨界粒徑

煤粉的著火特性是煤粉燃燒系統(tǒng)工程設計中的一個重要參數(shù)，改善煤粉的著火特性有助于提高燃燒效率和降低污染物的排放．煤粉著火和燃燒是一個包含脫揮發(fā)分、揮發(fā)分燃燒、焦炭氧化和氣化等反應的復雜過程．許多研究表明，煤粉的初次著火可以是由揮發(fā)分著火引起的均相著火，也可以是由煤粉顆粒表面反應主導的異相著火[1-3]．在均相著火模式下，熱解釋放的揮發(fā)分先發(fā)生著火，隨后揮發(fā)分在類似油滴的氣相火焰中燃燒，煤粉顆粒表面的氧氣體積分數(shù)很低甚至為零，導致焦炭的氧化反應停止．在異相著火模式下，氧氣直接與固體顆粒接觸并發(fā)生反應，這個固體顆粒不僅僅是焦炭，而是整個煤粉顆粒，異相反應會消耗本可以以氣相揮發(fā)分形式析出的物質[4].煤粉的著火模式與煤粉顆粒的煤種、粒徑、加熱速率、環(huán)境氛圍的溫度、氧氣的體積分數(shù)以及燃燒氛圍等有關．

如何建立氣相與固相耦合的數(shù)學模型對煤粉顆粒的著火燃燒過程進行理論分析是一個研究的熱點和難點．文獻[5-7]分別建立了基于穩(wěn)態(tài)、準穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)等假設的煤粉顆粒著火燃燒模型．其中穩(wěn)態(tài)和準穩(wěn)態(tài)的模型假設在煤粉顆粒周圍有足夠的時間達到穩(wěn)定狀態(tài)，并在達到煤粉自著火溫度下發(fā)生著火．然而在實際的煤粉爐中，煤粉顆粒的停留時間有限，爐內溫度也遠遠高于煤粉的自著火溫度，因此建立瞬態(tài)的煤粉顆粒著火和燃燒模型更加合理[8]．煤粉的脫揮發(fā)分反應直接影響著煤粉顆粒的均相著火燃燒過程．隨著煤粉脫揮發(fā)分模型的發(fā)展，復雜的脫揮發(fā)分模型已經(jīng)可以用于解釋煤的化學結構和脫揮發(fā)分過程中的變化[9]．20世紀70年代發(fā)展的阿倫尼烏斯形式的脫揮發(fā)分模型，如一步反應模型和雙揮發(fā)反應模型在形式上比較簡單，但需要通過實驗獲得對應煤種的動力學參數(shù)[10-11]．化學滲透脫揮發(fā)分CPD(chemi-cal percolation devolatilization)模型是目前能夠精確預報煤粉脫揮發(fā)分過程的模型，它把煤粉顆粒視為大分子網(wǎng)絡結構，考慮了不同煤種的結構變化，能夠預報脫揮發(fā)分過程中輕質氣體的釋放過程[12]. Jovanovic等[9]通過數(shù)值模擬比較了利用4種不同復雜程度的脫揮發(fā)分模型獲得的煤粉著火點的預測結果，結果表明CPD模型預報的結果與實驗結果符合最好．

本文建立了瞬態(tài)的單顆粒煤粉著火燃燒模型，研究并比較了雙揮發(fā)反應和CPD兩種脫揮發(fā)分模型對煤粉著火延遲時間預報準確性的影響，發(fā)現(xiàn)CPD模型預報的煤粉著火延遲時間比雙揮發(fā)反應模型更加準確．在此基礎上，采用基于CPD的單顆粒煤粉著火燃燒模型，通過比較均相著火和異相著火延遲時間的長短定義了單顆粒煤粉的著火模式，研究了煤粉顆粒的粒徑、環(huán)境氧氣體積分數(shù)和溫度對單顆粒煤粉的著火溫度以及著火模式的影響，確定了著火模式轉變的臨界參數(shù)，研究結果對實際煤粉爐內煤粉著火的強化有重要意義．

1?單顆粒煤粉瞬態(tài)著火燃燒模型

1.1?瞬態(tài)模型假設

假設一個半徑為的常溫煤粉顆粒突然被放入高溫空氣中，煤粉顆粒被環(huán)境氣體加熱．隨著煤粉顆粒溫度的增加，脫揮發(fā)分反應開始，釋放的揮發(fā)分組分和質量隨加熱速率、加熱時間和煤粉顆粒溫度的改變而改變．瞬態(tài)模型中涉及到以下假設：①煤粉顆粒球形對稱，劉易斯數(shù)＝1；②煤粉顆粒干燥并且不考慮灰分；③煤粉顆粒與環(huán)境氣體間沒有相對移動；④煤粉顆粒的溫度隨時間變化，但內部溫度分布均勻；⑤煤粉顆粒在脫揮發(fā)分過程中體積不發(fā)生變化，在表面異相反應過程中密度不發(fā)生變化而煤粉顆粒粒徑減小；⑥焦炭的氧化反應是氧氣的一級反應，反應產(chǎn)物為CO2；⑦煤粉顆粒周圍的氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程．

1.2?氣相守恒方程

質量守恒方程

組分守恒方程

在過去的煤粉燃燒模擬研究中，經(jīng)常采用火焰鋒面模型來模擬氣相燃燒反應[13-14]．為了解決該模型中假設化學反應無限快帶來的限制，后來一些學者采用多步總包反應模型或詳細化學反應模型來求解氣相燃燒反應[15-16]．本文選用總包反應動力學來求解揮發(fā)分的燃燒過程：

能量守恒方程

(4)

1.3?顆粒相方程

顆粒質量方程

顆粒密度方程

顆粒半徑方程

顆粒溫度守恒方程

1.4?脫揮發(fā)分模型

脫揮發(fā)分反應是煤粉著火燃燒過程中一個重要的子過程，本文檢驗了兩種不同復雜程度的脫揮發(fā)分模型對煤粉著火延遲時間預報的影響．

表1 Pittsburgh高揮發(fā)分煙煤雙揮發(fā)反應動力學參數(shù)

Tab.1 Kobayashi-Sarofim devolatilization kinetic pa-rameters for high volatile Pittsburgh bituminous coal

CPD模型是目前預測煤粉脫揮發(fā)分過程中物質釋放速率最精確的模型之一，它根據(jù)煤的化學結構來預測不同煤種的脫揮發(fā)分過程[12]．在CPD模型中，煤被描述為由不同大小和類型的芳香環(huán)簇組成的大分子網(wǎng)絡，這些芳香環(huán)簇由不同化學鍵強度的化學橋(即“不穩(wěn)定橋”)連接起來．脫揮發(fā)分過程從不穩(wěn)定橋分解形成高反應性的中間橋l開始．這些中間橋進一步反應生成焦油(C2H2)和輕質氣體(CO2，CO，CH4，H2O)或側鏈，側鏈可能最終會形成輕質??氣體．

1.5?模擬計算過程

2?結果分析與討論

2.1?脫揮發(fā)分模型對著火延遲時間預報準確性的影響

對美國典型Pittsburgh高揮發(fā)分煙煤的著火過程進行了模擬，該煤種的工業(yè)分析和元素分析見表2，空氣氛圍下煤粉著火延遲時間的實驗數(shù)據(jù)來自文獻[17].計算中設置煤粉顆粒的初始密度為1300kg/m3，初始溫度為298K．根據(jù)謝苗諾夫(Semenov)熱力著火理論，當產(chǎn)熱率大于等于熱損失率時發(fā)生著火，由此可以推導出煤粉顆粒的異相著火發(fā)生在煤粉顆粒溫度隨時間變化曲線的拐點(d2p/d2＝0，且dp/d＞0)．當煤粉顆粒周圍的氣相氛圍中氧氣和揮發(fā)分的濃度和溫度到達了著火極限，就會發(fā)生均相著火．在模型計算中，當某一計算單元(內徑為，外徑為＋Δ的計算區(qū)域)的氣相溫度高于了相鄰計算單元(內徑為－Δ，外徑為的計算單元和內徑為＋Δ，外徑為＋2Δ的計算單元)的氣相溫度的時候，即局部氣相氛圍中的氧化反應速率快速增加，認為在該時刻發(fā)生了均相著火．煤粉的著火延遲時間定義為均相著火延遲時間和異相著火延遲時間中最短的那個時間，煤粉的著火模式定義為初次發(fā)生著火的那種模式.

表2 Pittsburgh高揮發(fā)分煙煤工業(yè)分析和元素分析

Tab.2 Proximate and ultimate analysis for high volatile Pittsburgh bituminous coal

圖1是利用CPD模型和雙揮發(fā)反應模型計算得到的煤粉著火延遲時間與Shaddix等[17]實驗結果的比較．利用瞬態(tài)的單顆粒煤粉著火燃燒模型預報的著火延遲時間與實驗結果符合較好，驗證了模型的準確性．利用兩種脫揮發(fā)分模型計算得到的著火延遲時間都隨氧氣體積分數(shù)的增加而減少，CPD模型明顯比雙揮發(fā)反應模型預報的著火延遲時間更加準確，因此下文中均采用CPD模型計算的結果進行分析．在1700K的環(huán)境溫度下，CPD模型預報的揮發(fā)分釋放速率更快，析出的揮發(fā)分含量更高[7]，煤粉顆粒表面的可燃混合物更快達到著火極限，因此計算得到的著火延遲時間更短．在氧氣體積分數(shù)為36%的工況下，利用兩種脫揮發(fā)分模型預報的煤粉顆粒著火模式均為異相著火，這意味著在高的氧氣體積分數(shù)下，焦炭的表面反應速率明顯加快，煤粉顆粒首先發(fā)生異相著火．

圖1?不同環(huán)境氧氣體積分數(shù)下的著火延遲時間

2.2?顆粒粒徑對著火特性的影響

模型計算中記錄了煤粉顆粒和周圍氣體的溫度隨時間的變化．當發(fā)生異相著火時，定義該時刻的煤粉顆粒的溫度為異相著火溫度(p,HI)．隨著煤粉顆粒溫度進一步增加，煤粉顆粒脫揮發(fā)分反應速率加快，顆粒周圍的揮發(fā)分濃度逐漸升高并發(fā)生均相著火，氣相氛圍中會出現(xiàn)一個溫度的峰值，定義這個溫度的峰值為二次均相著火溫度(g,SGI)．如果初次著火模式為均相著火，則定義發(fā)生均相著火的當?shù)匚恢锰幍臍怏w溫度為均相著火溫度(g,GI)．

圖2給出了在環(huán)境溫度1500K、氧氣體積分數(shù)為21%時煤粉顆粒著火溫度以及著火模式隨粒徑的變化．從圖中可以看出，異相著火溫度隨粒徑的增大而降低，二次均相著火的溫度變化不大，煤粉顆粒的著火模式從異相著火轉變?yōu)榫嘀鸬呐R界粒徑為150μm．由于煤粉在脫揮發(fā)分過程中釋放的揮發(fā)分通量與粒徑成正比，煤粉顆粒表面的氣體的傳質系數(shù)與粒徑成反比，因此小的煤粉顆粒周圍的揮發(fā)分濃度低，大的煤粉顆粒周圍的揮發(fā)分濃度高．當顆粒粒徑小于150μm時，煤粉顆粒周圍的揮發(fā)分濃度比較低，難以發(fā)生均相著火．在煤粉顆粒受熱升溫的過程中，焦炭表面氧化反應速率逐漸增加，首先發(fā)生異相著火，隨后煤粉顆粒溫度迅速增加，導致脫揮發(fā)分反應速率也快速增加，煤粉顆粒周圍的揮發(fā)分濃度達到著火極限時，發(fā)生二次均相著火．當粒徑大于150μm時，煤粉顆粒周圍的揮發(fā)分濃度足夠高，首先發(fā)生均相著火．此時氧氣在氣相氛圍中消耗殆盡，無法到達煤粉顆粒表面，直到脫揮發(fā)分過程結束后才會發(fā)生焦炭的二次著火．隨著粒徑的增加，煤粉顆粒表面外的揮發(fā)分濃度也隨之增加，達到均相著火極限所需的氣體溫度逐漸降低，因此均相著火溫度隨粒徑的增大而略有減?。捎诖蟮拿悍垲w粒的內部可能存在溫度梯度，煤粉顆粒內部的溫度低于顆粒表面的溫度，實際的脫揮發(fā)分反應速率要小于在均勻煤粉顆粒溫度假設下預測的速率，因此實際發(fā)生著火模式轉變的臨界粒徑要大于150μm．

圖2?不同煤粉粒徑下著火溫度的變化

2.3?環(huán)境溫度對著火特性的影響

圖3顯示了不同粒徑下環(huán)境溫度對煤粉的著火溫度以及著火模式的影響(環(huán)境氧氣體積分數(shù)21%).當環(huán)境溫度從1500K降低至1100K時，小的煤粉顆粒初次著火模式仍然為異相著火，大的煤粉顆粒初次著火模式也仍然為均相著火，但是著火模式從異相著火轉變?yōu)榫嘀鸬呐R界粒徑從150μm增加到了300μm．這是由于隨著環(huán)境溫度的降低，氣相燃燒反應速率變慢，因此需要在更大的粒徑下產(chǎn)生更多的揮發(fā)分以達到著火極限．當環(huán)境溫度降低到900K時，氣體的溫度低于揮發(fā)分的自著火溫度，因此在所有粒徑下均發(fā)生異相著火．從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，煤粉顆粒的異相著火溫度不隨環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，這意味著煤粉顆粒的異相著火溫度只與焦炭的反應動力學和環(huán)境中的氧氣體積分數(shù)有關．當環(huán)境溫度進一步降低時，焦炭的氧化反應速率非常緩慢，煤粉顆粒既不會發(fā)生均相著火也不會發(fā)生異相著火．

圖3?不同環(huán)境溫度下著火溫度隨粒徑的變化

2.4?氧氣體積分數(shù)對著火特性的影響

圖4展示了不同粒徑下氧氣體積分數(shù)對煤粉顆粒的著火溫度和著火模式的影響(環(huán)境溫度1500K).從圖中可以看出，在低氧氣體積分數(shù)下，由于焦炭表面的氧化反應速率緩慢，總是先發(fā)生均相著火．隨著氧氣體積分數(shù)的增加，煤粉顆粒周圍的揮發(fā)分更容易達到著火極限從而發(fā)生均相著火，因此均相著火溫度逐漸降低．而在高氧氣體積分數(shù)下，煤粉顆粒表面的氧氣體積分數(shù)很高，并且氧氣體積分數(shù)越高，焦炭表面的氧化反應速率越快，越容易發(fā)生異相著火，因此顆粒的異相著火溫度也逐漸減小．著火模式從均相著火轉變?yōu)楫愊嘀鸬呐R界氧氣體積分數(shù)隨粒徑的變化而發(fā)生改變．當粒徑為100μm時，臨界氧氣體積分數(shù)為15%；當粒徑為300μm時，臨界氧氣體積分數(shù)為21%；當粒徑為600μm時，臨界氧氣體積分數(shù)為30%．

圖4?不同氧氣體積分數(shù)下著火溫度的變化

3?結?論

建立了氣相與固相耦合的瞬態(tài)單顆粒煤粉著火燃燒模型，模擬了美國典型的Pittsburgh高揮發(fā)分煙煤的著火特性，研究了煤粉顆粒的粒徑、環(huán)境溫度和氧氣體積分數(shù)對煤粉顆粒的著火溫度以及著火模式的影響．主要結論如下：

(1) 利用瞬態(tài)的單顆粒煤粉著火燃燒模型預報的煤粉著火延遲時間與實驗結果符合較好．采用復雜的CPD模型比相對簡單的雙揮發(fā)反應模型預報的著火延遲時間更加準確．

(2) 小的煤粉顆粒容易發(fā)生異相著火，大的煤粉顆粒容易發(fā)生均相著火．在21%的氧氣體積分數(shù)下，環(huán)境溫度為1500K時，煤粉著火模式從異相著火轉變?yōu)榫嘀鸬呐R界粒徑為150μm；環(huán)境溫度為1100K時，其臨界粒徑為300μm．

(3) 煤粉顆粒的異相著火溫度只與焦炭的反應動力學和環(huán)境氧氣體積分數(shù)有關，并隨顆粒粒徑和氧氣體積分數(shù)的增大而降低．煤粉顆粒的均相著火溫度隨氧氣體積分數(shù)和粒徑的增大略有減小．

符號說明：

——顆粒半徑，m；

1——脫揮發(fā)分反應1指前因子，1/s；

2——脫揮發(fā)分反應2指前因子，1/s；

c——氣體的比熱，kJ/(kg·K)；

p——煤粉顆粒的直徑，m；

——質量擴散系數(shù)，m2/s；

——劉易斯數(shù)；

p——煤粉顆粒的質量，kg；

V——未脫揮發(fā)分的煤粉顆粒的質量，kg；

u——通用氣體常數(shù)，kJ/(kmol·K)；

——距離顆粒中心的徑向距離，m；

——時間，s；

p——氣體溫度，K；

rad——輻射物體溫度，K；

p,HI——初次異相著火時顆粒溫度，K；

g,GI——初次均相著火時氣體溫度，K；

g,SGI——二次均相著火時氣體溫度，K；

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Numerical Analysis of the Ignition Characteristics of Single Coal Particle

Zhang Tingyao，Hu Zhongfa，Zhou Yuegui

(Institute of Thermal Energy Engineering，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

A transient model for the ignition and combustion process of a quiescent single coal particle was developed by coupling the mass, species and energy governing equations. Kobayashi-Sarofim devolatilization model and chemical percolation devolatilization(CPD)model were utilized to study the ignition characteristics of a single coal particle such as ignition delay time and ignition mode, respectively. The critical parameters for the transition of ignition mode of a single coal particle were determined by using the heterogenous and homogenous ignition criteria of a single coal particle based on thermal explosion theory under different ambient conditions. The simulated results show that CPD model performs better than Kobayashi-Sarofim devolatilization model in predicting the ignition delay time of a single coal particle. The critical coal particle size for the transition of ignition mode from heterogeneous to ignition is 150μm at the ambient gas temperature of 1500K and 300μm at 1100K with the oxygen volume fraction of 21%.

single coal particle；CPD model；ignition delay time；ignition mode；critical coal particle size

TK11

A

1006-8740(2022)01-0036-06

2021-03-17.

國家自然科學基金資助項目(51761125011；51976120；51576128).

張廷堯（1995—??），男，博士研究生，tyzhang@sjtu.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

周月桂，男，博士，教授，ygzhou@sjtu.edu.cn.

(責任編輯：梁?霞)