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高速煤粉射流火焰形態(tài)特征的實驗研究

2022-03-02 12:55:00黃文仕吳玉新
燃燒科學與技術 2022年1期
關鍵詞:煤粉湍流射流

黃文仕,張?琦,吳玉新,張?揚

高速煤粉射流火焰形態(tài)特征的實驗研究

黃文仕,張?琦,吳玉新,張?揚

(清華大學能源與動力工程系熱科學與動力工程教育部重點實驗室,北京 100084)

利用Hencken型平焰燃燒系統(tǒng)開展了高速煤粉射流燃燒實驗,并結合煤粉射流火焰形態(tài)圖譜對其火焰形態(tài)及主要影響因素進行分析.結果表明,射流速度提高促使煤粉火焰形態(tài)從群燃火焰向分散燃燒轉變,在高速下呈現(xiàn)出較短、較暗的煤粉火焰,其中煤粉質量濃度下降和流場卷吸摻混增強均有影響.高數(shù)受限射流會引發(fā)強烈壁面回流,并裹挾邊壁落粉形成回流火焰,加劇了湍流摻混.自由射流條件下,并無明顯回流火焰,但火焰長度仍隨射流速度提高而降低.

煤燃燒;高速射流;Hencken燃燒器;火焰形態(tài)

對燃煤發(fā)電而言,采用高效清潔的技術以實現(xiàn)節(jié)能減排是重要的發(fā)展方向,為此工業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了諸多先進的潔凈煤燃燒技術[1].其中,低氧稀釋(moderate or intense low-oxygen dilution,MILD)煤粉燃燒因具有超低的NO生成及均勻的熱流密度分布等優(yōu)勢特點[2]獲得了廣泛關注,被認為是一項極具發(fā)展?jié)摿Φ娜济喊l(fā)電技術.

MILD燃燒最初被認為需要高溫預熱空氣才能實現(xiàn),但后來的研究表明,當空氣射流的動量足夠大,爐膛內的卷吸率足夠高時,即使不對空氣進行高溫預熱,也能實現(xiàn)MILD氣體燃燒[3-4].MILD煤粉燃燒也被證實能通過將射流速度提高至100m/s以上實現(xiàn)[5-6],這一方法相比高溫預熱也更具有應用價值.在煤粉射流燃燒中,射流速度的提高顯著影響著火距離和火焰高度,但能否使得火焰形態(tài)及其結構發(fā)生質變,以致高溫火焰鋒面消失,從而實現(xiàn)非預熱條件下的MILD燃燒,仍需要深入探究.

一般認為,煤粉射流火焰可以像單顆粒煤粉燃燒那樣,分為加熱段、著火段和燃盡段.從射流出口到著火點之間屬于加熱段,從著火點到火焰高度之間屬于著火段,后期均屬于燃盡段.對于煤粉射流火焰的已有研究主要集中于加熱段和著火段.對CRIEPI煤粉射流火焰的DNS研究表明,在加熱段,射流剪切層中的(外層)顆粒首先迅速升溫并發(fā)生單顆粒分散著火,射流中心線附近的(內層)顆粒則升溫緩慢而保持較低溫度[7-8].而由單顆粒分散著火發(fā)展形成著火段的顆粒群整體著火,其間的顆粒團帶狀著火起到關鍵作用:顆粒團帶狀著火區(qū)的反應放熱高達全場放熱量的1/4,對煤粉群燃火焰的形成至關重要.在著火段,俞偉偉[9]通過“ICCD+濾鏡”觀測表征揮發(fā)分的CH*分布,發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分的富集區(qū)域與亮白色群燃火焰位置重合,說明揮發(fā)分的富集燃燒是群燃火焰出現(xiàn)的等價條件.Bai等[10]的直接數(shù)值模擬研究結果印證了這一結論.

根據(jù)著火段是揮發(fā)分均相燃燒主導還是單顆粒異相燃燒主導,可以將煤粉射流火焰劃分為群燃火焰和分散燃燒火焰.俞偉偉[9]對“群燃火焰”給出了觀測形態(tài)上的定義,即周圍氣相連續(xù)成片著火,同時內部單顆粒由于曝光時間的存在呈現(xiàn)明亮線狀火焰;并以此為基礎,將煤粉群燃火焰進一步細分為層流群燃火焰、湍流群燃火焰和湍流爆燃火焰三種類型.而分散燃燒火焰沒有明顯的氣相火焰,以熾熱的煤粉顆粒的異相反應為主,爐膛呈現(xiàn)暗紅色.

從本質上講,煤粉射流燃燒屬于復雜的氣固兩相反應流,包含了諸多基礎物理化學過程.如圖1所示,大量細煤粉由一次風氣流攜帶射入爐膛,受到湍流脈動的影響而發(fā)生彌散;在彌散的過程中,煤粉與高溫煙氣對流混合,同時接受火焰輻射而被迅速加熱;在不斷升溫的過程中,煤粉發(fā)生水分蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、揮發(fā)分均相燃燒、焦炭異相燃燒等反應過程.射流速度、給粉質量濃度、氧體積分數(shù)、給煤粒徑等工況條件以及煤種差異,均能通過影響以上物理化學過程來影響煤粉射流火焰的結構及形態(tài)[11].其中,與湍流強度密切相關的射流速度對加熱段和著火段的影響尤為顯著.厘清高速射流條件下煤粉射流火焰的結構、形態(tài)及其隨射流速度的變化規(guī)律,可以為優(yōu)化燃燒提供更豐富的理論支撐,對于探索MILD煤粉燃燒的實現(xiàn)條件也具有充分的意義.

圖1?煤粉射流燃燒示意

許開龍等[12]的研究表明,當提高射流速度,使層流變?yōu)橥牧鲿r,著火距離會顯著降低;但進一步提高射流速度,著火距離幾乎保持不變,這是湍流摻混增強與顆粒停留時間縮短相互抵消的結果.對于給煤量穩(wěn)定的煤粉射流燃燒而言,射流速度的變化必然導致給粉質量濃度的變化,因此給粉質量濃度的影響同樣值得關注.Du等[13]通過模擬研究發(fā)現(xiàn),給粉質量濃度的提高會導致析出的揮發(fā)分燃燒放熱和顆粒群吸熱同時增多,兩者存在競爭關系,從而使得著火距離先減小后增大.這一說法已被Liu等[14]和俞偉偉等[15]分別從層流和湍流兩方面的實驗所證實.

總體而言,對煤粉射流火焰的研究目前還集中于中低數(shù)范圍(射流速度不超過25m/s,<6500),高數(shù)的實驗研究還有待展開,此時的煤粉射流火焰結構與形態(tài)特點及射流速度的影響規(guī)律尚不明確.因此,本文利用Hencken型煤粉射流燃燒系統(tǒng)開展高速煤粉射流燃燒實驗,結合射流火焰形態(tài)圖譜對高速條件下的煤粉射流火焰形態(tài)進行分析,并探究射流速度的影響規(guī)律.

1?煤粉射流火焰的形態(tài)分類及典型結構

由于煤粉射流火焰是復雜的氣固兩相反應流,其形態(tài)由多種因素共同確定,因此單一因素的分別研究很難獲得火焰形態(tài)變化的整體規(guī)律.本文通過繪制煤粉射流火焰圖譜來解決這個問題.根據(jù)已有的研究,給煤(煤種和粒徑)確定后,對其火焰形態(tài)影響最大的當屬射流速度和給粉質量濃度,因此本文主要選取這兩個影響因素作為圖譜的坐標軸,并可以在其中疊加對其他因素的考察.

圖2是綜合了各種煤粉射流火焰形態(tài)的圖譜示意,并四分整個區(qū)域.左下方為層流分散燃燒區(qū)域,此中的射流速度和給粉質量濃度都很低,即使是揮發(fā)分很高的褐煤,也積累不了足量的揮發(fā)分而產生明亮成片的氣相火焰,最多僅有局部的單顆粒均相著火[14].左上方為層流群燃區(qū)域,射流速度低但給粉質量濃度高,爐膛中已經(jīng)能夠積累起足量的揮發(fā)分而產生懸針狀或直條狀群燃火焰.右上方為湍流群燃區(qū)域,群燃火焰抖動明顯,形態(tài)多樣,顯示出高射流速度所引發(fā)的旺盛湍流的復雜影響.對于高給粉質量濃度的高揮發(fā)分煤,俞偉偉[9]和Yamamoto等[16]分別通過實驗和模擬確認了其存在爆燃火焰,射流速度范圍為10~25m/s,此時雖然下游的爆燃火焰處于湍流,但上游的群燃火焰則接近層流,這是高濃度顆粒和揮發(fā)分氣相燃燒對湍流發(fā)生了抑制反饋.本文將此類火焰看作是一種特殊的湍流群燃火焰而歸并其中.降低給粉質量濃度,提高射流速度,煤粉火焰將進入圖中右下方的湍流分散燃燒區(qū)域,此時劇烈的湍流卷吸將揮發(fā)分吹掃稀釋,甚至將顆粒群也徹底打散,因此不再出現(xiàn)群燃火焰.

圖2?煤粉射流火焰圖譜示意

這種利用圖譜提出的四分法,能夠很好地涵蓋所有類型的煤粉射流火焰形態(tài),并為進一步細分搭建了框架.利用類似圖2的圖譜,還可以很方便地確定同一種給煤的射流火焰隨工況條件的變化規(guī)律,進而比較不同類型煤種火焰的差異,并確認出現(xiàn)相近火焰所需要的工況和給粉條件.因此本文將把實驗得到的煤粉火焰圖片整理為圖譜形式,然后結合圖2加以分析研究.

2?實驗系統(tǒng)及方法

本文的實驗研究基于自搭建的Hencken型煤粉射流燃燒系統(tǒng)[17-18],通過對該系統(tǒng)進行光學測量,獲得所需的煤粉射流火焰數(shù)據(jù).如圖3所示,Hencken型煤粉射流燃燒系統(tǒng)以Hencken型平焰燃燒器為核心,配以上游的送氣管路、給粉裝置和下游的保溫爐罩、排氣風機.

圖3?Hencken型煤粉射流燃燒系統(tǒng)示意

實驗所采用的Hencken型平焰燃燒器的結構如圖4所示.燃燒器中央固定著一根內徑為2.6mm、外徑為3mm的一次風管,其中的一次風攜帶煤粉射入爐膛進行燃燒,形成射流火焰.在一次風管的周圍,整齊地分布著五百多根內徑為0.78mm、外徑為1mm的毛細不銹鋼管.這些毛細管被固定在多重蜂窩陶瓷上,并間隔排列.蜂窩陶瓷的橫截面尺寸為55mm×55mm,上面均勻分布著邊長為1.1mm的方形孔.二次風的燃料氣和氧化氣分別從毛細鋼管和多孔陶瓷進入爐膛,形成五百多個小擴散火焰,匯合成近似平面的二次風火焰,從而為粉煤燃燒提供徑向分布相對均勻的高溫環(huán)境,見圖5.在燃燒器中,二次風的燃料和氧化劑被密封材料隔開,以防預混爆炸;同時還分別經(jīng)過兩級整流,以期出口流量分布盡量均勻.

圖4?Hencken型燃燒器結構示意

燃燒器的上方安裝有莫來石保溫爐罩,用以限制二次風平焰產生的高溫煙氣自由散逸,從而保障煤粉燃燒所需的熱量供給.該保溫罩高600mm,橫截面內部尺寸為70mm×70mm.為了兼顧光學測量,一方面在保溫罩的正面開設了55mm寬的觀察窗,另一方面又在其兩側留了10mm寬的光學通道,并都用石英玻璃封裝,以隔絕內外.在保溫罩的背面下部,還開有點火通道,實驗時可用保溫塞塞上.

圖5?Hencken燃燒器中的平面火焰

本實驗的一次風由N2和O2配成,二次風包括燃料氣CH4以及由空氣、O2和N2配成的氧化氣.采用刮板式給粉機可連續(xù)穩(wěn)定地實現(xiàn)微量給粉,并通過雙氣路平衡送粉方式有效降低高速射流下堵粉和反竄發(fā)生的概率,大大提高送粉一次風的速度上限至100m/s以上.

本實驗采用IDT NR3-S2型彩色高速CCD相機用來拍攝火焰形貌.拍攝時,將光圈調至最大,然后適當調整曝光時間,以便能較好地拍攝出火焰形貌的細節(jié),使之既不被強烈的火焰輻射所遮擋,又不致過暗而湮滅.需要說明的是,不同工況下煤粉射流火焰的輻射強度差別顯著,所以本實驗在本著盡量統(tǒng)一的原則上對曝光時間進行靈活調整.

對于給定粒徑的煤粉,影響其射流燃燒特性的主要影響因素有一次風速度、二次風溫度和環(huán)境氧體積分數(shù).一般情況下,由于二次風流量遠大于一次風流量,所以二次風氧體積分數(shù)接近于燃燒時的環(huán)境氧體積分數(shù).本實驗設置了兩種二次風工況,分別對應二次風溫度1200℃和1400℃,如表1所示.當改變二次風參數(shù)時,可以令甲烷熱輸入率不變,也可以令二次風總流量不變,這里采用前者.

表1?二次風工況設置

Tab.1?Experimental setup of secondary air

實驗中在25℃、0.1MPa的環(huán)境下進行,一次風均采用空氣配比(體積分數(shù)79%N2+21%O2),射流速度最高達到100m/s,具體設置如表2所示.

本文采用宿遷電廠用煤進行實驗,煤質分析結果如表3和表4所示,有75~120μm和45μm以下兩種粒徑范圍.具體工況參數(shù)如表5所示,分別基于相同給粉量及相同給粉質量濃度探究射流速度的影響.

表2?一次風工況設置

Tab.2?Experimental setup of primary air

表3?煤粉工業(yè)分析數(shù)據(jù)(空干基)

Tab.3?Proximate analysis of pulverized coal %

表4?煤粉元素分析數(shù)據(jù)(空干基)

Tab.4?Ultimate analysis of pulverized coal %

表5?煤粉射流燃燒實驗工況

Tab.5?Experimental setup of pulverized coal jet combustion

3?高速煤粉射流火焰形態(tài)分析

基于宿遷粗煤粉(75~120μm)在高速條件下的射流燃燒實驗,以射流速度為橫軸,給粉質量濃度為縱軸,將拍攝得到的射流火焰圖片整理成圖譜,見圖6和圖7.圖中左側的綠線是基于Feng等[19]提出的煤粉燃燒模式判據(jù)計算的高溫燃燒—MILD燃燒閾值線.

從圖7可以看到,當射流速度為15m/s時,1.0kg/m3的給粉質量濃度下出現(xiàn)了群燃火焰,而0.2kg/m3的給粉質量濃度下則處于群燃與分散燃燒的臨界點.提高射流速度到30m/s,火焰形態(tài)完全變?yōu)榉稚⑷紵?,呈現(xiàn)暗褐色擴散狀,亮度明顯減弱.進一步提高射流速度到50m/s,噴口附近引發(fā)明顯的回流卷吸,邊壁落粉被裹挾回爐膛中心區(qū)域,其間被高溫二次風引燃發(fā)生分散的均相著火而出現(xiàn)明亮軌跡.當射流速度提高到75m/s甚至是100m/s時,中心射流火焰接近消失,回流引發(fā)的單顆粒均相著火則愈加旺盛,同時位置更低.對比圖6或圖7中上方固定給粉質量濃度的一組圖像和下方固定給粉質量濃度的另一組圖像可以得出,射流速度提高帶來的煤粉質量濃度減小對火焰形態(tài)的影響是十分顯著的,然而固定給粉質量濃度的實驗結果也表明射流速度提高自身引起的湍流混合增強等因素也會造成射流火焰變短等形態(tài)變化.

圖6?1200℃下宿遷粗煤粉射流火焰圖譜

圖7?1400℃下宿遷粗煤粉射流火焰圖譜

與圖6相比,圖7中各種工況下火焰更亮,這是環(huán)境溫度較高所致.環(huán)境溫度的提高同時還會增加二次風煙氣黏度,導致高速射流下噴口附近的回流區(qū)更貼近于中心射流,因而有更多的煤粉被二次風火焰引燃.其效果比單單通過提高射流速度來增強湍流卷吸要明顯得多,對比圖8中不同環(huán)境溫度下噴口附近的火焰圖像可以證明.

由于圖6、圖7中瞬態(tài)圖像需要控制曝光時間在1ms量級,此時難以獲得本就偏暗的高速煤粉射流火焰的整體形貌.因此,增長曝光時間至33ms量級,另行拍攝其整體火焰形貌.保持其他工況條件不變,給粉量固定在2.19g/min,射流速度為10m/s時對應的給粉質量濃度為0.75kg/m3,其余射流速度下的給粉質量濃度可以類推,實驗拍攝得到宿遷煤射流火焰整體形貌如圖9所示.射流速度在20m/s以下確實存在群燃火焰,但在30m/s以上時爐膛上部的群燃火焰消失,變?yōu)橄虏康臄U散狀黃色火焰伴隨大量亂飛的明亮“火星”(著火的單顆粒煤粉).隨著射流速度的提高,擴散狀火焰越來越短,爐膛明亮區(qū)域也越來越矮,這在瞬態(tài)火焰圖像里是難以體現(xiàn)的.

圖8 噴口附近的宿遷煤射流火焰形態(tài)(曝光時間:10ms)

圖9 1200℃下宿遷粗煤粉射流火焰整體形貌(曝光時間:33ms)

當射流速度超過35m/s后,爐膛底部噴口附近就出現(xiàn)了明顯的回流卷吸.回流裹挾著邊壁落粉被二次風火焰點燃,形成明亮的單顆粒均相燃燒火焰,暫時稱之為回流火焰.隨著射流速度的進一步提高,回流火焰愈發(fā)旺盛,而中心射流火焰越來越短,越來越暗,直至被前者所掩蓋.這種高速射流下出現(xiàn)的回流與受限射流有關.對于橫截面為70mm×70mm的爐膛來說,其中的低速射流還可以算是自由射流,高速射流則勢必成為有限空間內的受限射流,從而引發(fā)有限空間底部的回流,且射流速度越大,回流區(qū)越靠近射流噴口,卷吸程度越大.因此上述高速射流下的煤粉火焰,其實都是受限射流下的結果.

為明確高速射流條件下壁面因素的影響,去掉構成有限空間的保溫爐罩,在相同的工況條件下用宿遷粗、細兩種煤粉(75~120μm、45μm以下)進行自由空間下的煤射流燃燒實驗,將觀測得到的火焰圖像分別匯總為圖10和11.首先可以看到,在自由射流下,回流火焰沒有出現(xiàn).其次,射流火焰的高度隨著射流速度的提高而顯著降低.提取圖11中不同射流速度下的火焰高度,如圖12所示,在15~50m/s的速度范圍內,射流火焰高度下降最快.這一現(xiàn)象與受限條件下的火焰形態(tài)變化是相似的,這表明受限空間內的壁面卷吸回流效應并不是導致高速射流中火焰高度減小的最主要原因.第三,高速自由射流下煤粉燃燒都呈現(xiàn)亮白色不透明火焰,推測應該是剪切層中大量煤顆粒發(fā)生均相著火所致;而高速受限射流下的煤粉火焰更接近透明狀,很可能是有限空間導致卷吸摻混更加強烈,加快了對揮發(fā)分的吹掃稀釋,從而抑制了顆粒群的均相著火.

圖10 宿遷粗煤粉自由射流火焰形態(tài)(曝光時間:33ms)

圖11 宿遷細煤粉自由射流火焰形態(tài)(曝光時間:0.2ms)

圖12?宿遷細煤粉自由射流火焰高度

4?結?論

利用Hencken型平焰燃燒器系統(tǒng)開展了高速煤粉射流燃燒實驗,并就煤粉射流火焰的形態(tài)特點及射流速度、煤粉質量濃度、受限空間等主要因素的影響進行了分析,主要成果及結論如下:

(1) 整合煤粉射流火焰圖片,以射流速度和給粉質量濃度為主要坐標,提出了煤粉射流火焰形態(tài)的四分法,即從群燃與分散燃燒、層流與湍流兩個維度上進行分類得到了煤粉射流火焰形態(tài)圖譜.

(2) 在高速煤粉射流條件下,隨著射流速度提高,火焰形態(tài)從群燃火焰向分散燃燒轉變,火焰高度減小、亮度減弱.其中煤粉質量濃度下降和流場卷吸摻混增強均有影響,但前者更為顯著.

(3) 對于受限空間內的煤粉射流燃燒,提高射流速度會促進壁面的卷吸回流效應,使回流區(qū)域增大并向射流噴口靠近,并裹挾邊壁落粉被二次風火焰引燃而形成回流火焰.回流火焰加劇了湍流摻混,消耗了環(huán)境O2.在自由射流條件下,雖未產生回流火焰,但煤粉火焰高度隨射流速度提高仍明顯減小,體現(xiàn)了高速射流自身的強剪切混合作用.

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Flame Pattern Characteristics of High-Speed Pulverized Coal Jet

Huang Wenshi,Zhang Qi,Wu Yuxin,Zhang Yang

(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Department of Energy and Power Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

The experiment on high-speed pulverized coal jet combustion was carried out by using Hencken flat flame combustion system. The flame pattern characteristics and main influencing factors were analyzed based on the experimental results. The results show that with the increase of jet velocity, the pulverized coal flame pattern changes from group combustion to dispersed combustion and becomes shorter and darker, which is due to the decrease of coal particle mass concentration and the enhancement of entrainment and mixing in the flow field. The jet with highwill cause strong backflow near the wall, entrain the falling coal particles to form a backflow flame, and increase the turbulent mixing. Under free jet, there is no obvious backflow flame, but the flame length decreases with the increase of jet velocity.

coal combustion;high-speed jet;Hencken burner;flame pattern

TQ534

A

1006-8740(2022)01-0042-07

2021-04-09.

國家自然科學基金資助項目(51761125011);清華大學-中國華能集團有限公司基礎能源聯(lián)合研究院資助項目(HNKJ20-H50).

黃文仕(1997—??),男,博士研究生,huangws18@mails.tsinghua.edu.cn.Email:m_bigm@tju.edu.cn

吳玉新,男,博士,副教授,wuyx09@mail.tsinghua.edu.cn.

(責任編輯:梁?霞)

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“青春期”湍流中的智慧引渡(二)
地鐵站臺活塞風附壁射流起始段的實測和實驗驗證
制冷學報(2014年3期)2014-03-01 03:07:17
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