基于光学诊断型携带流反应器的煤粉着火及燃烧特性研究

摘要

研究不同气流条件和煤粉条件下的煤粉着火及燃烧特性，对于阐明煤粉着火机理及指导燃烧器设计、电站运行等工业实践都具有重要的意义。由于各研究者使用试验系统的差异，对不同条件下煤粉着火及燃烧机理仍然没有得到普遍一致的结论。缺乏先进光学诊断技术的运用制约着煤粉着火及燃烧研究领域发展。
　　在文献调研基础上，针对目前在煤粉着火及燃烧领域研究上存在的问题和承担课题的需求，自主设计搭建了光学诊断型携带流煤粉反应器系统，可实现最大程度上模拟煤粉锅炉内燃烧环境，可运用各种光学诊断手段对煤粉着火及燃烧特性进行深入研究，并且可通过收集焦炭从焦炭侧辅助研究。构建了基于ICCD相机、单反相机等设备的煤粉火焰自发辐射测量系统，开发了一套图像处理方法，实现了对煤粉射流火焰着火延迟时间及主燃烧段长度的定量计算分析。
　　通过实际测量和数值模拟两种方式说明试验系统设计的合理性，并通过调试改进使试验系统达到预定的性能指标。通过模拟要开展的两种类型试验煤粉燃烧所处的环境，说明试验方案的合理性。
　　在光学诊断型携带流煤粉反应器系统上开展高温流动条件下煤粉着火及燃烧特性的研究，通过煤粉射流火焰总光强（全波段范围内黑体辐射）分布曲线和OH基自发辐射分布曲线获得总着火点和总燃烧段长度及挥发分着火点和挥发分燃烧长度，考察对煤粉燃烧影响最重要的几个参数——环境温度、环境氧浓度、煤种及粒径对煤粉着火延迟时间及主燃烧长度的影响。并提出通过煤粉总着火延迟时间和挥发分着火延迟时间的对比，间接判断煤粉着火模式的方法。
　　研究结果表明：随着环境氧浓度的提高不同条件下煤粉总着火延迟时间几乎都线性下降，总主燃烧段长度都变短；中粒径烟煤在10％氧浓度下为联合着火，在20%和30%氧浓度下为异相着火；中粒径褐煤在10%和20%氧浓度下为联合着火，在30%氧浓度下为异相着火；大粒径烟煤在10%和20%氧浓度下为均相着火，在30%氧浓度下为联合着火。在1600K-1800K范围内，温度改变影响比较小，温度的提高能使煤粉着火延迟时间略微变短。中粒径神华烟煤气流先发生单颗粒着火而后煤粉气流发生“群燃”，准东烟煤和神华烟煤着火及燃烧特性比较接近，而褐煤与之相比着火延迟时间更长，但主燃烧段更短。
　　为了使得研究结果更能指导工业实践，通过安排一次风空气携带煤粉和外侧二次风空气裹挟实现煤粉燃烧的局部气氛初期为空气，后向烟气气氛渐变，使得光学诊断型携带流煤粉反应器系统能最大程度上模拟煤粉锅炉炉内燃烧环境，开展近炉内燃烧条件下煤粉着火及燃特性的试验。研究结果表明：近炉内燃烧条件下，中粒径神华烟煤和准东烟煤的着火模式都为联合着火，它们的着火及燃烧特征和环境氧浓度为10%-20%气氛条件下相似，准东烟煤和神华烟煤着火及燃烧特性比较接近，而褐煤与之相比着火延迟时间更长，但主燃烧段更短。在1600K-1800K范围内，温度改变影响比较小，温度的提高能使煤粉着火延迟时间略微变短。
　　通过对收集到的焦炭做压汞分析、电镜扫描分析和工业分析等多种分析测试，发现煤粉经过长时间的燃烧反应和高温停留之后的煤焦已经软化、孔的崩塌以及灰的熔化等现象，煤焦的比表面积和孔容积很小，考察不同试验条件对生成焦炭的孔隙结构、微观形貌、挥发分析出率和焦炭燃尽率的影响，从焦炭侧分析得到的结论都很好印证了通过光学诊断手段研究煤粉射流火焰得到的结论。在近炉内气氛下生成煤焦容易团聚成大颗粒，更难随烟气吹走。这些颗粒是由非常细小的焦炭团聚而成的，特别是褐煤焦炭孔隙结构非常发达，颗粒细小，焦炭颗粒之间的吸附力强容易团聚成小团。