基于高速数字全息的燃烧煤粉颗粒场可视化测量研究

摘要

煤的燃烧过程是复杂的物理化学过程，目前仍然有大量待揭示的问题，深入研究煤的燃烧过程是提高燃烧效率、减少污染物排放的理论基础。现今对燃烧过程可视化的研究多使用高速相机，受限于高速相机景深，不能对燃烧颗粒场进行系统的测量。本文以McKenna平面火焰燃烧器为平台，设计搭建高速数字同轴全息燃烧煤粉颗粒场测试系统。本套系统可追踪煤粉单颗粒与颗粒场的燃烧变化过程，高速相机记录煤粉燃烧过程，全息实现颗粒场三维多参数原位测量，弥补高速相机景深小的缺陷。本文主要研究了煤粉燃烧脱挥发分与破碎过程，对燃烧三维颗粒场进行时空统计分析。具体研究内容如下： 本文通过试验研究了数字全息技术用于流场测量的误差，钨丝冷态测量结果表明，粒度误差整体小于5%，定位误差整体小于6%。对比全息测量与马尔文激光粒度仪测量结果，得到冷态全息粒度测量误差在3.14%以内。在燃烧颗粒场，火焰辐射、等离子体、温度梯度等会对介质折射率产生干扰，影响全息条纹，带来热态全息测量的误差。本文通过钨丝、石英颗粒分析燃烧场全息测量的误差，结果发现，钨丝的粒度识别误差受燃烧场影响较大，z轴定位误差较小。石英颗粒粒径范围在130-150μm，对比不同高度冷热态测量结果，误差小于5.68%。表明全息应用于燃烧颗粒场测量结果具有可靠性。 对不同工况下煤粉燃烧过程的可视化研究：在搭建的试验平台上，改变煤粉初始粒度、氧含量、煤种等参数，记录并分析煤粉燃烧过程中的变化。通过直接拍照与全息记录结果的对比研究，观察并分析燃烧过程中的旋转、脱挥发分和破碎过程。山西烟煤燃烧脱挥发分过程中碳烟生成：颗粒周围析出不透明物质，随着气流运动逐渐拉长，直至脱离，脱离产物分离形成小颗粒，即为碳烟。颗粒粒度越大，碳烟生成越明显；随着氧量的增加，碳烟生成减少。而锡盟褐煤脱挥发分过程较少观察到碳烟生成，印尼褐煤脱挥发分无碳烟生成。对煤粉颗粒燃烧过程中的破碎现象研究表明：破碎形式可以分为外壳剥落与中心破碎两类，两类现象可以同时出现。锡盟褐煤表现出更多的破碎现象，并且粒度越小，破碎现象越多。而山西烟煤燃烧中破碎现象较少，这是由于烟煤挥发分含量低，且脱挥发分产物以喷射形式离开颗粒表面，内部积聚压力降低，所以不易破碎。 燃烧煤粉粒度变化的统计结果，可与燃烧过程中现象对应。比较不同初始粒度、煤种、氧量条件下燃烧煤粉场平均粒度的变化，随着山西煤初始颗粒粒度的减小，反应速率加快。锡盟煤在粒度统计上表现出燃烧后期颗粒粒度增大的特点，与锡盟煤碱金属与碱土金属（AAEM）元素含量高，灰熔点低，易熔融结渣有关。山西煤随氧量增加，反应大大加快，粒度呈现逐渐上升的变化趋势，与较高反应温度下，颗粒熔融粘结小颗粒有关。 本文基于高速数字全息技术展开对燃烧煤粉场不同初始粒度、煤种、氧量条件下燃烧过程的研究，针对煤粉脱挥发分过程、破碎过程实现可视化，为进一步研究煤粉燃烧机理奠定基础。

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