热氧喷嘴水煤浆扩散火焰辐射光谱特性研究

胡翀赫，郭庆华，宋旭东，龚 岩，于广锁

华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海 200237

热氧喷嘴水煤浆扩散火焰辐射光谱特性研究

胡翀赫，郭庆华，宋旭东，龚 岩，于广锁*

华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室，上海 200237

火焰的辐射光谱可为燃烧诊断提供诸多信息，因此目前对简单的气态火焰自由基辐射特性已进行了大量研究，而关于非均相火焰的辐射光谱特性研究则相对较少。采用改进的热氧喷嘴技术在敞开空间下直接点燃水煤浆，并利用光纤光谱仪和紫外成像系统，着重对甲烷和水煤浆火焰的辐射光谱及OH*的二维分布特性进行研究。结果表明：与甲烷火焰的光谱辐射相比，水煤浆火焰不仅存在OH*，CH*和C2*特征辐射，还产生了Na*，Li*，K*和H*的发射谱线，并出现了连续的黑体辐射，这些光谱辐射特征可作为水煤浆气化或燃烧的标志，也可作为水煤浆是否点燃的判据；通入水煤浆后，OH*强度明显下降，而CH*和C2*强度增大。对比甲烷火焰OH*二维分布，水煤浆火焰OH*峰值强度明显下降，化学反应区域面积显著减小；沿着火焰传播方向，甲烷和水煤浆火焰轴向的OH*强度均呈先增大后减小的趋势；甲烷火焰径向的OH*在反应核心区出现了双峰形态分布，而水煤浆火焰OH*径向始终呈单峰分布。随着氧碳当量比增大，水煤浆火焰OH*的存在范围扩大，说明氧气的增加促进了OH*的产生；随水煤浆流量提高，OH*的反应核心区域缩小，峰值强度明显下降，CH*，C2*，Na*，Li*，K*和H*的强度显著增强，连续的黑体辐射强度也明显增大，这些辐射光谱的变化可用于表征操作负荷的变化。

光谱辐射；热氧喷嘴；水煤浆；甲烷；扩散火焰

引 言

火焰的辐射光谱可为燃烧诊断提供许多信息，目前对天然气、焦炉气等均相火焰的自由基辐射特性已进行了大量研究[1-2]，但对非均相火焰如煤粉、水煤浆等的辐射光谱研究还很少。根据热氧喷嘴水煤浆火焰中自由基的光谱辐射特性，对水煤浆气流床气化炉内气化状态、火焰特征的诊断和监测具有十分积极的意义。

均相火焰(如甲烷、丙烷、焦炉气等)燃烧过程和实验开展较为简单，因此对均相火焰自由基辐射特性有较多研究。Higgins等[3-4]重点研究不同当量比例、压力和拉伸速率对OH*和CH*辐射的影响，并探究运用自由基在高压下表征当量比例和燃烧稳定性的可行性。Kojima等[5]探讨了甲烷预混火焰中主要反应区OH*、CH*和C2*二维分布形态及辐射强度的特性。Zhang等[6]研究了甲烷扩散火焰撞击反应区的OH*辐射特性并讨论了气速、当量比及浮力的影响。

关于非均相火焰(如粉煤、水煤浆等)的光谱辐射特性研究则相对较少。刘宇等介绍了超高分辨差分吸收光谱测量火焰中OH自由基的实验方法，用此方法对酒精灯、酒精喷灯火焰中的OH自由基进行监测，并反演了它们的浓度。Cheoreon Moon等[7]运用CH*，C2*辐射强度和C2*/CH*比值随火焰传播方向的分布判断挥发分反应的反应区域。Sung等[8]运用CH*判断放热区以研究了煤的特性，如挥发分含量、颗粒大小和水含量等，对湍流射流粉煤火焰的影响。陈晓斌等利用光谱仪测量火焰中K原子发射谱线的相对强度比来获得火焰温度，并用该方法测量煤粉和木材的火焰温度。

热氧喷嘴技术是20世纪90年代由Anderson[9]提出的，在不使用其他加热设备情况下，氧气可被加热至1 600 ℃，形成高温热氧。Riley[10]随后发明了热氧喷煤技术并运用到高炉设备，高温高速热氧使煤粉和氧气充分混合，煤粉可直接被点燃，实现了快速燃烧，并提高了高炉的性能和碳转化率。Guo等[11]将热氧技术应用到OMB气流床气化炉中，实现了对水煤浆的直接点燃，从而节省了预热时间并降低了运行成本。

本文采用改进的热氧喷嘴技术直接点燃水煤浆，实验在敞开空间下进行，便于利用光纤光谱仪和紫外成像系统检测水煤浆火焰的辐射光谱特征及OH*的二维分布，并与甲烷火焰的光谱辐射对比分析。另外，探讨了不同当量比例、不同水煤浆流量对甲烷及水煤浆火焰中自由基的产生区域、辐射强度、化学反应核心区等特性的影响。

1 实验部分

1.1 检测装置

图1为水煤浆热氧喷嘴扩散火焰光谱检测实验装置，实验在敞开空间内进行，主要由形成水煤浆火焰和检测其光谱辐射两部分组成。热氧喷嘴是形成水煤浆扩散火焰的核心装置，包括两路氧气通道、甲烷通道、水煤浆通道和冷却水通道，甲烷燃烧产生的热量会加热过量氧气形成高温热氧，水煤浆足以被直接点燃；甲烷和氧气分别由甲烷钢瓶和氧气钢瓶提供，水煤浆经螺杆泵输送至热氧喷嘴的煤浆通道。光谱辐射检测系统包含光纤光谱仪(型号LIBS2500)和紫外相机(型号e2v CCD30-11)，可检测甲烷及水煤浆扩散火焰中自由基的存在方式、峰值强度及OH*的二维分布等。

图1 水煤浆火焰光谱检测实验装置

图2 热氧喷嘴头部结构示意图

试验所采用的热氧喷嘴是对实验室同轴两通道喷嘴加以改造，其头部结构示意图如图2所示。首先，在氧气(内氧)通道内同轴增设一路甲烷通道并向内缩进一段距离，形成热氧腔室。在热氧腔室中，甲烷燃烧产生的热量加热过量氧气，形成高速高温的热氧，足以直接点燃水煤浆。另外，在水煤浆通道和冷却水通道间同轴增设一路氧气(外氧)通道，外氧的加入可以更好地雾化水煤浆，使燃料与氧气充分混合，促进化学反应的进行。

光纤光谱仪由光纤探头和分叉光纤组成，火焰光谱辐射信息由光纤探头收集，经分叉光纤传输至光纤光谱仪分析。其中，光纤探头放置在距离火焰间距约为10 cm处，探头的张角为25°，收光面直径为3 mm，则光纤光谱仪的检测区域在热氧喷嘴出口附近直径约为4.4 cm的圆形区域，经过校正分析后可得到火焰局部的辐射发光特性。

紫外成像系统包括镜头、滤光片及紫外相机(型号e2v CCD30-11)，火焰辐射光首先进入镜头，经滤光片过滤最后进入紫外相机成像。其中，火焰OH*的特征峰存在于波长为310 nm附近，因此选择仅允许透过(310±5) nm附近光的滤光片。成像系统的分辨率为1 024×253，像素点尺寸为0.341 mm×0.341 mm，实验时曝光时间设为3 000 ms，焦距为50 mm，光圈为F/3.5。

1.2 试验条件

试验探究不同煤浆流量和不同氧碳当量比条件下，甲烷及水煤浆火焰的光谱辐射特性，具体工况如表1所示，试验用煤为内蒙神华烟煤。[O/C]e为水煤浆和氧气的氧碳当量比，也可记作φ，计算方法如下

(1)

其中，[O/C]a是由实际水煤浆流量和氧气总流量计算得到的氧碳比，[O/C]s是水煤浆中可燃物恰好完全燃烧时的化学计量氧碳比。

de为热氧喷嘴动量当量直径，计算公式[12]如下

(2)

2 结果与讨论

2.1 甲烷及水煤浆火焰光谱辐射特性

图3为工况1时甲烷火焰的光谱辐射，如图3所示，甲烷火焰在309.12 nm处出现了OH*特征辐射，在431.42 nm处存在CH*特征辐射，在463.52～563.43 nm范围可以看到C2*辐射带[13]。图4为工况3和6下水煤浆火焰辐射光谱，由图4可知，相比甲烷火焰，由于水煤浆的加入，辐射光谱出现较大差别。除了在309.12，431.42 nm处和463.52～563.43 nm范围分别出现了OH*，CH*和C2*特征辐射，又产生了几种明显的特征谱线，经分析在589.45 nm处为Na*的发射谱线，在670.88 nm处为Li*的发射谱线，766.91和

表1 水煤浆扩散火焰光谱检测实验工况

770.06 nm处为K*的发射谱线，816.04和819.99 nm处为H*的发射谱线，此外还出现了连续的黑体辐射。因此水煤浆中含有的微量元素所产生的特征辐射及连续的黑体辐射可以作为水煤浆气化或燃烧的标志，也可作为水煤浆是否点燃的判据。

图3 甲烷火焰光谱辐射

图4水煤浆火焰光谱辐射

对比甲烷和水煤浆火焰的辐射光谱还可以发现，OH*特征峰强度发生明显下降，而CH*和C2*强度增大。已知OH*，CH*及C2*的主要反应路径[14]为

CH2+H→CH+H2

(R1)

CH+O2→CO+OH*

(R2)

C2H+O→CO+CH*

(R3)

C2H+O2→CO2+CH

(R4)

(R5)

反应R2为OH*形成的最主要路径，由R2可知CH和O2对OH*的产生具有重要影响，而反应R1为生成CH的主要方式，由R1可看出CH的形成主要来自于H对CH2的还原作用，且其中游离态H的形成需要吸收大量热量[15]。通入水煤浆后，水分蒸发、挥发分析出等过程会吸收大量热量，煤颗粒也会吸收一定热量使其达到着火点，因此热量的减少影响了游离态H的生成，进而抑制CH的产生，也减少了OH*的形成，所以OH*强度明显降低。通过反应R3，R4和R5发现，水煤浆加入后C及含碳自由基如CH2和C2H增多，从而促进了CH*和C2*的产生，因此CH*和C2*强度增大。

对比不同水煤浆流量的水煤浆火焰辐射光谱可以发现，如图4所示，随煤浆流量增大，光谱辐射特性出现明显变化。首先，OH*强度随流量增大而减小，这是由于煤浆量增大，更多的热量被吸收，CH的生成减少，进而更加抑制了OH*的产生；参与反应的煤量增多，因此连续的黑体辐射明显增强，C及含碳自由基如CH2和C2H的产生增多，则CH*和C2*强度增大；此外随煤量增加，Na*，Li*，K*和H*的强度显著增强。这些光谱特性可用于表征操作负荷的变化。

2.2 甲烷及水煤浆火焰OH*辐射特性

OH自由基是燃烧火焰中一种十分重要的中间产物，通常被用来界定燃烧反应区，其分布在一定程度上能够反映火焰的局部反应状况[16]，还可以用于表征火焰结构形态、举升高度、热释放速率及当量比等[17-18]。OH*在反应过程中大量存在，又不受黑体辐射的干扰，故易于检测且强度比较精确，因此火焰光谱诊断技术中通常将OH*作为标志。所以本文也着重对甲烷及水煤浆火焰中OH*的二维分布进行了研究。

2.2.1 甲烷及水煤浆火焰OH*二维分布

图5为工况1、2时甲烷和水煤浆火焰OH*二维分布。如图5(a)所示，甲烷燃烧时OH*反应核心区面积较大，反应区长度达60 mm(8.76de)，宽度达16 mm(2.34de)，峰值强度为10.80 mW·Sr-1·m-2；如图5(b)所示，加入煤浆后热量被大量吸收，对OH*的反应产生抑制作用，因此OH*峰值强度明显变小，为5.62 mW·Sr-1·m-2，化学反应区面积也明显减小，长度减小为42 mm(6.13de)，宽度减小为13 mm(1.89de)。图6为工况1和2时甲烷和水煤浆火焰OH*轴向分布，由图6可知，沿着火焰传播方向，甲烷和水煤浆火焰OH*强度均呈先增大后减小的趋势；水煤浆火焰轴向的OH*强度明显整体低于甲烷火焰；甲烷火焰中OH*峰值出现位置是在距喷嘴出口40.5 mm(5.92de)处，表明此处反应最为剧烈，而水煤浆火焰OH*峰值出现在距离喷嘴29.0 mm(4.23de)处，说明加入煤浆后化学反应核心区位置有所前移，高速热氧与煤浆是在更靠近喷嘴出口处发生反应。

图5 工况1和2时火焰OH*二维分布

图6 工况1和2时火焰OH*轴向分布

图7为工况1、2时甲烷和水煤浆火焰OH*径向分布。由图7(a)和7(b)可知，在火焰不同的轴向位置，其OH*径向分布也有所不同。甲烷火焰距喷嘴出口轴向距离L=0处，径向OH*呈单峰分布，而当L=0.5de和L=1.0de，OH*强度明显增大，径向呈现双峰分布，这是由于甲烷和氧气在火焰锋面即两者接触面上发生更强烈的反应，故形成了双峰形态；随着L继续变大，其分布形态变为单峰，且在L=5.0de处峰值强度最高，随后逐渐下降，直到L=11.0de处OH*几乎不存在。与甲烷火焰不同的是，水煤浆弥散剧烈与氧气充分混合，此时火焰不存在明显的锋面，因此水煤浆火焰OH*径向始终呈单峰分布；当L=3.0de时达到最高不过仍低于甲烷火焰，随后逐渐下降。

图7 工况1和2时火焰OH*径向分布

2.2.2 当量比例及煤浆流量对水煤浆火焰OH*辐射的影响

图8为水煤浆流量为16和26 kg·h-1，当量比例φ分别为0.9，1.0和1.1时，水煤浆火焰的OH*轴向分布图。可以发现在不同煤浆流量下，随着当量比例的增加，沿火焰传播方向OH*强度整体均有所增加，说明OH*存在的范围逐渐扩大，代表化学反应区域逐渐增大；这是因为氧气的增加促进了化学反应R2的进行，有利于水煤浆火焰中OH*的产生。

图9和图10为工况2和5时水煤浆火焰OH*二维分布和轴向分布。经分析发现，如图9所示，随水煤浆流量增大，OH*的二维分布核心区域面积略有缩小，峰值强度明显下降，因为加入煤浆量增多，吸收了更多的热量，更加抑制了CH的生成，进而减少了OH*的产生。如图10所示，轴向分布特征变化较大，OH*强度沿着火焰传播方向迅速增大，增大速率提高，峰值强度下降，且峰值出现位置由距喷嘴出口29.0 mm(4.23de)处前移到22.5 mm(3.25de)处，这表明OH*反应核心区及峰值位置均向喷嘴出口偏移，也说明了高速热氧与煤浆的剧烈反应发生在更靠近喷嘴出口处。

图8 不同当量比例下水煤浆火焰OH*轴向分布

3 结 论

(1) 与甲烷火焰的光谱辐射发光相比，水煤浆火焰不仅在309.12，431.42 nm处和463.52～563.43 nm范围分别出现了OH*，CH*和C2*特征辐射，还产生了几种明显的特征谱线，即Na*(589.45 nm)，Li*(670.88 nm)，K*(766.91, 770.06 nm)和H*(816.04, 819.99 nm)的发射谱线，并且出现了连续的黑体辐射，这些光谱辐射特征可以作为水煤浆气化或燃烧的标志，也可作为水煤浆是否点燃的判据。

(2) 对比甲烷火焰OH*二维分布，水煤浆火焰中OH*峰值强度明显下降，化学反应区域面积显著减小，反应核心区位置更靠近喷嘴出口；沿着火焰传播方向，甲烷和水煤浆火焰轴向的OH*强度均呈先增大后减小的趋势；甲烷火焰径向的OH*在反应核心区出现双峰形态分布，而水煤浆火焰OH*径向始终呈单峰分布。

图9 工况2和5时水煤浆火焰OH*二维分布

图10 工况2和5时水煤浆火焰OH*轴向分布

(3) 随着当量比例的增加，水煤浆火焰OH*存在的范围逐渐扩大，化学反应区域逐渐增大，说明氧气量增加会促进OH*的产生；随水煤浆流量增大，OH*的反应核心区域面积略有缩小，峰值强度明显下降，且反应核心区位置更靠近喷嘴出口；CH*和C2*强度增大，Na*，Li*，K*和H*的强度显著增强，连续的黑体辐射强度整体明显增大，这些辐射光谱的变化可用于表征操作负荷的变化。

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*Corresponding author

(Received Jun. 18, 2015; accepted Nov. 25, 2015)

Experimental Study on the Characteristics of Chemiluminescence in Coal Water Slurry Diffusion Flames Based on Hot Oxygen Burner Technology

HU Chong-he, GUO Qing-hua, SONG Xu-dong, GONG Yan, YU Guang-suo*

East China University of Science and Technology, Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education, Shanghai 200237, China

Most published works focused on the characteristics of chemiluminescence in homogeneous flames, but the research about radiation spectrum in heterogeneous flames was still limited. In this paper, improved hot oxygen burner (HOB) technology is applied to ignite coal water slurry (CWS) directly in the open space, for stable combustion. Radiation spectrum and two-dimensional OH*chemiluminescence in methane and CWS diffusion flames are measured by a fiber optic spectrometer and a high-spatial-resolution UV imaging system. The results show that OH*(309.12 nm), CH*(431.42 nm) and C2*(463.52～563.43 nm) radicals exist in both methane and CWS diffusion flame, but Na*(589.45 nm), Li*(670.88 nm), K*(766.91, 770.06 nm), H*(816.04, 819.99 nm) radiation spectrum line and continuous black-body radiation have been detected only in the CWS flame. These differences can be used to characterize the combustion or gasification of CWS and distinguish whether CWS is ignited or not. In addition, the injection of CWS into methane flame leads to a significant reduction in OH*and an increase in C2*and CH*radiation intensity. This is because a lot of heat is absorbed in the processes of CWS combustion reactions. Then the generation of CH is inhibited, and the production of OH*is reduced. The increase of C2*and CH*is due to simple substance carbon produce more after injecting CWS. Besides, axial OH*radiation intensity increases at first then decreases, and the position of peak intensity is closer to outlet of hot oxygen burner compared with methane flames. Radial OH*radiation distribution is bimodal in methane flame because reactions take place in the thin layer where methane and oxygen meet. However, in CWS flame, radial OH*radiation distribution is always unimodal since CWS diffuses fiercely and mixes with oxygen sufficiently. As the ratio of oxygen atom to carbon atom ([O/C]e) increases, the reaction region of OH*radicals becomes larger in methane and CWS flame. This indicates that increasing oxygen can promote reactions and benefit OH*radicals’ generation. Moreover, with the increase of CWS flow, reaction center is closer to burner outlet, OH*distribution range and peak intensity decrease obviously, CH*, C2*, Na*, Li*, K*, H*and black-body radiation intensities markedly rise. And these characteristics can reflect the changes of operation loads.

Spectral radiation; Hot oxygen burner; Coal water slurry; Methane; Diffusion flame

2015-06-18，

2015-11-25

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA053103)，国家自然科学基金项目(51406056)，中国博士后科学基金项目(2014M561425)，中央高校基本科研业务费专项资金项目(222201414030)资助

胡翀赫，1990年生，华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室博士研究生 e-mail: 75167936@qq.com *通讯联系人 e-mail: gsyu@ecust.edu.cn

O433.5

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3127-07