O2/CO2气氛下煤粉粒径分布对火焰传播的影响

武层层，顾明言，李 红，缪 琦，孙文斌，楚化强(安徽工业大学.能源与环境学院；.数理科学与工程学院，安徽马鞍山243000)

O2/CO2气氛下煤粉粒径分布对火焰传播的影响

武层层a，顾明言a，李 红a，缪 琦a，孙文斌b，楚化强a(安徽工业大学a.能源与环境学院；b.数理科学与工程学院，安徽马鞍山243000)

采用高速摄像仪记录O2/CO2气氛下煤粉颗粒群在石英长管内着火及火焰传播的过程，分析粒径为16，82 μm煤粉按一定比例混合，在不同氧浓度的O2/CO2气氛及空气中着火及火焰传播特性。结果表明：粒径分布对煤粉颗粒群着火和火焰传播有很大影响，小粒径煤粉着火快，火焰长度长；小粒径煤粉与大粒径煤粉混合燃烧可以缩短煤粉着火时间，提高火焰传播速度；氧浓度提高，火焰燃烧区间增加，小粒径煤粉比例越高，氧浓度对燃烧火焰传播速度的影响越明显。

O2/CO2气氛；煤粉；粒径；着火；火焰传播

O2/CO2气氛下煤的燃烧是一种既能获得高浓度CO2又能抑制污染物排放的燃烧技术，引起了研究者们的广泛关注[1-2]。煤粉在O2/CO2气氛下的燃烧特性与空气中的燃烧特性有很大差异，如着火延迟、燃烧火焰传播速率低等[3-4]，因此，对煤粉在O2/CO2气氛下的燃烧过程及其特性进行深入研究具有重要意义。

Yuan，Liu等[4-5]采用平面火焰燃烧器对单一粒径煤粉颗粒的着火特性进行研究，结果表明，O2/CO2气氛下煤粉着火大大延迟，提高氧浓度有利于缩短煤粉着火延迟时间。煤粉颗粒群的颗粒数量对着火过程也有一定影响，当煤粉颗粒数量在一定范围内，着火时间变化很小，而当煤粉颗粒数量超过一定值时，煤粉着火时间将快速增加[6]。研究也表明小粒径煤粉特别是超细煤粉(粒径＜20 μm)颗粒升温快，具有快速着火的特性，同时抑制NO的生成[7-9]。不同粒径煤粉燃烧生成的NO特性不同，Abbas等[10]通过系列试验比较了粒径分别为25，45，125 μm的煤粉燃烧NO生成特性，结果表明，粒径为25，125 μm的煤粉NO生成量偏小，而粒径为45 μm煤粉燃烧NO生成量最高。

煤粉燃烧过程复杂，目前关于煤粉颗粒燃烧间相互作用的研究较少。Taniguchi等[11]通过建立简化的火焰传播模型，分析相同粒径煤粉在不同间距下的火焰传播速度，表明煤粉粒径大小影响火焰传播；Cho等[12]采用数值模拟方法研究了一定气流中相同粒径煤粉在不同间距下的煤粉燃烧特性，表明颗粒相互影响程度不同。实际燃烧中煤粉颗粒群粒径范围较大，提高氧浓度不利于抑制NO的生成。笔者将16，82 μm煤粉按一定比例混合喷入石英管，采用高速摄像仪记录煤粉颗粒群着火及火焰形成特性，分析O2/CO2气氛下煤粉粒径组成及氧浓度对着火及火焰传播的影响，以期改善O2/CO2气氛下煤粉着火及燃烧特性。

1 试 验

1.1 试验条件

试验采用神华煤，经过研磨筛分，获得两组不同粒径煤样，粒径分布区间为0～20 μm和70～100 μm，平均粒径分别为16，82 μm(分别用Φ16，Φ82表示)，采用型号为欧美克LS-C(IIA)的激光粒度分析仪测量。将两组粒径煤粉分别按5种质量比(0∶1，3∶7，5∶5，7∶3，1∶0)混合得到试验煤样。煤样在105℃烘箱内干燥24 h后使用。煤样的工业分析见表1。试验气氛为空气和O2/CO2气氛，其中O2/CO2气氛中氧体积分数分别为30%，35%，40%。试验参数见表2。

1.2 试验方法

试验装置示意图如图1。采用打气喷枪将煤粉喷入石英管，试验前取下铜喷嘴，将打气喷枪的枪栓拉开，扣在扳机上，空喷3次清理喷枪；另将石英管内清理干净，确保管内没有残留燃烧物。烘干后的煤粉放入铜喷嘴，并与喷枪连接，推上打气喷枪扳机，煤粉喷出，喷煤量为0.4 g。使用FZ-001高压电弧发生器作为点火源，点火功率为40 W，点火电极间距为1.4 cm。石英管内径70 mm，总长1 400 mm，进气口一端封闭，一端敞口。O2和CO2由单独的气瓶提供，使用质量流量计测定流量，在混气箱内充分混合后通入石英管。石英管内充满气体并在出口测定氧浓度达到设定值后，启动点火装置，喷入煤粉，用高速摄像仪记录燃烧过程。高速摄像仪型号为Phantom V311，帧数设置为1 000帧/s，曝光时间为999.32 μs。

表1 煤样的工业分析值Tab.1 Proximate analysis of coal

表2 试验参数Tab.2 Experiment parameters

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test equipment

2 结果分析

2.1 火焰的形成及其传播过程

图2为φ(O2)=35%的O2/CO2气氛下，不同组合粒径煤粉着火及火焰传播过程。从图2可以看出，煤粉粒径的组成对煤粉着火及火焰传播特性有很大的影响。总体来看，煤粉燃烧过程经历了着火、快速燃烧和逐渐熄灭阶段。当煤粉经过电弧点火加热后，颗粒温度升高，煤粉着火形成亮度高的火焰团；随着火焰长度快速增加，煤粉继续保持在一定空间内燃烧；而后煤粉燃烧区间缩小，燃烧亮度降低，火焰快速缩小。比较图2(a)，(e)可以看出，Φ82煤粉火焰与Φ16煤粉有很大的不同，首先是着火过程不同：在经过电弧点火后，Φ82煤粉经历了较长时间(大约75 ms)才形成一个有一定强度的火焰；而Φ16煤粉在点火后5 ms左右就形成了一个火焰团，着火时间大大提前。其次是火焰结构不同：Φ82煤粉在整个燃烧期间，燃烧火焰传播距离小，火焰很短；Φ16煤粉火焰在较短时间内形成并快速传播到一定的距离，并在此距离内保持一段时间的燃烧。从图2(b)可以看出，Φ16煤粉加入，煤粉着火提前，在25 ms左右出现火焰团，同时，火焰传播距离加大，燃烧空间加大。从图2(c)，(d)可以看出，随着Φ16煤粉混合量的增加，煤粉着火时间逐渐缩短，燃烧空间不断增加。由此可见，在大粒径煤粉中混合小粒径煤粉，可以大大改善煤粉的着火特性，促进煤粉燃烧火焰的传播。

图2 着火及火焰传播(φ (O2)=35%)Fig.2 Coal ignition and flame propagation(φ (O2)=35%)

2.2 粒径组成对火焰长度的影响

采用MATLAB对高速摄影仪获得的图像进行灰度处理，提取各时间点的火焰轮廓线，将具连续火焰轮廓线的最远点与点火位置距离定义为火焰长度，见图3。

图3火焰轮廓与火焰长度的提取Fig.3 Extraction of contour and length of flame

图4 为不同粒径组成煤粉在不同O2/CO2气氛下火焰长度随时间的变化曲线。从图4可以看出：煤粉经过电弧点火后一段时间内，火焰长度随时间的延长而增加；小粒径煤粉比例提高，火焰长度变化快，燃烧区域大、火焰长。比较图4中不同粒径煤粉的火焰长度可以看出，Φ82煤粉火焰长度较短，主要是由于煤粉粒径大，颗粒比表面积小，在点火阶段吸收热量相对较少，颗粒温升慢，析出的挥发分总量小，燃烧火焰区域也小。对于Φ16煤粉燃烧的工况，煤粉经过点火后，在很短时间内形成火焰，火焰长度迅速增加，一方面是由于小粒径煤粉升温快，挥发分析出多，煤粉燃烧释放出更多的热量，高温燃烧区增加；另一方面高温气体进一步膨胀，从而燃烧面快速扩大。Φ82煤粉与Φ16煤粉混合燃烧后，小粒径煤粉快速燃烧提高了煤粉周围气氛的温度，有利于大粒径煤粉的燃烧，整体燃烧区域相应扩大，燃烧长度增加。从图4也可以看出，氧浓度对煤粉着火和火焰长度有很大影响，氧浓度提高，利于煤粉着火和火焰传播。

图4 火焰长度随时间的变化Fig.4 Flame length at different time

图5最大火焰长度Fig.5 Maximum length of flame

图5 为各种工况下火焰的最大长度。从图5可以看出：Φ16煤粉的火焰长度远大于Φ82煤粉燃烧火焰长度，在空气中燃烧时，两者相差近4倍；O2/CO2气氛下，当氧体积分数为40%时，两者相差近3倍；对不同气氛，随着Φ16煤粉混合比例增加，煤粉火焰传播长度最大值增加；氧浓度增加，火焰长度也增加。从影响煤粉燃烧NO生成角度来看，氧浓度的提高，将有利于NO的生成。故通过改变煤粉粒径组成，既可提高着火性能和火焰的传播速度，也利于抑制NO的生成。

3 结 论

采用高速摄像仪记录高温石英玻璃长管内煤粉着火燃烧及火焰传播过程，分析O2/CO2气氛下煤粉粒径和氧浓度对火焰传播过程的影响。结果表明：

1)粒径对煤粉着火和火焰燃烧区间有很大的影响，小粒径煤粉的着火时间远小于大粒径煤粉，而火焰燃烧区间远大于大粒径煤粉；

2)小粒径与大粒径煤粉混合利于改善煤粉的着火条件，缩短着火时间，可增大火焰燃烧区间；小粒径煤粉比例提高，煤粉着火时间明显缩短，火焰燃烧区间快速增加；

3)提高O2/CO2气氛中的氧浓度，利于改善煤粉的着火特性，也利于煤粉火焰的传播。氧浓度提高，火焰长度增加，小粒径煤粉比例提高，提高氧浓度对火焰长度的影响更明显。

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责任编辑：何莉

Effect of Pulverized Coal Particle Size Distribution on Flame Propagation in O2/CO2Atmosphere

WU Cengcenga，GU Mingyana，LI Honga，MIU Qia，SUN Wenbinb，CHU Huaqianga
(a.School of Energy and Environment；b.School of Mathematics&Physics Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)

The process of ignition and flame propagation of pulverized coal particles under O2/CO2atmosphere in a long quartz tube was recorded by a high-speed video camera.The coal ignition and flame propagation characteristics of the coal particles with differentratios of the diameterof16μmand82μmat different concentration of O2/CO2atmosphere and air were analyzed.The results show that the pulverized coal size distribution plays a significant effect on the coal particles ignition and flame propagation;the coal particles with small size display a shorter ignition process and longer flame propagation distance;mixing the small size coal particles to the large size coal particles can shorten the ignition time,and increase the flame propagation speed;increasing the oxygen content can improve the flame combustion range and the more the small size coal particle ratio is,the more obvious the influence of oxygen concentration on combustion flame propagation speed is.

O2/CO2atmosphere;coal;particle size;ignition;flame-propagation

TK 411.2

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.03.001

2016-04-11

国家自然科学基金项目(51376008,51306001)；国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ220119)；安徽省自然科学基金项目(1408085QE100)

武层层(1989-)，男，安徽宿州人，硕士生，主要研究方向为高效低污染煤粉燃烧。

1671-7872(2016)03-0205-05

顾明言(1965-)，女，江苏宜兴人，博士，教授，主要研究方向为高效低污染燃烧机理与应用。