朱文堃，齊洪亮，楊玉奇，彭江波，孫?銳，丁賽杰，張?蕾，田?巖

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基于OH-PLIF測(cè)量技術(shù)的煤粉射流火焰著火燃燒特性

朱文堃1，齊洪亮1，楊玉奇1，彭江波2，孫?銳1，丁賽杰1，張?蕾1，田?巖3

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所；哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；3. 北京國(guó)電龍高科環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100035)

在光學(xué)診斷型煤粉燃燒器系統(tǒng)上研究煤粉著火燃燒特性，利用ICMOS相機(jī)捕捉射流火焰總光強(qiáng)信號(hào)、自發(fā)輻射信號(hào)以及PLIF熒光信號(hào)，根據(jù)獲得信號(hào)的品質(zhì)，判斷各種測(cè)試手段的優(yōu)缺點(diǎn)．計(jì)算射流火焰總光強(qiáng)和PLIF熒光信號(hào)的著火延遲時(shí)間，分析PLIF測(cè)量手段的可靠性，結(jié)合OH-PLIF技術(shù)的瞬態(tài)圖像，以及著火延遲時(shí)間的變化規(guī)律，分析射流火焰揮發(fā)分著火及燃燒特性．研究結(jié)果表明，顆粒群著火是揮發(fā)分先析出著火燃燒，然后加熱焦炭顆粒燃燒的過(guò)程．

煤粉；著火；射流火焰；PLIF；揮發(fā)分燃燒

煤粉著火及燃燒特性的研究由來(lái)已久，煤粉著火是整個(gè)燃燒過(guò)程的開(kāi)始，也直接影響到燃燒過(guò)程的清潔高效、燃燒環(huán)境的安全穩(wěn)定，因此著火過(guò)程的研究至關(guān)重要[1]．大量的研究表明，煤粉燃燒的穩(wěn)定性對(duì)于燃燒器的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，也直接影響到燃燒系統(tǒng)的著火穩(wěn)定性；煤粉爐穩(wěn)燃性能受到煤粉脫揮發(fā)分過(guò)程的直接影響，而且脫揮發(fā)分過(guò)程對(duì)于NO等污染物排放影響巨大[2]，煤粉著火特性的分析研究是煤粉燃燒領(lǐng)域的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容．煤粉著火是復(fù)雜的氣固兩相燃燒，著火機(jī)理異常復(fù)雜，研究者對(duì)煤粉顆粒經(jīng)歷均相著火還是異相著火極為關(guān)注[2]；不同的燃燒條件下著火模式各有不同，具體為何種著火模式取決于顆粒表面加熱速率和揮發(fā)分熱解釋放速率的相對(duì)大小[3]．任何方式的煤燃燒，著火是首要條件，即如何加熱煤粉顆粒，將煤粉顆粒點(diǎn)燃，并達(dá)到穩(wěn)定著火以及火焰?zhèn)鞑サ哪康模谥鹑紵^(guò)程中，煤粉顆粒間的相互作用、相互影響，對(duì)于燃燒器的燃燒穩(wěn)定、燃盡程度及污染物排放有著重要的影響[4]．

均相著火是煤粉著火的主要方式之一，均相著火的溫度與煤顆粒揮發(fā)分含量和粒徑相關(guān)[1,5]. Gururajan等[6]在研究中重新發(fā)展了均相著火模型，考慮到焦炭表面氧化反應(yīng)，同時(shí)也將原有模型中低溫情況下預(yù)測(cè)著火溫度偏低的情況進(jìn)行糾正．之后，研究者Howard等[7]發(fā)現(xiàn)在特定情況下煤粉顆粒的著火是焦炭顆粒表面先發(fā)生著火，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，提出了異相著火模型；考慮多因素對(duì)著火影響時(shí)，異相著火模型在解釋能力上更有優(yōu)勢(shì)；實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)粒徑在15μm以下時(shí)，顆粒群的著火多是異相著火．

伴隨技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)測(cè)量手段被引入燃燒測(cè)量中，例如采用雙色或三色高溫計(jì)測(cè)量煤粉顆粒燃燒溫度[8-9]，使用高速相機(jī)可以觀察到高速流動(dòng)中煤粉的著火形態(tài)以及判斷其著火機(jī)制[10-12]；煤粉燃燒機(jī)理的研究中，用CH*信號(hào)判斷揮發(fā)分著火和熄滅相比于碳黑或者熱焦的黑體輻射信號(hào)效果更好[13-14]；燃燒中CH*、OH*等自由基并不容易探測(cè)到，采用平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)激發(fā)自由基輻射熒光增加了有效信號(hào)的強(qiáng)度，對(duì)于火焰中異?；钴S的OH*和CH*等痕量組分，具有非常好的探測(cè)效果，而且對(duì)燃燒場(chǎng)影響非常?。?/p>

Seung等[15]搭建一個(gè)可利用光學(xué)測(cè)量手段的煤粉燃燒器，其中雙色高溫計(jì)測(cè)量煤粉燃燒過(guò)程中的火焰溫度，SDPA系統(tǒng)測(cè)量煤粉顆粒速度，用濾光片測(cè)得自發(fā)輻射信號(hào)CH*的分布，由OH-PLIF和Mie散射技術(shù)得到煤粉顆粒與燃燒反應(yīng)區(qū)域的空間關(guān)系；研究結(jié)果表明煤粉流上部區(qū)域在邊緣發(fā)生燃燒反應(yīng)，伴隨反應(yīng)不斷的進(jìn)行，煤粉流下部區(qū)域在內(nèi)部發(fā)生燃燒反應(yīng)，煤粉流精細(xì)的火焰特征為數(shù)值模擬的發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．Hayashi等[16]進(jìn)一步研究中，增加激光誘導(dǎo)白熾燈(LII)測(cè)量系統(tǒng)，探測(cè)煤粉熱解燃燒中碳黑的釋放情況，OH-PLIF技術(shù)測(cè)量燃燒反應(yīng)區(qū)的情況，分析研究碳黑和OH*的空間分布情況，得知OH*與碳黑釋放的疊加區(qū)域在不斷向下部區(qū)域擴(kuò)展，而且碳黑大量存在于高溫、低氧的煤顆粒周?chē)?/p>

Balusamy等[17]在用甲烷燃燒為熱源的煤粉燃燒器上開(kāi)展研究，采用OH-PLIF技術(shù)、Mie散射及LDV(2D)技術(shù)，對(duì)燃燒反應(yīng)區(qū)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)；研究結(jié)果表明，在一定程度內(nèi)增加給粉速率加速燃燒反應(yīng)，縮短射流火焰長(zhǎng)度，碳黑在煤粉射流火焰燃燒較弱的離散區(qū)域形成．K?ser等[18]在預(yù)混平焰燃燒器上開(kāi)展煤粉熱解燃燒的研究，利用10kHz的OH-PLIF技術(shù)捕捉單顆粒煙煤(90～125μm)燃燒的OH*瞬態(tài)圖像，連續(xù)圖像的時(shí)間變化規(guī)律展現(xiàn)了揮發(fā)著火的全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)氧含量強(qiáng)烈影響揮發(fā)分燃燒，而且揮發(fā)分燃盡只需1～2ms，強(qiáng)有力地說(shuō)明單顆粒煙煤著火是均相著火．相比于傳統(tǒng)的自發(fā)輻射光譜圖像，OH-PLIF的斷層圖像更容易確定揮發(fā)分著火的起始點(diǎn)，以及火焰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．

本文在自主設(shè)計(jì)的煤粉反應(yīng)燃燒器開(kāi)展煤粉射流火焰的著火燃燒特性的研究，分析射流火焰的總光強(qiáng)信號(hào)、OH*自發(fā)輻射信號(hào)及PLIF熒光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析說(shuō)明各個(gè)測(cè)量手段的優(yōu)劣，并通過(guò)歸一化光強(qiáng)曲線計(jì)算出的煤粉著火延遲時(shí)間，結(jié)合OH-PLIF的斷層瞬態(tài)圖像，分析環(huán)境氧濃度對(duì)于煤粉射流火焰的燃燒影響．

1?實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1?煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)

煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)主體是預(yù)混平焰燃燒器，具體結(jié)構(gòu)介紹詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19]；本實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上增加PLIF測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，見(jiàn)圖1．PLIF系統(tǒng)主要由激光器模塊、光束整形模塊、信號(hào)采集模塊3個(gè)部分組成．

激光器模塊主要包括Nd：YAG固體激光器、倍頻SHG器和染料激光器等，如圖2所示；Nd：YAG固體激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過(guò)倍頻及燃料激光器調(diào)整后輸出波長(zhǎng)為283nm的激光，經(jīng)過(guò)測(cè)量激光束的單脈沖能量穩(wěn)定在0.7mJ左右．

光束整形模塊主要包括反射鏡、透鏡組等，其作用是將一維點(diǎn)狀激光整形為二維平面激光．PLIF技術(shù)探測(cè)二維平面的光學(xué)信號(hào)，激光的入射形態(tài)是片光源，探測(cè)火焰的二維斷層圖像，本文中整形后的片光源高24mm、厚300mm．

信號(hào)采集模塊主要包括ICMOS 相機(jī)、DG645數(shù)字延時(shí)信號(hào)發(fā)生器、DG535數(shù)字延時(shí)信號(hào)發(fā)生器、濾波片、計(jì)算機(jī)等．OH*熒光壽命只有幾十納秒左右，所以采用數(shù)字延時(shí)信號(hào)發(fā)生器控制ICMOS相機(jī)的信號(hào)采集與LIF激光激發(fā)過(guò)程同步進(jìn)行．

圖1?光學(xué)診斷型煤粉反應(yīng)系統(tǒng)

圖2?OH-PLIF激光系統(tǒng)

ICMOS相機(jī)鏡頭為紫外鏡頭(＝105mm，/4.5)，相機(jī)門(mén)寬為100μs，相機(jī)幀頻為20Hz，紫外鏡頭對(duì)火焰的直接成像是總光強(qiáng)輻射信號(hào)，在鏡頭前安裝濾光片獲得OH*自發(fā)輻射信號(hào)[19]．PLIF激光光束入射待測(cè)火焰區(qū)域，激發(fā)火焰中被測(cè)OH*輻射熒光信號(hào)，由ICMOS相機(jī)捕獲后進(jìn)而獲得OH*的熒光信號(hào)，其中相機(jī)幀頻為100Hz，門(mén)寬為50ns．

1.2?實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象煤粉采用神華煙煤，煤粉粒徑為53～80μm，實(shí)驗(yàn)時(shí)給粉速率1.9g/h，神華煙煤干燥劑的工業(yè)分析和元素分析如表1所示．煤粉燃燒反應(yīng)系統(tǒng)可靈活調(diào)整CH4、O2和 N2的流量(保持總流量不變)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體配比對(duì)燃燒環(huán)境控制，實(shí)驗(yàn)工況配比方案如表2所示．

表1?原煤的工業(yè)分析和元素分析

Tab.1?Ultimate and proximate analyses of coal

表2?實(shí)驗(yàn)工況配比方案

Tab.2?Configuration scheme for experimental operation condition

1.3?顆粒流速度測(cè)量

利用OH-PLIF圖像的時(shí)間規(guī)律性，可測(cè)量顆粒流動(dòng)速度，相鄰圖像的時(shí)間間隔是0.01s，利用單顆粒在圖像的不同位置高度計(jì)算出兩張圖片的位移差值，不同圖像距離差值如圖3所示，煤顆粒受到重力及氣體吹動(dòng)和熱解燃燒的影響，可認(rèn)為顆粒在燃燒器內(nèi)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)＝/可得顆粒流動(dòng)速度，同時(shí)也得到此段位移中間位置的瞬時(shí)速度，通過(guò)計(jì)算得到顆粒速度分布圖，如圖3(b)所示．

圖3?沿燃燒室高度方向的顆粒速度分布

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1?顆粒群著火特性

顆粒的著火伴隨著光和熱的強(qiáng)烈釋放，所以利用光強(qiáng)值的變化可以判斷顆粒群的著火位置．總光強(qiáng)輻射信號(hào)和OH*自發(fā)輻射信號(hào)著火位置判斷采用文獻(xiàn)[20]的方法，PLIF熒光信號(hào)的著火位置判斷采用類(lèi)似的方法，規(guī)定光學(xué)信號(hào)第1次達(dá)到最大光強(qiáng)20%時(shí)定義為火焰的著火位置．在獲得煤粉著火位置以及顆粒速度后，可獲得煤粉顆粒群著火延遲時(shí)間，如圖4所示(神華煙煤，環(huán)境溫度1700K，氧體積分?jǐn)?shù)20%)；著火延遲時(shí)間是煤粉著火燃燒特性的重要衡量指標(biāo)，本文將利用光學(xué)診斷技術(shù)重點(diǎn)研究顆粒群在不同氧濃度及不同溫度下的著火燃燒特性．

煤粉顆粒群著火研究中，當(dāng)煤粉顆粒的粒徑遠(yuǎn)小于顆粒間的距離時(shí)，顆粒群的著火可認(rèn)為是大量單顆粒著火的集聚[20-21]，將煤粉單顆粒的著火機(jī)理研究應(yīng)用到煤粉顆粒群的燃燒研究中，簡(jiǎn)化顆粒群著火燃燒復(fù)雜性．基于以上的假設(shè)，顆粒群著火可認(rèn)為是顆粒間相互作用的結(jié)果，對(duì)于分散良好的顆粒群的著火燃燒，通過(guò)探究單顆粒OH*的變化規(guī)律和火焰結(jié)構(gòu)和顆粒群的OH*變化規(guī)律和火焰結(jié)構(gòu)，可深入分析煤粉著火燃燒特性．

圖4?歸一化信號(hào)強(qiáng)度曲線及著火延遲時(shí)間

圖4(a)中3條光強(qiáng)曲線的變化表明，最先出現(xiàn)著火點(diǎn)位置的是PLIF熒光信號(hào)，說(shuō)明PLIF的響應(yīng)性能最好，對(duì)于著火點(diǎn)的判斷更為合適．其中PLIF熒光信號(hào)曲線在10～20mm 的高度范圍內(nèi)，呈線性增加的趨勢(shì)，揮發(fā)分火焰從著火到穩(wěn)定的燃燒強(qiáng)度逐漸增加；在20～30mm的高度范圍內(nèi)，光強(qiáng)值穩(wěn)定在最大光強(qiáng)范圍內(nèi)，說(shuō)明揮發(fā)分火焰在此區(qū)域內(nèi)達(dá)到劇烈穩(wěn)定燃燒．圖4(b)給出采用總光強(qiáng)輻射信號(hào)和PLIF熒光信號(hào)下的著火延遲時(shí)間的變化，總光強(qiáng)輻射信號(hào)的著火延遲時(shí)間和PLIF熒光信號(hào)的著火延遲時(shí)間整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而且 PLIF熒光信號(hào)的著火延遲時(shí)間更短．3種不同的測(cè)量方式，信號(hào)響應(yīng)最快的是PLIF測(cè)量手段，PLIF測(cè)量技術(shù)對(duì)于火焰的敏感程度最高，對(duì)于煤粉火焰著火過(guò)程研究有著更為明顯的優(yōu)勢(shì)．

2.2?單顆粒著火特性

在10%～30%的氧體積分?jǐn)?shù)環(huán)境下，煙煤顆粒群的OH*熒光信號(hào)變化如圖5所示，瞬態(tài)的熒光信號(hào)圖像可直接判斷出煤粉的絕對(duì)著火位置，圖像的顏色變化表征燃燒的劇烈程度．不同氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)于揮發(fā)分燃燒劇烈程度影響甚大，顆粒流形成較為穩(wěn)定的燃燒火焰束，OH*的瞬態(tài)斷層圖像顯示揮發(fā)分火焰完全包裹著焦炭顆粒，顆粒間的揮發(fā)分火焰相互重疊、相互影響，構(gòu)建成穩(wěn)定燃燒的射流火焰束．伴隨氧體積分?jǐn)?shù)的升高，絕對(duì)著火位置提前，揮發(fā)分燃燒加劇，OH*釋放量大增，符合煤粉均相著火燃燒情況；煤粉的自動(dòng)著火時(shí)間與燃料氧化劑的反應(yīng)活性密切相關(guān)[22]，增加環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)，加速氧化劑的滲透能力，加速氣相燃燒反應(yīng)的進(jìn)行．

圖5?顆粒群在1700K下的熒光信號(hào)分布

在(O2)=10%時(shí)，揮發(fā)分的燃燒相對(duì)不劇烈，氧體積分?jǐn)?shù)較低，氧分子向氣相揮發(fā)分內(nèi)部滲透能力較弱，顆粒焦炭周?chē)纬汕费醺蝗剂蠀^(qū)域，造成燃燒不充分，燃燒反應(yīng)區(qū)域也較小；當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，氧化劑的滲透能力增加，絕對(duì)著火位置提前，燃燒加劇，火焰束變得更加連續(xù)，燃燒穩(wěn)定性進(jìn)一步增加；在(O2)＝30%時(shí)，絕對(duì)著火位置再一次提前，燃燒反應(yīng)區(qū)爆發(fā)性擴(kuò)大，形成一個(gè)錐形的燃燒反應(yīng)區(qū)，OH*的體積分?jǐn)?shù)更高，燃燒更加劇烈；不同氧體積分?jǐn)?shù)下發(fā)現(xiàn)火焰束內(nèi)部均有低體積分?jǐn)?shù)OH*信號(hào)的空洞，說(shuō)明焦炭顆粒被包裹其中，受到氣相火焰的加熱；瞬態(tài)圖像也說(shuō)明了顆粒間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒的直徑，可以用單顆粒的均相著火理論分析煤粉群著火燃燒特性．

通過(guò)捕捉不同高度下單顆粒的OH*熒光信號(hào)圖像，結(jié)果如圖6(a)所示，顆?；鹧婊究尚纬赏耆那蛐位鹧?，從外到內(nèi)形成明顯的燃燒梯度帶，球形火焰的半徑在1～1.5mm之間；以顆粒中心為起點(diǎn)，向外繪制OH*的絕對(duì)體積分?jǐn)?shù)值變化如圖6(b)所示；OH*體積分?jǐn)?shù)最高的點(diǎn)在0.4～0.6mm的區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明揮發(fā)分釋放與氧化劑的混合在這個(gè)區(qū)域達(dá)到最佳當(dāng)量比，揮發(fā)分在不斷向外擴(kuò)散與氧分子不斷向內(nèi)滲透達(dá)到平衡的區(qū)域；在0～0.4mm的區(qū)域內(nèi)，形成欠氧富燃料區(qū)域，在0.6～2mm的區(qū)域內(nèi)為富氧欠燃料區(qū)域，都造成燃燒的不充分，在圖像中表現(xiàn)為燃燒梯度帶．不同高度顆粒球的OH*體積分?jǐn)?shù)值變化不同，體積分?jǐn)?shù)峰值隨著燃燒室的高度在增加，在20mm以上的高度，變化減弱，基本保持在穩(wěn)定的區(qū)域??內(nèi)[18]；而且在25mm以后峰值體積分?jǐn)?shù)有一定的回落，說(shuō)明揮發(fā)分釋放減弱，焦炭顆粒逐漸形成完畢；與圖5中OH*在燃燒室內(nèi)20～30mm內(nèi)的穩(wěn)定燃燒階段的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，與前文的分析一致，單顆粒的均相著火理論與顆粒群的著火分析相一致(為顆粒距離燃料噴口垂直距離)．

圖6 煤粉單顆?；鹧娴臒晒庑盘?hào)分布

2.3?半焦顆粒的燃盡特性

煤粉顆粒流燃燒結(jié)束，在燃燒器的底部收集煤焦，通過(guò)對(duì)半焦的特性進(jìn)行分析研究，獲取氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤焦熱解性能的影響．圖7給出將煤焦放大1000倍后觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，煤焦形狀棱角分明，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)多變，熱解脫揮發(fā)分階段形成的孔隙對(duì)焦炭的燃盡有著直接的影響．

圖7?神華煙煤燃燒后的煤焦形態(tài)

對(duì)煤焦的比表面積、成分含量進(jìn)行測(cè)試，利用灰示蹤法[19]計(jì)算不同條件下的揮發(fā)分析出率和固定碳轉(zhuǎn)化率，其中神華原焦是在900℃的水平爐氬氣氛圍下(2L/min)停留30min制取，結(jié)果如表3所示.

神華煙煤及煤焦的比表面積變化說(shuō)明煤焦經(jīng)歷脫揮發(fā)分、高溫停留及表面氧化反應(yīng)后，煤焦發(fā)生軟化、熔融及灰的熔化等現(xiàn)象[23]，煤焦比表面積伴隨氧體積分?jǐn)?shù)的增加而減少，因?yàn)楦哐躞w積分?jǐn)?shù)下燃燒更為劇烈，燃盡程度更高，孔隙結(jié)構(gòu)變形更嚴(yán)重；燃燒工況下煤焦的比表面積大于神華原焦的比表面積，主要原因是煤焦在燃燒環(huán)境內(nèi)的停留時(shí)間很短造成．

表3結(jié)果給出的神華原焦揮發(fā)分析出率最高，固定碳損失率最低，原焦在高溫缺氧的環(huán)境中，揮發(fā)分可高效析出，但是無(wú)氧環(huán)境下無(wú)法氧化，固定碳轉(zhuǎn)化比例較??；在燃燒工況下，煤焦的揮發(fā)分析出率和固定碳損失率伴隨氧體積分?jǐn)?shù)的增加呈線性增長(zhǎng)，但固定碳損失率相對(duì)更高，氧體積分?jǐn)?shù)的增加加速揮發(fā)分的燃盡，同時(shí)也促進(jìn)煤焦的燃燒，說(shuō)明氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤粉顆粒群的揮發(fā)分熱解燃燒及煤焦燃盡特性都有著非常的重要影響．

表3?神華煙煤和焦的元素分析、比表面積分析

Tab.3?Proximate and poreanalysis of Shenhua bituminous coal and char

3?結(jié)?論

(1) OH-PLIF技術(shù)在煤粉著火燃燒研究中具有明顯優(yōu)勢(shì)，測(cè)量結(jié)果靈敏度高、物質(zhì)選擇性強(qiáng)，可獲得更加清晰的火焰結(jié)構(gòu)，OH-PLIF測(cè)量診斷圖像也為數(shù)值模擬提供更加強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐．粒徑53～80μm的神華煙煤在10%～30%的氧體積分?jǐn)?shù)下均相著火占主導(dǎo)地位，顆粒群的著火是揮發(fā)分先著火并迅速形成穩(wěn)定的火焰束，包裹并加熱焦炭顆粒．

(2)通過(guò)煤焦孔隙特性分析，發(fā)現(xiàn)孔隙特性會(huì)直接影響到焦炭燃盡程度，同時(shí)煤焦燃盡程度也直接受到氧濃度的影響．

(3)高揮發(fā)分煙煤脫揮發(fā)分過(guò)程對(duì)于著火過(guò)程有著至關(guān)重要的影響，更為詳細(xì)的研究需要結(jié)合OH/CH-PLIF和測(cè)溫技術(shù)深入研究．

［1］ Essenhigh R H. On the inter-influence of classical heterogeneous combustion research and related aerospace problems[J].，1967，11 (1)：291-308.

［2］ Azuhata S，Narato K，Kobayashi H，et al. A study of gas composition profiles for low NOpulverized coal combustion and burner scale-up[J].，1988，21(1)：1199-1206.

［3］ 岑可法. 高等燃燒學(xué)[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

Cen Kefa.[M]. Hang-zhou：Zhejiang University Press，2002 (in Chinese)．

［4］ Zhao Y，Kim H Y，Yoon S S. Transient group combustion of the pulverized coal particles in spherical cloud[J].，2007，86(7/8)：1102-1111.

［5］ Essenhigh R H，Howard J B. Repy to comments. "Toward a unified combustion theory"[J].，1966，58(6)：76.

［6］ Gururajan V S，Wall T F，Gupta R P，et al. Mechanisms for the ignition of pulverized coal particles[J].，1990，81(2)：119-132.

［7］ Howard J B，Essenhigh R H. Mechanism of solid-partical combustion with simultaneous gas-phase volatiles combustion[J].，1967，11(1)：399-408.

［8］ Schiemann M，Scherer V，Wirtz S. Optical coal particle temperature measurement under oxy-fuel conditions：Measurement methodology and initial re-sults[J].，2010，32(12)：2000-2004.

［9］ Kim J D，Kim G B，Chang Y J，et al. Examination of flame length for burning pulverized coal in laminar flow reactor[J].，2010，24(12)：2567-2575.

［10］ Levendis Y A，Joshi K，Khatami R，et al. Combustion behavior in air of single particles from three different coal ranks and from sugarcane bagasse[J].，2011，158(3)：452-465.

［11］ Khatami R，Stivers C，Joshi K，et al. Combustion behavior of single particles from three different coal ranks and from sugar cane bagasse in O2/N2and O2/CO2atmospheres[J].，2012，159(3)：1253-1271.

［12］ Riaza J，Khatami R，Levendis Y A，et al. Single particle ignition and combustion of anthracite，semi-anthracite and bituminous coals in air and simulated oxy-fuel conditions[J].，2014，161(4)：1096-1108.

［13］ Molina A，Shaddix C R. Ignition and devolatilization of pulverized bituminous coal particles during oxygen/carbon dioxide coal combustion[J].，2007，31(2)：1905-1912.

［14］ Shaddix C R，Molina A. Particle imaging of ignition and devolatilization of pulverized coal during oxy-fuel combustion[J].，2009，32(2)：2091-2098.

［15］ Seung M H，Ryoichi Kurose，F(xiàn)umiteru Akamatsu，et al. Application of optical diagnostics techniques to a laboratory-scale turbulent pulverized coal flame[J].，2005，19(2)：382-392.

［16］ Hayashi J，Hashimoto N，Nakatsuka N，et al. Soot formation characteristics in a lab-scale turbulent pulverized coal flame with simultaneous planar measurements of laser induced incandescence of soot and Mie scattering of pulverized coal[J].，2013，34(2)：2435-2443.

［17］ Balusamy S，Kamal M M，Lowe S M，et al. Laser diagnostics of pulverized coal combustion in O2/N2and O2/CO2conditions：Velocity and scalar field measurements[J].，2015，56(5)：1-16.

［18］ K?ser J，Becker L G，Go?mann A K，et al. Investigation of ignition and volatile combustion of single coal particles within oxygen-enriched atmospheres using high-speed OH-PLIF[J].，2017，36(2)：2103-2111.

［19］ 朱文堃，鄒高鵬，張?蕾，等. 基于光學(xué)診斷技術(shù)的煤粉射流火焰著火燃燒特性研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38(3)：840-849.

Zhu Wenkun，Zou Gaopeng，Zhang Lei，et al. Pulverized coal stream ignition and combustion characteristics based on multiple optical diagnostic techniques[J].，2018，38(3)：840-849(in Chinese).

［20］ Li S，Marshall J S，Liu G，et al. Adhesive particulate flow：The discrete-element method and its application in energy and environmental engineering[J].，2011，37(6)：633-668.

［21］ Ye Y，Li S，Li G，et al. The transition of heterogeneous-homogeneous ignitions of dispersed coal particle streams[J].，2014，161(9)：2458-2468.

［22］ Du X，Annamalai K. The transient ignition of isolated coal particle[J].，1994，97(3/4)：339-354.

［23］ 孫?銳，張?鑫，Kelebopile L，等. 燃燒中氣化半焦孔隙結(jié)構(gòu)特性變化實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(11)：35-40.

Sun Rui，Zhang Xin，Kelebopile L，et al. Experimental study on pore structure changing of gasified coal char under combustion [J].，2012，32(11)：35-40(in Chinese).

Ignition and Combustion Characteristics of Pulverized Coal Jet Flame Based on OH-PLIF Measurement Techniques

Zhu Wenkun1，Qi Hongliang1，Yang Yuqi1，Peng Jiangbo2，Sun Rui1，Ding Saijie1，Zhang Lei1，Tian Yan3

(1.Institute of Combustion Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China； 2. National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser， Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China； 3. Beijing LGK Environment Co.，Ltd，Beijing 100035，China)

The ignition and combustion characteristics of a pulverized coal(PC)reactor system were studied via optical diagnosis. The OH*spontaneous emission signal，total light intensity signal and the OH-PLIF fluorescence signal of the powder jet flame were captured by ICMOS. The advantages and disadvantages of different measurement techniques were analyzed，respectively. The ignition delay time of the latter two was simultaneously calculated，thereby analyzing the reliability of the PLIF measurement method. Based on the combination of the OH-PLIF diagnostic fluorescence image and ignition delay time，the ignition and combustion characteristics of the volatile jet flame were elaborated. The results show that the PC cloud ignition is a process in which volatiles are burned first and then char particles are heated up.

pulverized coal；ignition；jet flame；planar laser induced fluorescence(PLIF)；volatile combustion

TQ534.9

A

1006-8740(2019)02-0175-07

2018-03-09.

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012YQ040164)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51536002；61405048)．

朱文堃（1992—??），男，碩士，wenkunzhu@ foxmail.com．

孫?銳，男，博士，教授，sunsr@hit.edu.cn．

10.11715/rskxjs.R201805003