彭 梁，周 騖，鄭榕根，戴 雯，蔡小舒

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué) 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

引 言

煤的燃燒特性是設(shè)計(jì)燃煤設(shè)備時(shí)的重要參考數(shù)據(jù)，同時(shí)影響著鍋爐等燃燒設(shè)備的安全高效運(yùn)行。對(duì)煤粉燃燒過程的理解和對(duì)煤粉燃燒特性的深入研究，在燃煤技術(shù)的改善、燃煤設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)、污染物排放控制及為煤燃燒模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等方面都有重要作用。

煤粉燃燒的研究始于19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)煤已經(jīng)被廣泛用于發(fā)電。1979年，Juntgen 等[1]用電加熱柵網(wǎng)的方法，提出了著名的著火模式圖譜，將煤粉著火方式同煤顆粒直徑、加熱速率聯(lián)系起來。1981年，McLean等[2]第一次用顯微鏡和高速相機(jī)直接觀察到煙煤顆粒燃燒時(shí)的顯微照片和連續(xù)陰影圖。近年來，隨著圖像傳感器硬件的升級(jí)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，圖像法在實(shí)驗(yàn)室研究以及工業(yè)測(cè)量中受到重視并開始廣泛應(yīng)用。Kim等[3]在層流燃燒器（LFR）系統(tǒng)中用雙色高溫計(jì)和相機(jī)記錄煤粉燃燒時(shí)的溫度和火焰長(zhǎng)度。Shaddix等[4-5]研究了攜帶流反應(yīng)器（EER）在不同濃度CO2、O2及N2下對(duì)煤顆粒著火方式的影響。2016年，Levendis 等[6]用高速相機(jī)在電熱滴管爐（DTF）中觀察不同等級(jí)煤粉顆粒的燃燒現(xiàn)象。2017年，Sarroza等[7]將VDTF測(cè)試與圖像分析技術(shù)相結(jié)合，用于生物質(zhì)燃燒的實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)許多科研院所[8-11]都對(duì)煤粉或煤粉群的燃燒過程尤其是著火過程進(jìn)行了廣泛而深入的研究，其中對(duì)煤粉著火機(jī)理的研究綜述可參見文獻(xiàn)[12-13]。然而煤粉的燃燒過程是一個(gè)特別復(fù)雜的問題，著火機(jī)理還未能有一個(gè)清晰的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的改進(jìn)和創(chuàng)新也是研究者們一直聚焦的研究方向。在已有的研究中，一般采用高速相機(jī)直接觀察，或者采用強(qiáng)背光獲得顆粒投影輪廓，同時(shí)采用上述兩種手段實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量的研究方法尚為少見，而同步測(cè)量則有望獲得單顆粒燃燒過程的更多信息。

本文將結(jié)合藍(lán)色背光成像和自發(fā)光輻射成像原理，研制雙光路信號(hào)采集系統(tǒng)并進(jìn)行對(duì)齊標(biāo)定；通過兩種煤粉的燃燒實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)相同視場(chǎng)下煤粉背光圖像和自發(fā)光圖像的同步采集。實(shí)驗(yàn)拍攝并觀察到了兩種不同煤種在燃燒過程中的不同表現(xiàn)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)該結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 雙光路成像原理及系統(tǒng)

在藍(lán)色背光成像法[14]的基礎(chǔ)上，搭建了藍(lán)色背光投影和自發(fā)輻射同步成像的雙光路圖像采集系統(tǒng)，原理如圖1所示。由于煤粉燃燒輻射光譜在400～500 nm范圍內(nèi)強(qiáng)度較弱[15]，因此背光光路采用藍(lán)色LED作為光源，光源經(jīng)過測(cè)量區(qū)的煤粉顆粒后由成像系統(tǒng)采集，從而獲得顆粒的投影輪廓圖像；由于揮發(fā)組分和焦炭的燃燒會(huì)產(chǎn)生明亮的光線，降低背光成像質(zhì)量，甚至使得顆粒難以觀察到，因此在背光成像系統(tǒng)前需要加裝相應(yīng)波段的濾波片，以濾除燃燒火焰的明亮光線，保留藍(lán)色投影光線。為同時(shí)觀察煤粉的燃燒情況，也需要對(duì)燃燒火焰進(jìn)行成像，因此在背光成像光路中的藍(lán)色窄帶濾波片前放置分光棱鏡，將藍(lán)色背光和自發(fā)光的混合光束一分為二，在自發(fā)光光路側(cè)加裝長(zhǎng)波通濾光片，即濾除藍(lán)色光源，保留一定波段以上的燃燒火焰輻射信息。

圖 1 背光和自發(fā)光同步成像系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of synchronous imaging system of backward illumination and self-luminous radiation

在本文實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過光譜儀測(cè)定，所采用的藍(lán)色LED發(fā)光波段在440～500 nm范圍內(nèi)，因此背光光路中采用波長(zhǎng)為460～480 nm的帶通濾波片（Thorlabs，BP470）；而煤粉燃燒火焰的發(fā)光波段主要集中在500 nm以上，因此自發(fā)光光路采用通過波長(zhǎng)500 nm以上光線的長(zhǎng)波通濾光片（LP500）。采用可見光范圍內(nèi)的半透半反立方棱鏡（武漢優(yōu)光，BSC0125-4）進(jìn)行分光，兩個(gè)光路都采用相同型號(hào)的鏡頭（華谷動(dòng)力，WP-1X150，放大倍率1倍，工作距離150 mm）和相機(jī)（Photron，F(xiàn)ASTCAM Mini AX 200，1 024×1 024像素，像元尺寸20 μm），拍攝時(shí)曝光時(shí)間和幀率等參數(shù)設(shè)置相同（煤粉燃燒拍攝時(shí)幀率為6 400 frame/s，曝光時(shí)間為20 μs）。兩個(gè)成像光路系統(tǒng)采用籠式系統(tǒng)進(jìn)行固定，并保證與分光棱鏡的距離相同，從而保證相同的視場(chǎng)；并對(duì)兩個(gè)相機(jī)設(shè)置同步觸發(fā)采集（信號(hào)發(fā)生器兩個(gè)通道同時(shí)給出電信號(hào)觸發(fā)相機(jī)）。目前實(shí)驗(yàn)中采用的相機(jī)均為黑白相機(jī)，若在自發(fā)光光路中采用彩色相機(jī)，則可以采用輻射成像測(cè)溫的方法對(duì)顆粒的溫度進(jìn)行同步測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也可以用特定片狀激光光源代替藍(lán)色光源，在雙光路的基礎(chǔ)上，增加一條光路，利用像增強(qiáng)器測(cè)量組分場(chǎng)。

2 雙光路系統(tǒng)的標(biāo)定

雖然采用同型號(hào)的相機(jī)及鏡頭，但在系統(tǒng)搭建和光路調(diào)節(jié)時(shí)依然很難保證視場(chǎng)完全一致，即會(huì)產(chǎn)生圖片的相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)等，這將導(dǎo)致后續(xù)分析時(shí)難以進(jìn)行不同光路下煤粉顆粒的匹配，因此需要對(duì)兩個(gè)光路的視場(chǎng)進(jìn)行對(duì)齊標(biāo)定，以便后期能夠方便地觀察和分析煤粉顆粒的燃燒過程。標(biāo)定時(shí)采用黑白棋盤格，除相機(jī)曝光時(shí)間相應(yīng)調(diào)節(jié)以保證自發(fā)光光路足夠明亮外，系統(tǒng)配置與燃燒顆粒拍攝中完全相同。對(duì)齊前的背光光路和自發(fā)光光路的標(biāo)定板圖片如圖2（a）和2（b）所示，針對(duì)圖片的相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)以及放大倍率的差別，采用區(qū)域?qū)R法[16]進(jìn)行對(duì)齊標(biāo)定，獲得對(duì)齊后的背光圖片如圖2（c）所示（自發(fā)光圖片保持不變），兩張圖片的差值如圖2（d）所示，顏色越深表示差別越大，可見經(jīng)過對(duì)齊標(biāo)定后兩個(gè)成像光路的視場(chǎng)基本對(duì)齊。

3 煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及工況

煤粉燃燒的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)[14]，即采用帶中心管的McKenna燃燒器提供煤粉燃燒的溫度和氣氛環(huán)境，煤粉由空氣攜帶從中心管由下往上噴出，周圍由甲烷預(yù)混火焰提供燃燒的溫度環(huán)境。前期實(shí)驗(yàn)中煤粉送樣量不太穩(wěn)定，為了更穩(wěn)定地供給煤粉顆粒，將原送煤管道內(nèi)徑6 mm改為2 mm，燃燒器中心管內(nèi)徑6 mm保持不變，從而提高管道內(nèi)空氣流速使得輸送過程更加穩(wěn)定。另外添加電動(dòng)升降平臺(tái)以方便調(diào)節(jié)燃燒器的高度位置，用于燃燒器出口不同高度的煤粉燃燒過程拍攝。燃燒器及測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物照片如圖3所示。

圖 2 雙光路對(duì)齊標(biāo)定棋盤格圖片F(xiàn)ig. 2 Chessboard images for alignment of two light paths

實(shí)驗(yàn)選用了兩種煤粉，即鄭州煙煤和鄭州無煙煤，其工業(yè)分析和元素分析如表1所示（該煙煤的揮發(fā)組分含量較高）。實(shí)驗(yàn)前預(yù)先用標(biāo)準(zhǔn)分樣篩將煤粉顆粒進(jìn)行篩分，得到粒徑大小在63～96 μm范圍內(nèi)的煤顆粒，然后在干燥箱內(nèi)恒溫50 ℃干燥8 h以上，去除煤粉顆粒外部水分。

圖 3 燃燒器及測(cè)量系統(tǒng)照片F(xiàn)ig. 3 Photo of the burner and measurement system

表 1 煤樣工業(yè)分析和元素分析Tab. 1 Proximate and ultimate element analysis of coal samples

實(shí)驗(yàn)中用于提供溫度環(huán)境的甲烷預(yù)混火焰的反應(yīng)物化學(xué)當(dāng)量比為1.0，燃燒器出口處預(yù)混氣體冷態(tài)表觀流速為0.06 m/s，中心管送煤空氣在燃燒器出口的冷態(tài)流速為2.67 m/s。在該工況下，采用B型熱電偶，沿燃燒器中心線高度0～200 mm范圍內(nèi)和2，5，15 mm高度下對(duì)單側(cè)徑向溫度分布進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)位置取400個(gè)值，然后求取平均值。結(jié)果如圖4（a）和4（b）所示，圖中的誤差條是測(cè)量時(shí)每個(gè)位置的最高溫度與最低溫度的差值。按照上述工況條件及所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬手段對(duì)燃燒器上方200 mm高度區(qū)域內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和主要?dú)怏w組分濃度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)[17]，結(jié)果如圖5所示。本文實(shí)驗(yàn)中預(yù)先在不同高度處進(jìn)行拍攝觀察，發(fā)現(xiàn)煙煤的揮發(fā)組分析出和燃燒過程基本發(fā)生在20～60 mm高度處，因此分別在20，30，50 mm高度處進(jìn)行拍攝和分析，拍攝的視場(chǎng)區(qū)域用紅色矩形在圖5中標(biāo)出，可見該區(qū)域內(nèi)氣體溫度在465～1 073 K范圍內(nèi)，氧氣濃度在0.01%～0.2%范圍內(nèi)，氣體速度在0.3～5 m/s范圍內(nèi)。

圖 4 實(shí)驗(yàn)工況下溫度變化情況Fig. 4 Temperature change under experimental conditions

圖 5 實(shí)驗(yàn)工況下速度、氧氣質(zhì)量分布和溫度模擬結(jié)果Fig. 5 Simulation results of velocity, oxygen mass distribution, and temperature under experimental conditions

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 煤顆粒的不同燃燒狀態(tài)

圖6是針對(duì)煙煤在300 mm高度處，采用雙光路系統(tǒng)拍攝獲得的典型圖片（由于鏡頭成像尺寸較小，成像有黑邊，如圖所示裁剪后的圖片對(duì)應(yīng)視場(chǎng)大小為6 mm×6 mm）。圖6（a）為背光成像圖片，其中黑色顆粒即為煤粉的背光投影輪廓圖像，可見顆粒濃度較低，可認(rèn)為是單顆粒燃燒狀態(tài)；由于采用背光成像，景深范圍外的顆粒圖像也會(huì)被記錄，位于管道中心截面（即對(duì)焦位置）的顆粒成像清晰，偏離中心截面的顆粒會(huì)產(chǎn)生離焦模糊。圖6（b）為自發(fā)光圖片，其中白色區(qū)域?yàn)橄鄳?yīng)煤粉、揮發(fā)組分或焦炭燃燒產(chǎn)生的火焰發(fā)光圖像，可以結(jié)合背光圖像以準(zhǔn)確判斷究竟為哪種物質(zhì)燃燒發(fā)光。

圖 6 典型的煤粉顆粒背光和自發(fā)光同步成像圖片F(xiàn)ig. 6 Typical coal particle images for backlight illumination and self-radiation

如圖6中紅圈區(qū)域所示，背光圖像中有極暗的黑色核心，即為煤粉顆粒，在自發(fā)光圖像中表現(xiàn)為明亮火焰中的暗點(diǎn)；而該明亮的圖像即為揮發(fā)組分燃燒所形成的火焰，對(duì)應(yīng)在背光圖像相同位置上（即黑色顆粒圖像周圍）可以觀察到明細(xì)的灰色團(tuán)狀物質(zhì)，是由大分子揮發(fā)組分裂解所形成的大量碳黑，對(duì)背光光源產(chǎn)生了消光效應(yīng)而形成的暗影。如圖中綠圈區(qū)域所示，背光圖像中可見黑色顆粒但沒有灰色團(tuán)狀物質(zhì)，自發(fā)光圖像中為明亮顆粒圖像但沒有揮發(fā)組分燃燒火焰，可以推知該圖像為焦炭燃燒圖像。如圖中藍(lán)圈區(qū)域所示，背光圖像中存在黑色顆粒，但自發(fā)光圖像中沒有對(duì)應(yīng)的明亮顆粒，可推知該顆粒未燃燒。為方便觀察，后文中將截取特定顆粒圖像進(jìn)行顯示。

4.2 煤顆粒燃燒過程可視化分析

圖7所示為不同高度處拍攝到的煙煤顆粒著火和燃燒過程。每個(gè)顆粒圖片都包含上下兩組圖片，上方為顆粒背光圖片，下方為同一顆粒同一時(shí)刻的自發(fā)光圖片。圖片下方的數(shù)字代表顆粒燃燒時(shí)的不同時(shí)刻。其中煙煤顆粒A的圖片是在30 mm高度附近3.28 ms內(nèi)所拍攝（此處0時(shí)刻僅代表拍攝觀察到的第一個(gè)時(shí)刻），從自發(fā)光圖片中可以觀察到明亮的火焰圖像，即表示此時(shí)揮發(fā)組分已經(jīng)著火燃燒，而火焰中心存在黑色內(nèi)核（由于揮發(fā)組分火焰非常明亮，仔細(xì)觀察可見火焰中心有一黑色小點(diǎn)），說明該固體焦炭未著火；相應(yīng)背光圖片中可觀察到由于揮發(fā)組分迅速燃燒形成高溫氣氛導(dǎo)致大分子裂解而在顆粒圖像周圍產(chǎn)生的碳黑；隨后揮發(fā)組分燃燒強(qiáng)度逐漸減弱，而明亮火焰中的黑色核心也逐漸消失。由于視場(chǎng)所限，未能跟蹤觀察到后期燃燒情況，但從上述分析可以判定該顆粒處于均相著火階段。同時(shí)也可以觀察到該顆粒周圍有另外幾個(gè)燃燒著的顆粒，還有幾個(gè)未燃燒的顆粒從周圍經(jīng)過。

圖 7 煙煤顆粒幾種典型背光和自發(fā)光圖片F(xiàn)ig. 7 Typical backlight illumination and self-radiation images of bituminous particles

另一煙煤顆粒B在50 mm高度附近2.97 ms內(nèi)的變化圖片有所不同，開始觀察到該顆粒時(shí)，焦炭已逐漸開始燃燒，表現(xiàn)為自發(fā)光圖像中的黑色內(nèi)核存在亮點(diǎn)。在自發(fā)光圖片中，隨著揮發(fā)組分逐漸燃燒完畢，團(tuán)狀明亮圖像逐漸變小變淡，同時(shí)團(tuán)狀物質(zhì)內(nèi)包裹的球形固體顆粒逐漸變亮，即表示焦炭開始著火燃燒；相應(yīng)背光圖片中的灰色團(tuán)狀物質(zhì)圖像也逐漸上升和變淡。值得注意的是，在揮發(fā)組分火焰逐漸消失時(shí)（2.34 ms），顆粒周圍的碳黑在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然形成；這一方面可能是因?yàn)榇藭r(shí)揮發(fā)組分燃燒形成的火焰較弱，在短曝光時(shí)間內(nèi)未能被相機(jī)響應(yīng)，另一方面也說明此時(shí)依然有揮發(fā)組分析出和裂解，但可能由于未滿足濃度條件等原因未能發(fā)生揮發(fā)組分的劇烈燃燒。

煙煤顆粒C的燃燒圖像拍攝于20 mm高度處，歷時(shí)5 ms，從圖中可以看到由于該顆粒與周圍氣體間存在速度差，揮發(fā)組分燃燒火焰的位置（碳黑基本跟隨氣相運(yùn)動(dòng)）從初始的顆粒下方逐漸移動(dòng)到顆粒上方并脫離。為了分析顆粒和氣相之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采用MATLAB軟件，分別識(shí)別顆粒和揮發(fā)組分圖像的質(zhì)心位置隨時(shí)間的變化，通過式（1）計(jì)算其速度：

式中：Vx、Vy分別代表x、y方向上的速度；u為像元大小（20 μm）；k為鏡頭放大倍率（×1）；t為相機(jī)曝光時(shí)間（20 μs）。具體結(jié)果見圖8，下標(biāo)p和g分別代表顆粒和揮發(fā)組分（MATLAB識(shí)別顆粒和揮發(fā)組分質(zhì)心位置不超過一個(gè)像素值，速度誤差在5%以內(nèi)）?？梢娫?.56 ms時(shí)刻前，氣相速度低于顆粒速度，這是由于射流卷吸作用導(dǎo)致氣相速度迅速衰減，而顆粒由于慣性作用在20 mm高度附近依然保持了相對(duì)較高的速度（從燃燒器出口噴出時(shí)的速度約為2.67 m/s），在圖7（c）中表現(xiàn)為碳黑圖像位于顆粒圖像下方；之后由于重力作用顆粒速度迅速降低，而氣體由于溫度升高因而速度略有增加（也可從圖5（a）中觀察到）并高于顆粒速度，在圖7（c）中表現(xiàn)為揮發(fā)組分從顆粒的右上方脫離。顆粒和揮發(fā)組分的平均速度分別約為1.18 m/s和1.40 m/s。

結(jié)合大量不同高度的圖片來看，對(duì)該實(shí)驗(yàn)工況而言，從燃燒器出口開始，隨著高度的增加，自發(fā)光圖片中團(tuán)狀火焰出現(xiàn)的次數(shù)慢慢增多，隨后逐漸減少，高度在50 mm處觀察到的揮發(fā)組分析出圖像最多，且該工況下以均相著火方式為主。

圖 8 顆粒和揮發(fā)組分運(yùn)動(dòng)速度Fig. 8 Particle and volatile velocity

無煙煤顆粒的著火則大部分屬于典型的異相著火，如圖9所示。沒有觀察到團(tuán)狀揮發(fā)組分物質(zhì)燃燒，直接從顆粒表面開始著火，逐漸擴(kuò)展到顆粒內(nèi)部，背光圖片中顆粒在逐漸縮小，自發(fā)光圖片中顆粒亮度先增加后降低。

圖 9 無煙煤顆粒典型背光和自發(fā)光圖片F(xiàn)ig. 9 Typical backlight illumination and self-radiation images of anthracite particles

5 結(jié) 論

本文在藍(lán)色背光成像法的基礎(chǔ)上，搭建了背光和自發(fā)光信號(hào)同步采集的雙光路成像系統(tǒng)，觀察了煤粉顆粒燃燒時(shí)的背光和自發(fā)光圖片，其中煙煤顆粒在實(shí)驗(yàn)工況下以均相著火為主，揮發(fā)組分析出集中在燃燒器出口20～60 mm高度處，在50 mm高度處揮發(fā)組分析出最多，且為典型的均相著火。無煙煤顆粒著火則是典型的異相著火模式。同時(shí)在煙煤燃燒中觀察到速度差造成了煤顆粒燃燒時(shí)固體和揮發(fā)組分脫離現(xiàn)象，并觀察到揮發(fā)組分燃燒后期無明顯火焰情況下，碳黑依然析出的現(xiàn)象。這也為進(jìn)一步結(jié)合彩色相機(jī)實(shí)現(xiàn)顆粒輪廓和溫度的精確測(cè)量提供了參考。