齊洪亮，孫 銳，彭江波，于 欣，朱文堃，曹 振，于 楊，高 龍，張澤岳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國家級重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

煤炭儲量豐富，是一種重要的化石燃料，盡管新能源和可再生能源快速發(fā)展，在未來幾十年煤炭仍將作為一次能源的重要組成部分。我國“富煤、貧油、少氣”的能源分布特點決定了煤炭的重要作用。煤炭資源為電力行業(yè)多種發(fā)電方式的共同發(fā)展、為國家能源安全提供了堅實保障。然而，煤炭利用也帶來了嚴重環(huán)境污染問題，與我國可持續(xù)發(fā)展目標不符，如何實現(xiàn)煤炭清潔、高效、低碳、低污染利用已成為目前研究焦點。隨著光學(xué)診斷技術(shù)不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了多種非接觸式光學(xué)診斷技術(shù)，極大促進了燃燒學(xué)發(fā)展，為煤炭清潔高效利用提供了更多的理論試驗手段及方法，對煤炭清潔利用做出了巨大貢獻。煤粉著火、燃燒過程至關(guān)重要，影響燃燒火焰穩(wěn)定性、污染物NOx排放、焦炭燃盡率[1]。國內(nèi)外研究者采用光學(xué)診斷技術(shù)對煤粉單顆粒、顆粒流著火燃燒過程進行了大量研究，取得了眾多研究成果，極大地促進了煤炭清潔高效利用發(fā)展。

1 煤粉單顆粒著火燃燒過程診斷

煤粉燃燒主要包括脫揮發(fā)分、著火、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒等過程。煤粉的燃燒涉及氣固兩相反應(yīng)，是一個極其復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。煤粉顆粒著火可能經(jīng)歷揮發(fā)分氣相均相著火、焦炭固相的異相著火或均相異相聯(lián)合著火模式。Jüntgen等[2]將煤粉顆粒置于金屬絲網(wǎng)上加熱，探究煤粉顆粒在不同加熱速率和不同粒徑下的著火模式，獲得了典型煙煤的著火模式的圖譜(圖1)。對于小粒徑的煤粉顆粒(<50 μm)，幾乎所有加熱速率下煤粉顆粒表面發(fā)生非均相(異相)著火；對于大粒徑的煤粉顆粒(>100 μm)，加熱速率低于500 ℃/s時煤粉顆粒的揮發(fā)分先著火隨后焦炭著火，發(fā)生均相著火；隨著加熱速率增大，2種著火模式疊加，在高加熱速率下，揮發(fā)分著火和焦炭著火同時發(fā)生，煤粉顆粒發(fā)生均相-異相聯(lián)合著火方式。脫揮發(fā)分和揮發(fā)分的燃燒影響著煤粉著火過程，影響火焰穩(wěn)定燃燒。

圖1 典型煙煤在不同粒徑和不同加熱速率下的著火方式圖譜[2]

單顆粒的著火燃燒過程不同于顆粒流中煤粉顆粒，對于煤粉單顆粒的研究更傾向于理論研究，隨著光學(xué)診斷技術(shù)不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新型的具有時間、空間高分辨率的光學(xué)診斷技術(shù)，能夠深入探究煤粉單顆粒的著火燃燒過程。國內(nèi)外研究者針對能實現(xiàn)碳捕集、分離、減少CO2排放的煤粉富氧燃燒技術(shù)進行大量研究。美國東北大學(xué)Levendis團隊結(jié)合光學(xué)診斷技術(shù)，在富氧煤粉燃燒條件下利用電加熱的滴管爐對煤粉單顆粒的脫揮發(fā)分、著火、揮發(fā)分燃燒過程進行試驗研究，并取得了豐碩成果[3-9]。試驗原理和診斷設(shè)備如圖2所示。采用時間、空間高分辨率的高速相機對煤粉單顆粒演變過程進行捕捉，采用三色高溫計對煤粉顆粒燃燒火焰溫度進行測量，研究煤階、溫度、氧濃度、氣氛等參數(shù)對煤粉顆粒著火燃燒過程的影響。利用透明的層流滴管爐(1 400 K)，在O2/N2和O2/CO2氣氛下對無煙煤、半無煙煤、中揮發(fā)分煙煤和高揮發(fā)分煙煤單顆粒著火燃燒行為進行試驗[3]。通過三色高溫計獲得溫度-時間曲線和高速相機觀察到的演變圖像，高階煤(無煙煤和半無煙煤)在顆粒表面發(fā)生異相著火，煙煤發(fā)生氣相均相著火。隨著煤階升高，著火溫度升高；隨著氧濃度升高，著火溫度降低。煙煤的點火燃燒分為2個階段，首先脫揮發(fā)分，氣相揮發(fā)分著火形成發(fā)光的包圍顆粒氣相火焰，火焰熄滅后焦炭殘渣發(fā)生著火和燃燒(圖3)。相反，高階煤在顆粒表面發(fā)生異相著火燃燒。當背景氣氛空氣中的N2用CO2替換時，燃燒強度和燃燒溫度降低，延長了顆粒的燃盡時間。在O2/N2和O2/CO2氣氛下，揮發(fā)分火焰燃盡時間隨著揮發(fā)分含量線性增長。焦炭燃盡時間隨煤中含碳量增加呈線性或二次遞增，取決于背景煙氣中的氧濃度。在O2/N2和O2/CO2氣氛下，對煙煤、次煙煤、褐煤著火特性進行研究[4]，發(fā)現(xiàn)相比于快速加熱的O2/N2，O2/CO2氣氛下煤粉顆粒著火延遲明顯延長。褐煤顆粒在著火前常發(fā)生破碎，增加了褐煤在O2/N2和O2/CO2氣氛下異相著火可能性。在O2/N2和O2/CO2氣氛下，評價氧氣摩爾分數(shù)(20%～100%)對單顆粒煤粉顆粒燃燒行為影響[8]。增加空氣氣氛中氧氣摩爾分數(shù)時，火焰和焦炭表面溫度增加，燃盡時間縮短，顆粒燃燒更加劇烈，顆粒周圍揮發(fā)分火焰更加靠近煤粉顆粒。增加O2/CO2氣氛中氧氣摩爾分數(shù)時，增加了燃燒的可能性和燃燒強度。Shaddix等[10]采用單顆粒成像技術(shù)，分析了煙煤和次煙煤在1 700 K、12%～36%氧氣濃度、O2/N2和O2/CO2氣氛下著火和脫揮發(fā)分特性。煙煤顆粒圖像呈現(xiàn)大的、熱的碳煙云輻射，其大小和形狀隨氧濃度而變化，幾乎不隨O2/N2和O2/CO2氣氛變化。次煙煤顆粒脫揮發(fā)分時呈現(xiàn)出冷的、小的輻射信號，和顆粒引入時具有相同大小。CO2稀釋劑減緩了著火開始以及增加脫揮發(fā)分持續(xù)時間，氧濃度升高時，著火延遲和脫揮發(fā)分時間減小。CO2稀釋劑對煤粉顆粒著火影響主要是由于較高的摩爾比熱和傾向于減少局部自由基的作用。在CO2混合物中，揮發(fā)分質(zhì)量擴散率較低，因此CO2氣氛降低脫揮發(fā)率。氧氣對煤粉顆粒著火影響主要是由于氧氣對局部混合物反應(yīng)性的作用。氧氣濃度升高時，增加氧氣到揮發(fā)分火焰質(zhì)量通量，因此增加了脫揮發(fā)率。

圖2 試驗原理和診斷設(shè)備[3]

圖3 中揮發(fā)分煙煤單顆粒的高速高分辨率圖像[3]

圖4 流動反應(yīng)器原理和典型的10 kHz單顆粒OH-PLIF圖像[11]

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出多種燃燒診斷技術(shù)。平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)診斷技術(shù)是一種原位非接觸式測量手段，對火焰沒有任何干擾，具有高時間、空間分辨率。高速相機和自發(fā)輻射診斷方法只能從外部獲得煤粉顆粒燃燒特征，無法獲得內(nèi)部演變規(guī)律和機理，而平面激光誘導(dǎo)熒光診斷技術(shù)可獲得火焰內(nèi)部中間自由基OH、CH等分布規(guī)律，進而獲得煤粉顆粒周圍揮發(fā)分燃燒過程，從而深入解析煤粉顆粒著火和揮發(fā)分燃燒過程。K?ser等[11-12]首次采用10 kHz高速平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測量單顆粒煤粉邊界層內(nèi)的OH自由基，如圖4所示。通過OH分布識別火焰位置，區(qū)分揮發(fā)分和焦炭燃燒。在層流反應(yīng)器中對煤粉單顆粒脫揮發(fā)分、著火和燃燒過程進行試驗研究，采用反斯托克斯-拉曼光譜測量氣相火焰溫度，通過捕集10 kHz高速OH-PLIF圖像，可分辨出煤粉顆粒燃燒的反應(yīng)區(qū)和后反應(yīng)區(qū)，獲得煤粉顆粒燃燒連續(xù)時間演變序列圖像。揮發(fā)分燃燒時，可以通過OH信號觀察到顆粒周圍距顆粒表面一定距離的同軸擴散火焰，焦炭燃燒時，擴散火焰距離顆粒距離減小，最高OH信號出現(xiàn)位置距離顆粒表面較近。顆粒周圍揮發(fā)分反應(yīng)區(qū)主要受氧濃度影響，隨著氧濃度增加，混合物反應(yīng)性增加，反應(yīng)率和揮發(fā)分脫氣之間的平衡轉(zhuǎn)向距離顆粒表面更小的距離。由于較低的激光脈沖能量，視場有限，無法獲得揮發(fā)分燃燒過程。因此，K?ser等[13]采用OH-PLIF技術(shù)確定揮發(fā)分著火，采用化學(xué)發(fā)光圖像確定揮發(fā)分燃燒結(jié)束，通過2種技術(shù)結(jié)合獲得單顆粒周圍揮發(fā)分火焰燃燒過程。建立立體高分辨率背光照明系統(tǒng)來測量煤粉顆粒尺寸和形狀。通過3種光學(xué)診斷技術(shù)的結(jié)合，記錄單個顆粒著火和揮發(fā)分燃燒過程，同時測量揮發(fā)分燃燒時間、顆粒大小、形狀和速度等多個參數(shù)。隨著顆粒直徑增加，揮發(fā)分燃燒平均持續(xù)時間增大，并表現(xiàn)出明顯的離散性。著火延遲時間和揮發(fā)分燃燒時間依賴于顆粒大小和形狀的結(jié)論可以用來改善數(shù)值仿真的結(jié)果。駱發(fā)勝等[14]采用CO2激光點火和火焰自發(fā)輻射光譜，研究單顆粒生物質(zhì)和煤燃料燃燒過程堿金屬(K 和Na)的時空分布特性，分析不同氣氛對不同燃料燃燒過程堿金屬釋放的影響。

2 煤粉顆粒流的著火燃燒過程診斷

2.1 空氣和富氧氣氛下煤粉著火燃燒診斷

煤粉顆粒流著火燃燒過程與單顆粒煤粉著火燃燒過程具有本質(zhì)區(qū)別，單顆粒煤粉著火燃燒并不存在顆粒間傳熱傳質(zhì)以及顆粒碰撞等相互作用，只能作為基礎(chǔ)理論研究，與實際電站鍋爐煤粉燃燒有很大差異，而顆粒流的燃燒更接近于實際煤粉燃燒過程，在接近實際工業(yè)加熱速率以及反應(yīng)氣氛的條件下所獲得的試驗數(shù)據(jù)，對于實際電站鍋爐運行和設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義和參考價值。

圖5 光學(xué)攜帶流反應(yīng)器和粒徑、溫度光學(xué)測量系統(tǒng)[15]

李水清團隊在亨肯型平焰燃燒器上采用先進光學(xué)診斷技術(shù)對煤粉顆粒流層流火焰著火、揮發(fā)分燃燒、溫度測量開展大量試驗研究，并取得了豐碩成果。Yuan等[17]對環(huán)境溫度1 200～1 800 K、氧氣摩爾分數(shù)10%～30%下分散的煤粉顆粒流群燃火焰著火行為進行研究，給粉速率為0.07 g/min，采用高速相機拍攝煤粉火焰全光譜信號，通過歸一化信號曲線判斷著火延遲。隨著環(huán)境溫度從1 200 K增加到1 500 K和1 800 K，群燃火焰從異相著火向均相-異相聯(lián)合著火轉(zhuǎn)變。在異相和均相-異相聯(lián)合著火模式下，相比于褐煤，煙煤具有良好的碳反應(yīng)性，因此具有較低的著火延遲時間。低灰煙煤普遍比高灰煙煤著火延遲時間短。高溫1 800 K、低氧10% O2下高揮發(fā)分煤發(fā)生均相著火。最后建立瞬態(tài)模型，用于預(yù)測異相著火時間隨氧摩爾分數(shù)的變化。Yuan等[18]采用2種新型原位光學(xué)測量技術(shù)CH*化學(xué)發(fā)光和基于數(shù)碼單反相機的三色高溫計探究煤粉顆粒流脫揮發(fā)分和均相異相著火過程，如圖6所示。CH*化學(xué)發(fā)光信號通常會含有來自碳煙和焦炭等的熱輻射，參照用于氣相火焰中消除熾熱的碳煙顆粒干擾信號的方法[19]，采用CH*輻射帶附近中心波長420、430、440 nm多個濾光片來消除干擾的顆粒和碳煙輻射信號，獲得純凈CH*輻射信號來表征煤粉顆粒流脫揮發(fā)分過程。采用三色高溫計測量煤粉顆粒表面溫度，通過溫度曲線確定異相著火延遲時間。高溫1 500和1 800 K下，通過明顯的CH*輻射信號可以觀測到脫揮發(fā)分和均相著火過程，而1 200 K下在初始階段很難探測到CH*輻射信號，表明主要發(fā)生異相著火。在較高環(huán)境溫度下，脫揮發(fā)分過程開始更早，脫揮發(fā)分時間更短。氧摩爾分數(shù)增加對1 200 K溫度下異相著火有所改善，減少了著火延遲時間。在常規(guī)和富氧燃燒條件下，Yuan等[20]采用可見光探測技術(shù)和三色高溫計對煤粉顆粒流燃燒進行試驗和理論探究。在CO2環(huán)境下，無論是在異相著火模式還是異相為主的聯(lián)合模式下，著火延遲時間延長。在O2/CO2環(huán)境下焦炭燃燒表面溫度要比O2/N2環(huán)境下低，隨著環(huán)境溫度升高，2種氣氛下焦炭燃燒溫度差異增大。CO2氣氛下較低的O2擴散率、與CO2之間加強的吸熱碳反應(yīng)、較高的熱容共同導(dǎo)致了較低的焦炭表面溫度。在較高環(huán)境溫度下，這些因素協(xié)同促進了焦炭表面溫差增大。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)以優(yōu)越的特性和時間、空間分辨率在燃燒領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)為探測不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物OH、CH、NO等提供了可能，可得到純凈不受干擾的信號。Xu等[21]沿用亨肯型平面燃燒器，采用OH-PLIF診斷技術(shù)探究煤粉顆粒流著火和揮發(fā)分燃燒。通過OH信號分布表征不同環(huán)境條件下煤粉燃燒不同階段以及不同著火模式，定量測定了著火延遲時間和揮發(fā)分燃燒時間。著火模式從1 200 K下異相著火轉(zhuǎn)變?yōu)? 500/1 800 K高溫下均相-異相聯(lián)合著火，進一步到高溫低氧(1 800 K、0.1 O2)下均相著火。為建立一個可以成功預(yù)測環(huán)境對著火模式、著火延遲時間、揮發(fā)分燃燒時間影響的瞬態(tài)模型，Balusamy等[22]在21 kW實驗室規(guī)模的煤粉燃燒器上采用多種先進光學(xué)診斷技術(shù)研究旋流、湍流、富氧煤粉火焰的結(jié)構(gòu)，給粉速率為0.15、0.31、0.46 g/s，同時采用Mie散射和OH-PLIF診斷技術(shù)對顆粒群煤粉濃度分布和著火特性進行測量，研究氧化劑濃度、稀釋劑濃度和煤裝載率的影響，試驗裝置如圖7所示。Mie散射測量技術(shù)揭示了煤粉顆粒的二維空間分布，如圖8所示(r為顆粒流中心為起始點的半徑)。煤顆粒穿過火焰界面時立即脫揮發(fā)分，因此Mie散射信號幾乎消失。碳煙空間分布采用激光誘導(dǎo)白熾光LII方法捕獲。為了提供合適邊界條件和數(shù)據(jù)與CFD模型進行比較，采用二維激光多普勒測速技術(shù)LDV定量測量流場中速度分布，試驗設(shè)備如圖9所示(u、v、w為速度)。通過OH-PLIF圖像可以獲得各種O2/CO2組分下的反應(yīng)區(qū)和煤粉火焰結(jié)構(gòu)的變化。增加煤粉裝載率可以提高反應(yīng)速率，縮短燃燒時間。激光誘導(dǎo)白熾光測量結(jié)果表明，碳煙主要是在產(chǎn)物區(qū)殘留的煤顆粒尾跡中形成。針對湍流煤粉顆粒流著火及燃燒過程，日本大阪大學(xué)、京都大學(xué)、CRIEPI等機構(gòu)研究人員合作開展了大量光學(xué)診斷研究工作[23-26]，利用OH-PLIF、Mie scattering、PAHs-PLIF、LII、SDPA、LDV、Two-color pyrometry等多種光學(xué)測試技術(shù)，對煤粉射流火焰燃燒結(jié)構(gòu)、顆粒速度、碳煙生成過程等進行了系統(tǒng)研究。煤粉顆粒米氏散射、PAHs-LIF、碳煙的激光誘導(dǎo)白熾光多種測量的原理如圖10所示，在煤粉給粉率1.49×10-4kg/s、當量比6.09下，Hayashi等[23,27]采用米氏散射測量煤顆粒、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測量PAHs、激光誘導(dǎo)白熾光測量碳煙，通過對煤顆粒、PAHs、碳煙的同時測量探究碳煙瞬態(tài)生成過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)從2～3環(huán)多環(huán)芳烴通過較大多環(huán)芳烴形成煤煙需要很長時間。利用激光誘導(dǎo)白熾光和Mie散射成像技術(shù)同時測量了碳煙體積分數(shù)和煤粉顆?？臻g分布。Hwang等[24-26]利用陰影多普勒粒子分析儀(SDPA)、專門設(shè)計的接收光學(xué)(多色集成接收光學(xué)，MICRO)、雙色輻射高溫計、OH-PLIF和Mie散射分別測量了非球形煤粉顆粒速度和形狀、局部點的輻射、火焰溫度和火焰結(jié)構(gòu)。

圖6 亨肯型燃燒器上原位光學(xué)診斷裝置原理[18]

圖7 米氏散射和OH-PLIF診斷技術(shù)結(jié)合的試驗裝置[22]

圖8 煤粉顆粒的米氏散射圖像[22]

圖9 激光多普勒測速設(shè)備[22]

圖10 煤粉顆粒米氏散射、PAHs-LIF、碳煙的激光誘導(dǎo)白熾光多種測量的原理[27]

在煤粉鍋爐近燃燒器區(qū)，煤粉顆粒經(jīng)歷從還原到氧化環(huán)境的轉(zhuǎn)變。Adeosun等[28]首次對從還原到氧化環(huán)境下煤粉顆粒流著火進行基礎(chǔ)研究。采用高速攝像光學(xué)診斷技術(shù)探究顆粒粒徑和還原-氧化環(huán)境對顆粒流著火的影響。與單顆粒在高溫下異相著火研究不同的是，煤粉顆粒流在氧化環(huán)境下與粒徑無關(guān)，都為均相著火。氣體溫度從1 300 K升高到1 800 K時，著火延遲時間下降。1 300 K和1 800 K下，著火延遲并不是隨著顆粒粒徑單調(diào)變化。1 800 K氣體溫度環(huán)境下，還原-氧化環(huán)境下著火延遲并不受粒徑影響，著火延遲平均是氧化環(huán)境下的2倍。在1 300 K氣體溫度下，煤粉顆粒流的均相著火90 μm粒徑以下主要依賴于氧濃度，90 μm粒徑以上主要依賴于溫度。著火延遲主要由揮發(fā)分釋放率和局部氧濃度決定。在還原-氧化環(huán)境中的著火和焦炭燃盡時間要比氧化環(huán)境下長。

祁勝等[29]采用OH平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了不同湍流強度下煤粉顆粒群的著火及燃燒特性。隨著一次風(fēng)湍流強度增強，射流中煤粉顆粒擴散運動變得劇烈，火焰形態(tài)發(fā)生變化，著火距離顯著縮短。高琦等[30]采用激光誘導(dǎo)白熾光(LII)方法對煤粉燃燒初期碳煙生成過程進行診斷，揭示了煤粉燃燒初期煤粉點火、揮發(fā)分燃燒和碳煙生成過程的內(nèi)在聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)富氧燃燒條件對煤粉燃燒初期碳煙生成有抑制作用?？讘c恩等[31]基于彩色相機r、g波段利用雙色法測量燃煤顆粒溫度，燃煤顆粒溫度隨顆粒到噴嘴出口距離變化整體先升后降。

2.2 堿金屬和堿土金屬(AAEM)釋放遷移規(guī)律

在生物質(zhì)和低階煤燃燒中，堿金屬和堿土金屬(AAEM)的釋放導(dǎo)致爐膛和換熱面積灰、結(jié)焦以及腐蝕等嚴重問題，揮發(fā)性鈉釋放后在換熱面形成最初的黏性位，通過與氣相氯化物或硫化物反應(yīng)，在對流換熱表面形成最初的黏性沉積物，對表面造成嚴重損害[32]。此外，鈉和其他堿金屬、堿土金屬物種的釋放對煤燃燒過程中亞微米細顆粒的形成有重要作用，亞微米細顆粒是我國PM2.5嚴重污染的主要來源之一。目前，新疆準東地區(qū)已探明低階煤儲量是中國最豐富的煤礦之一，但煤中鈉含量非常高，制約其工業(yè)應(yīng)用。根據(jù)在線和離線測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)煤燃燒和氣化過程中堿金屬釋放的機理和動力學(xué)遵循Arrhennius釋放曲線[33-35]，但鈉的釋放動力學(xué)釋放在燃燒中依然未知。隨著技術(shù)進步，激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)被大范圍應(yīng)用到煤質(zhì)檢測及煤燃燒領(lǐng)域，為AAEM的燃燒釋放測量提供了可能。Yuan等[36]利用氣相和顆粒相的激發(fā)能量不同，開發(fā)出一種新的低強度激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)，用于區(qū)分燃燒過程中顆粒相或氣相中鈉的釋放行為。Wang等[37-39]提出一種多點激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)定量測定準東煤顆粒燃燒過程中氣相中的鈉濃度、表面溫度和顆粒直徑方法，如圖11所示(r′為徑向距離)。建立兩步動力學(xué)模型預(yù)測鈉在3個煤燃燒階段的釋放特征，與實際的鈉釋放曲線吻合較好。LIBS技術(shù)可完成短時間內(nèi)多元素同步測量，實現(xiàn)煤質(zhì)成分元素的快速定量預(yù)測，可應(yīng)用到煤質(zhì)成分的在線監(jiān)測，為鍋爐燃燒智能調(diào)控提供煤質(zhì)成分數(shù)據(jù)；同時煤燃燒中AAEM元素的遷移通過LIBS技術(shù)可實現(xiàn)在線測量，有利于研究AAEM元素燃燒遷移及細微顆粒物的生成。

圖11 多點激光誘導(dǎo)擊穿光譜試驗設(shè)備[39]

2.3 水蒸氣對煤粉著火燃燒的診斷

3 光學(xué)測量在煤粉燃燒和半焦混燃的應(yīng)用

哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所一直致力于煤粉燃燒火焰的光學(xué)診斷研究，開發(fā)出響應(yīng)頻率500～106Hz以上的高速OH-PLIF激光診斷系統(tǒng)，將多種光學(xué)測量手段應(yīng)用于層流煤粉燃燒和半焦混燒研究中，在煤粉單顆粒燃燒、煤粉與半焦混燃、火焰穩(wěn)定性、揮發(fā)分燃燒的振蕩特性等方面取得了突出成果。

在平焰攜帶流反應(yīng)器上采用500 Hz高速OH-PLIF捕捉單顆粒熱解半焦和神華煙煤的著火和揮發(fā)分演變過程的時序圖像[43]，給粉速率為1.9 g/h，獲得不同氧濃度下?lián)]發(fā)分火焰持續(xù)時間、揮發(fā)分火焰長度，隨著氧濃度增加，揮發(fā)分火焰持續(xù)時間和長度縮短。

在光學(xué)平焰攜帶流反應(yīng)器上，結(jié)合OH-PLIF、CH*化學(xué)發(fā)光、可見光、三色高溫計等多種光學(xué)診斷技術(shù)探究熱解半焦顆粒流的著火和燃燒特性、火焰結(jié)構(gòu)、顆粒溫度[43]。當環(huán)境溫度從1 600 K升高到1 800 K或環(huán)境氧濃度從5%升高到30%時，熱解半焦顆粒流著火延遲縮短。當氧濃度從20%升高到30%時，熱解半焦燃燒強度明顯增強，煤焦火焰中出現(xiàn)大量拖尾小碎片。氧濃度富集環(huán)境下，熱解半焦顆粒溫度和燃燒強度明顯提高。基于對熱解半焦的研究基礎(chǔ)，Qi等[44]在光學(xué)平焰攜帶流反應(yīng)器上(圖12)采用OH-PLIF和三色高溫計對熱解半焦和神華煙煤混合燃料共燃的著火和燃燒特性進行研究。發(fā)現(xiàn)混合燃料著火的協(xié)同作用主要是由于混合物的高揮發(fā)分含量和堿金屬、堿土金屬的催化作用，較高的火焰溫度和堿金屬、過渡金屬的催化作用促進混合物的燃盡。綜合考慮著火延遲和混合物的燃盡率，熱解半焦的最佳摻混比為20%。

圖12 光學(xué)攜帶流反應(yīng)器和OH-PLIF系統(tǒng)[44]

高速PLIF技術(shù)在研究煤粉火焰中具有優(yōu)勢。采用500 Hz高時間、空間分辨率的OH-PLIF技術(shù)探究煤粉顆粒流中同一顆粒的揮發(fā)分燃燒的發(fā)展過程，采用5 kHz高速、高分辨率的OH-PLIF技術(shù)探究同一顆粒的揮發(fā)分著火的時序演變過程，如圖13所示，通過二者的結(jié)合獲得煤粉顆粒流從著火到揮發(fā)分燃燒的時間特性[45]。通過對煤粉顆粒流中單顆粒的揮發(fā)分燃燒統(tǒng)計分析，劇烈燃燒大概率發(fā)生在10～15 ms，概率分布與煤粉顆粒的粒徑分布一致。從煙煤顆粒的著火時序圖像發(fā)現(xiàn)發(fā)生均相著火。

圖13 煤粉單顆粒5 kHz高速OH-PLIF的著火圖像[45]

采用OH-PLIF技術(shù)對煙煤和褐煤煤粉顆粒流燃燒火焰的脫揮發(fā)分和揮發(fā)分燃燒行為進行探究[46]。從捕獲的圖像可以看出高揮發(fā)分的煙煤和褐煤的著火主要是揮發(fā)分的燃燒。將揮發(fā)分的燃燒過程分為著火、加速燃燒、穩(wěn)定燃燒、微弱燃燒研究燃燒的相關(guān)性。提出采用OH信號徑向分布的相對標準偏差探究火焰穩(wěn)定性的方法，相同燃燒條件下，煙煤煤粉顆粒流燃燒的穩(wěn)定性要高于褐煤。褐煤的揮發(fā)分燃燒對溫度和氧濃度更加敏感，褐煤的揮發(fā)分釋放率高于煙煤。

基于OH-PLIF和CH*化學(xué)發(fā)光診斷技術(shù)，提出一種用于探究煤粉顆粒流中顆粒揮發(fā)分燃燒振蕩特性的方法-動態(tài)模態(tài)分解方法(DMD)[47]。獲得揮發(fā)分火焰的形態(tài)以及動態(tài)演化和煤粉火焰的振蕩頻率特性，如圖14所示。隨著氧濃度的增加，發(fā)生主頻譜的紅移現(xiàn)象。隨著氧濃度的增加，熱釋放增強，揮發(fā)分火焰振蕩增強。顆粒的聚集可能導(dǎo)致煤粉揮發(fā)分燃燒的低頻振蕩。相反，單獨或分離的顆粒燃燒會產(chǎn)生較大的振蕩頻率。

圖14 OH-PLIF圖像的瞬時、平均和DMD主要模式[47]

高速PLIF技術(shù)在研究煤粉火焰中具有很大優(yōu)勢。但由于激光脈沖能量低，視場通常會受到限制。當研究煤粉顆粒流燃燒需要更大的視場時，可以適當降低信噪比和空間分辨率或通過降低幀頻來實現(xiàn)。目前，PLIF技術(shù)很難實現(xiàn)定量測量，如何通過熒光信號和物種的量的關(guān)系實現(xiàn)定量測量將是未來研究趨勢。未來將引入多物種(CH/NO/CH2O/OH-PLIF)的高速PLIF測量技術(shù)，深入探索煤粉燃燒火焰的關(guān)鍵性科學(xué)問題。煤燃燒是一個復(fù)雜的氣固兩相流反應(yīng)過程，AAEM的釋放在空間范圍內(nèi)進行，然而LIBS技術(shù)是單點測試技術(shù)，在線分析中需要額外設(shè)計移動裝置，限制了其技術(shù)的應(yīng)用范圍；另一方面LIBS激發(fā)的等離子體屬于極不穩(wěn)定的物質(zhì)，試驗誤差較大，涉及LIBS技術(shù)的定量計算需要考慮較多參數(shù)，未來LIBS技術(shù)發(fā)展需要更穩(wěn)定的激發(fā)源，更精密的測量設(shè)備，以獲取更精準的試驗結(jié)果。

對本文中所提及的被測信息、激光波長、光學(xué)濾波片型號、光譜收集儀器等測量系統(tǒng)關(guān)鍵信息進行總結(jié)，具體見表1。

表1 多種光學(xué)測量技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)語及展望

1)隨著光學(xué)診斷技術(shù)的快速發(fā)展，高速成像、激光多普勒測速(LDV)、米氏散射(Mie)、OH平面激光誘導(dǎo)熒光(OH-PLIF)、雙色/三色高溫計、激光誘導(dǎo)白熾光(LII)等多種技術(shù)被應(yīng)用于煤粉單顆粒及顆粒群火焰的結(jié)構(gòu)、溫度、速度、著火、揮發(fā)分燃燒、濃度等重要參數(shù)測量中，獲得定性和一部分定量的試驗結(jié)果，為數(shù)值模擬及模型驗證等提供了重要的試驗數(shù)據(jù)，極大促進了煤炭燃燒機理的深入探究。

2)哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所將高速OH-PLIF激光診斷、CH*自發(fā)輻射、三色高溫計等多種光學(xué)測量手段應(yīng)用于層流煤粉燃燒和半焦混燒研究中，在煤粉單顆粒燃燒、煤粉與半焦混燃、火焰穩(wěn)定性、揮發(fā)分燃燒的振蕩特性等方面取得了突出成果：① 采用OH-PLIF和三色高溫計對熱解半焦和神華煙煤混合燃料共燃的著火和燃燒特性進行研究。綜合考慮著火延遲和混合物的燃盡率，熱解半焦的最佳摻混比為20%，為熱解半焦的實際工業(yè)應(yīng)用提供了參考。② 同時采用500 Hz、5 kHz高時間、空間分辨率的OH-PLIF技術(shù)探究煤粉顆粒流中同一顆粒的揮發(fā)分燃燒的發(fā)展過程和揮發(fā)分著火的時序演變過程，通過二者的結(jié)合獲得煤粉顆粒流從著火到揮發(fā)分燃燒的時間特性。③ 采用OH-PLIF技術(shù)研究煙煤和褐煤煤粉顆粒流燃燒火焰的脫揮發(fā)分和揮發(fā)分燃燒行為。提出采用OH信號徑向分布的相對標準偏差探究火焰穩(wěn)定性的方法。相同燃燒條件下，煙煤煤粉顆粒流燃燒的穩(wěn)定性要高于褐煤。④ 基于OH-PLIF和CH*化學(xué)發(fā)光診斷技術(shù)，提出一種用于探究煤粉顆粒流中顆粒揮發(fā)分燃燒振蕩特性的方法——動態(tài)模態(tài)分解方法(DMD)，獲得揮發(fā)分火焰的形態(tài)以及動態(tài)演化和煤粉火焰的振蕩頻率特性。隨氧濃度增加，揮發(fā)分火焰振蕩增強。顆粒聚集可能導(dǎo)致煤粉揮發(fā)分燃燒的低頻振蕩。相反，單獨或分離的顆粒燃燒會產(chǎn)生較大振蕩頻率。

3)高速PLIF技術(shù)在研究煤粉火焰中有很大優(yōu)勢。但由于激光脈沖能量低，視場通常會受到限制。大能量、高幀頻的激光診斷技術(shù)是目前的發(fā)展方向，可實現(xiàn)更高時間、空間分辨率的光學(xué)測量。目前，PLIF技術(shù)很難實現(xiàn)定量測量，如何通過熒光信號和物種的量的關(guān)系實現(xiàn)定量測量是未來研究趨勢。

4)煤燃燒是一個復(fù)雜的氣固兩相流反應(yīng)過程，AAEM的釋放在空間范圍內(nèi)進行，然而LIBS技術(shù)是單點測試技術(shù)，限制了LIBS技術(shù)的應(yīng)用范圍；另一方面LIBS激發(fā)的等離子體屬于極不穩(wěn)定的物質(zhì)，試驗誤差較大。未來LIBS技術(shù)發(fā)展需要更穩(wěn)定的激發(fā)源，更精密的測量設(shè)備，以實現(xiàn)AAEM釋放空間范圍內(nèi)的在線定量測量。

5)盡管學(xué)者采用多種光學(xué)診斷測量技術(shù)對煤粉燃燒火焰進行了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用性試驗研究，但煤炭清潔燃燒中很多關(guān)鍵問題還未得到全面剖析。因此，未來將開發(fā)出更加多元有效的光學(xué)診斷技術(shù)，實現(xiàn)多種診斷技術(shù)的結(jié)合和定量測量，應(yīng)用于煤炭清潔燃燒領(lǐng)域，對煤炭燃燒的著火燃燒特性、污染物排放、富氧和高水蒸氣燃燒、堿金屬的釋放等多類型燃燒問題深入探究，實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用。