粉塵-CO/H2雜混合物爆燃特性研究*

劉原一,李文廣,譚厚章,張 蘭,王學斌

(1.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室,陜西西安710049; 2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院,河南鄭州450008)

粉塵-CO/H2雜混合物爆燃特性研究*

劉原一1,李文廣2,譚厚章1,張 蘭2,王學斌1

(1.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室,陜西西安710049; 2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院,河南鄭州450008)

實驗研究了半開放環(huán)境下煤粉-CO/H2雜混合物中粉塵種類、粒徑、質(zhì)量濃度對其爆燃特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:雜混合物中粉塵顆粒對爆燃特性的影響主要是揮發(fā)分析出吸熱和揮發(fā)分參與反應兩種作用相互競爭的結(jié)果。對于高揮發(fā)分煤粉,揮發(fā)分析出參與反應占主要地位,混合物的爆燃強度隨著揮發(fā)分含量升高而逐漸升高;對于低揮發(fā)分煤粉,揮發(fā)分析出的吸熱作用大于揮發(fā)分參與反應的作用,導致了爆燃強度的降低。對于銀北煤等普通煙煤,隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加,混合物的爆燃強度呈U型變化趨勢;對于低揮發(fā)分的焦炭粉末,其爆燃強度隨粉塵質(zhì)量濃度的變化不明顯。

爆燃;粉塵;一氧化碳;氫氣;鍋爐

王育德等[2]、曲志明等[3]和畢明樹等[4]通過對甲烷-煤粉混合爆燃實驗研究,發(fā)現(xiàn)當煤粉加入量較少時,混合物爆壓、爆速很低,處于爆燃狀態(tài),而當煤塵質(zhì)量濃度升高至368 g/m3時,煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定爆轟;在一定粒徑范圍內(nèi),爆壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著煤塵粒度的減小而增大;在最優(yōu)配比條件下,與單一甲烷空氣或煤塵空氣混合物相比,甲烷煤塵空氣混合物的爆壓和爆速明顯增加。劉義等[5]和張引合等[6]分別研究了甲烷-煤塵混合系爆燃下限的變化規(guī)律,結(jié)果表明增大甲烷在整個混合系中配比或者煤塵中揮發(fā)分的含量,煤塵的爆燃下限明顯會降低;而煤塵粒徑對爆燃下限則影響較小。Y.F.Khalil[7]研究混合有活性炭的灰在氫氣/空氣的混合物中爆燃參數(shù)的影響,結(jié)果顯示:所有灰與氫氣濃度配比下的混合物所產(chǎn)生的爆燃壓力和最大壓力上升速率均大于單純的氫氣/空氣混合物爆燃參數(shù)。D.Castellanos等[8]研究了不同粒度分散性對鋁粉塵爆燃強度的影響,發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi),粒度分散性越高,爆燃超壓越高。

由以上可見,針對甲烷-煤粉這一雜混合物的爆燃特性已經(jīng)有了較為細致的研究成果,然而針對冷灰斗區(qū)域環(huán)境中CO/H2氣體和煤粉、焦炭粉、粉煤灰等粉塵雜混合物的爆燃特性尚缺乏細致的實驗數(shù)據(jù)。因此本文中將對不同粉塵種類、粒徑、質(zhì)量濃度對CO/H2爆燃特性的影響進行實驗研究。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)為立式爆燃試驗臺,包含配氣系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、爆燃管腔和測量系統(tǒng)5個部分,如圖1所示。為了與實際爐膛中的環(huán)境盡可能相似,本實驗采用半開放的實驗管腔,其上段尺寸為?42 mm×1 000 mm,壁厚3 mm,下段管腔尺寸為?60 mm×1 000 mm,壁厚為3.5 mm,兩段無重合部分。管腔下半段均勻布置3個DYTRAN-1 300 V壓電式壓力傳感器,從上到下編號依次為A、B、C,傳感器采樣頻率為500 k Hz,靈敏度為1.45μV/Pa(±5%)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DEWE-1201便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),最高采樣率為100 k Hz。

1.2 實驗準備

通過調(diào)節(jié)各氣體組分的體積流量對管內(nèi)混合氣的當量比例進行控制,混合氣總流量為1 L/s。為使混合氣濃度均勻,在實驗管道前安裝一段混合格柵,實驗前對混合格柵后的氣體質(zhì)量濃度進行標定以確保混合均勻。管道內(nèi)送氣1 min后開啟微量螺旋給粉機送粉,并持續(xù)送粉至實驗結(jié)束。通過觀察,送粉1 min后,管內(nèi)粉塵可以達到均勻分布。此時點火并記錄實驗數(shù)據(jù)。

(4)基于J-T模型計算表明，兩種C-S-H凝膠均隨礦渣摻量的增加而增加，當?shù)V渣摻量超過54.4%時，總的C-S-H凝膠不再變化，兩種凝膠的相對比例也不隨礦渣摻量而變化。

實驗中采用“弱點火”,在該點火條件下可以實現(xiàn)雜混合物中氣相組分的直接爆燃,又不會產(chǎn)生爆轟或者固相組分的直接著火,這與本研究背景下的實際著火情況更為接近。

1.3 實驗工況

考慮到鍋爐爐膛環(huán)境中的實際情況,雜混合物中加入體積分數(shù)為10%的CO2作為稀釋氣體,CO/ H2與空氣中的O2按照化學當量比混合。

1.3.1 粉塵種類對爆燃特性的影響

為了研究粉塵種類對氣體-粉塵雜混合物爆燃特性的影響規(guī)律,本實驗選取3種煤粉、1種粉煤灰和1種焦炭粉作為實驗樣品。5種粉塵的工業(yè)分析如表1所示,焦炭粉是利用銀北煤為原料,在N2環(huán)境和1 300℃條件下通過沉降爐制備得到。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment system

表1 實驗用煤粉的工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of the coal sample

1.3.2 粉塵粒徑對爆燃特性的影響

對電站鍋爐冷灰斗區(qū)域進行粉塵取樣并對其進行粒徑分析,實驗中根據(jù)分析結(jié)果選取50～80、80～160和160～200μm三種粒徑范圍作為實驗工況。

1.3.3 粉塵質(zhì)量濃度對爆燃特性的影響

冷灰斗區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度在10～20 g/m3左右,故本實驗中設定粉塵質(zhì)量濃度范圍為3～35 g/m3。

2 結(jié)果與分析

雜混合物典型爆燃特性曲線如圖2所示,由圖可見雜混合物在點火后會直接形成迅速上升的爆燃波,通過分析波峰可得到相應的爆燃超壓,最大壓力上升速度和爆燃波傳播速度等。

2.1 粉塵種類對爆燃強度的影響

圖3所示為粉塵種類對雜混合物爆燃超壓和最大壓力上升速率的影響規(guī)律。圖3(a)中的5種粉塵顆粒粒徑均為50～80μm,揮發(fā)分含量從左到右依次降低。對于含粉煤灰的雜混合物,其爆燃超壓與純氣體工況相似,可維持較高的爆燃強度水平,而揮發(fā)分含量較低的焦炭粉會使雜混合物的爆燃強度降低。對比3種煤粉,隨著揮發(fā)分含量逐漸升高,混合物的爆燃超壓也逐漸增強。此外不論何種粉塵, A、B、C三個測點(如圖1所示)的爆燃超壓均先升高后降低,這表明爆燃壓力在管腔內(nèi)先聚集后釋放的過程。

圖2 雜混合物爆燃壓力-時間關系Fig.2 Deflagration overpressure-time curves

圖3 不同粉塵作用下雜混合物爆燃強度Fig.3 Deflagration severity on different dust-CO/H2hybrid mixtures

對后三種粉塵最大壓力上升速率進行分析如圖3(b)所示,其變化規(guī)律與爆燃超壓相似,粉煤灰作用下的氣體爆燃最大壓力上升速度最高,約為180 MPa/s,焦炭粉次之,而煤粉最低,約65 MPa/s。不同于爆燃超壓,三個測點的最大壓力上升速率依次升高。

不同粉塵種類對CO/H2雜混合物爆燃強度的影響主要由粉塵揮發(fā)分含量的不同所引起。當揮發(fā)分含量很低時,如粉煤灰,其在爆燃過程中幾乎沒有揮發(fā)分的析出,用于揮發(fā)分析出的熱量也很少,從而可使雜混合物的爆燃強度維持在較高的水平;對于含有一定揮發(fā)分但含量又不高的粉塵,如本試驗中的焦炭粉和銀北粉煤,爆燃過程中揮發(fā)分的析出會吸收大量的熱量,但是析出的揮發(fā)分重新參與反應又不足以彌補熱量損失,從而導致雜混合物爆燃強度降低;隨著揮發(fā)分含量繼續(xù)升高,相比吸熱作用,大量析出的揮發(fā)分重新參與反應開始占據(jù)優(yōu)勢地位,混合物的爆燃超壓又逐漸升高。

2.2 粉塵粒徑對爆燃強度的影響

圖4所示為不同煤粉粒徑對混合物爆燃超壓和最大壓力上升速率的影響。由圖4可見,對于銀北煤,在本試驗研究的粒徑范圍內(nèi),混合物的爆燃超壓和最大壓力上升速率均隨著粉塵粒徑的減小而降低。銀北煤揮發(fā)分含量適中,其組成的雜混合物在爆燃過程中揮發(fā)分析出吸熱占優(yōu)勢地位。此時顆粒粒徑越小,其比表面積越大,在極短的爆燃反應過程中,揮發(fā)分越容易快速的析出,吸收的熱量也越多,從而對雜混合物爆燃強度的影響也越明顯。

胡雙啟等[9]在研究超細煤粉在密閉管道內(nèi)的爆燃特性時發(fā)現(xiàn),隨著粒徑的減小,爆燃產(chǎn)生的壓力及壓力上升速率都將增大。這是因為一方面本研究所用的粉塵粒徑相比超細粉塵要大得多,這時雜混合物在弱點火條件下的爆燃主要是由混合物中氣相可燃物的點燃所引爆的,粉塵顆粒處于被點燃的狀態(tài),這與粉塵直接起爆的機理并不相同。另一方面,由于半開放的試驗管腔,粉塵受熱析出的部分揮發(fā)分并沒有來得及參與爆燃反應就已經(jīng)被沖擊波壓出管腔之外,導致了能量的損失。這是與爐膛內(nèi)實際情況相似的,也是本試驗爆燃超壓較低的原因之一。

圖4 煤粉粒徑對雜混合物爆燃強度影響Fig.4 Influence of particle size on deflagration severity

2.3 粉塵質(zhì)量濃度對爆強度性的影響

各種類粉塵-CO/H2雜混合物的爆燃最大壓力上升速率隨粉塵質(zhì)量濃度變化關系如圖5所示。對于粒徑為50～80μm的煤粉顆粒,隨著管腔內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度從4 g/m3升高到34.1 g/m3,混合物爆燃超壓先降低后升高。當粉塵質(zhì)量濃度為15 g/m3時,爆燃最大壓力上升速率達到最小值,約3.2 MPa/s;而對于粒徑范圍為80～160μm的煤粉顆粒,隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加,混合物的爆燃超壓同樣呈先下降后上升的U型曲線趨勢,在11.5 g/m3左右時達到最小值約4.1 MPa/s。圖5(c)為在粒徑為50～80μm的焦炭粉作用下爆燃超壓隨粉塵質(zhì)量濃度的變化情況,可見隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加,最大壓力上升速率存在波動但并沒有明顯的變化趨勢。

最大壓力上升速率這種先下降后上升的變化規(guī)律是因為在粉塵質(zhì)量濃度較低時,爆燃過程中析出揮發(fā)分所需的熱量較少,氣體燃燒釋放的熱量可使爆燃強度維持在較高的水平;而當粉塵質(zhì)量濃度增大到一定程度后,盡管粉塵顆粒在析出揮發(fā)分的過程中吸收一定的熱量,但揮發(fā)分本身參與爆燃反應又在一定程度上維持了總體混合物的爆燃強度。這兩種作用相互競爭,使得壓力峰值隨粉塵質(zhì)量濃度的增加呈U型曲線變化。50～80μm煤粉作用曲線的極小值點相比80～160μm煤粉作用曲線的極小值點出現(xiàn)在更高的粉塵質(zhì)量濃度處,這說明在揮發(fā)分析出和揮發(fā)分自身參與爆燃的競爭關系中,揮發(fā)分析出的吸熱作用占優(yōu)勢。而焦炭粉作用曲線不明顯的變化規(guī)律是由于焦炭粉中揮發(fā)分含量很低,上訴兩種競爭關系均很弱所致。

2.4 粉塵對氣體爆燃下限的影響

圖6為在CO2體積分數(shù)為10%條件下,50～80μm的粉塵種類對H2爆燃下限的影響規(guī)律。由圖6可見,相比純氣體條件,煤粉的加入使得混合氣體的爆燃下限略有上升,灰分的加入對爆燃下限的影響幾乎沒有,而焦炭粉的加入使得混合物的爆燃下限有較為明顯的降低。這說明,相比煤粉和粉煤灰,焦炭粉的加入使得混合物更容易進入爆燃區(qū)域。這是因為在火花塞點火起爆的過程中,隨著煤粉的加入,揮發(fā)分析出的吸熱降低了火花塞電極間的熱量積累,從而升高了爆燃下限。而焦炭粉多孔的結(jié)構可以促進電極間的熱量累積,從而在一定程度上降低爆燃下限。粉煤灰揮發(fā)分很低且不存在多孔的形態(tài)結(jié)構,因而對爆燃下限的影響很小。

圖7所示為煤粉粒徑對爆燃下限的影響規(guī)律。由圖可見,相比單純的可燃性氣體,不同粒徑煤粉作用下的雜混合物的爆燃下限均略有升高。對比三種粒徑,160～200μm的銀北煤粉對混合物爆燃下限的影響最小,這是因為在這種較大的煤粉粒徑下,粉塵幾乎來不及參與反應。粒徑較小的50～80μm銀北煤樣,在點火過程中,擁有很低點火能的揮發(fā)分的快速析出,這些揮發(fā)分明顯的降低了混合物的最低點火能,增加了其爆燃的可能性,因而雖然有不少熱量被吸收,但混合物的爆燃下限幾乎保持不變。而80～160μm的煤粉粒徑介于上述兩者之間,少量揮發(fā)分的析出吸收了熱量但又不足以降低混合物的最低點火能,因而其爆燃下限最高。

圖6 粉塵種類對爆燃下限的影響Fig.6 Influence of dust category on lower deflagration limit

圖7 煤粉粒徑對爆燃下限的影響Fig.7 Influence of coal particle size on lower deflagration limit

3 結(jié) 論

在半開放弱點火條件下,粉塵顆粒對氣體爆燃特性的影響如下:

(1)粉塵對雜混合物爆燃特性的影響主要是由于粉塵中揮發(fā)分析出吸熱和重新參與爆燃反應兩種作用相互競爭的結(jié)果。對高揮發(fā)分煤粉,揮發(fā)分析出參與反應占主導,增大爆燃強度;而對低揮發(fā)分煤粉,顆粒的吸熱作用占主導,降低爆燃強度;

(2)對于銀北煤,隨著粒徑減小到50μm,混合物的爆燃強度逐漸減弱,隨著粉塵濃度從3 g/m3增加到35 g/m3,混合物的爆燃強度先降低后升高;而大于160μm的煤粉顆粒對混合物的爆燃強度幾乎沒有影響;對于無揮發(fā)分的焦炭粉、飛灰顆粒,其爆燃強度隨粉塵濃度的變化不明顯;

(3)在相同粒徑條件下,對于易揮發(fā)分細煤粉,混合物的爆燃強度會隨著揮發(fā)分含量的升高而升高,但低揮發(fā)分含量的焦炭顆粒會降低其爆燃強度;

(4)在相同粒徑條件下,細煤粉使混合物爆燃下限略有升高,焦炭粉可降低爆燃下限,而粉煤灰爆燃下限其影響不大,這分別是由于煤粉揮發(fā)分析出吸熱和焦炭多孔結(jié)構減小了電極間散熱所導致。

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Experimental study on deflagration parameters of dust-CO/H2hybrid mixture

Liu Yuanyi1,Li Wenguang2,Tan Houzhang1,Zhang Lan2,Wang Xuebin1
(1.MOE Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,Shaanxi,China;2.Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing,Zhengzhou450008,Henan,China)

In the present work,we carried out an experimental study of the influence of the coal dust categories,concentration and particle size on the coal dust-CO/H2hybrid mixture's deflagration characteristics in a semi-open environment.The results indicate that the influence of the dust on the hybrid mixture's deflagration is mainly the outcome of the competitive relation between two opposite effects,the heat absorption for volatile releasing and the reaction of the released volatile.For the high volatile coal dust,the deflagration reaction of the released volatile dominates,which makes the deflagration severity gradually rise with the rising of the volatile content;while for the low volatile coal dust,the heat absorption for the volatile dominates,which reduces the deflagration severity.For bitumite like the Yinbei coal,with the increase of the dust concentration,the deflagration severity varies with a U-shaped tendency,while for the coke dust with a low volatile content,the change of the deflagration severity with the dust concentration is not obvious.

deflagration;dust;carbon monoxide;hydrogen;boiler

O389;TK16國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2016)05-0215-06

(責任編輯 王小飛)

2015-07-02;

:2016-01-04

國家自然科學基金項目(51376147);國家自然科學基金青年科學基金項目(51406149)

劉原一(1990- ),男,博士;

:譚厚章,tanhz@mail.xjtu.edu.cn