多噴嘴對置式氣化爐內顆粒揮發分火焰可視化研究

2021-04-09 06:48:44劉潔妤龔巖吳曉翔郭慶華于廣鎖王輔臣

化工學報 2021年3期

劉潔妤，龔巖，吳曉翔，郭慶華，于廣鎖，王輔臣

（華東理工大學潔凈煤技術研究所，上海200237）

引言

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術屬于撞擊氣流床氣化技術，具有單爐處理量大、碳轉化率高、運行穩定安全等優勢，已成為現代煤化工產業主流煤氣化技術之一[1]。多噴嘴對置式氣化爐通過兩兩對置的噴嘴，輸送水煤漿進入爐內氣化成合成氣。水煤漿經噴嘴霧化成不同粒徑分布的水煤漿液滴，煤漿液滴蒸發后形成的顆粒在高溫、多相流動的還原性氣氛下運動、破碎并發生化學反應[2]，而在噴嘴射流區顆粒與氧氣反應形成高溫火焰，研究顆粒的揮發分燃燒過程對了解真實氣化環境和復雜流場中顆粒的反應特性具有重要意義。

煤的氣化經歷顆粒加熱、揮發分析出與燃燒、焦炭燃燒與氣化和灰演變等過程[3]。前人對煤顆粒燃燒、揮發分燃燒特性進行了諸多研究，指出煤顆粒著火模式、揮發分火焰形態和燃燒時間等演化行為與反應環境[4-7]和原料性質[8-9]等因素密切相關，如反應溫度、燃燒氣氛、煤階、顆粒粒徑和水煤漿成分等。Khatami 等[10-11]對比粒徑為75～150 μm 的不同煤階煤顆粒在相同操作條件下的燃燒行為，發現無煙煤和大多數半無煙煤發生非均相著火，煙煤顆粒發生均相著火，隨著煤級降低至褐煤，著火模式變為異質聯合著火，隨著顆粒粒徑的增大，煤顆粒趨向均相燃燒。Riaza 等[12]基于數字成像技術研究單顆粒的點燃和燃燒行為，發現較高揮發分的煙煤顆粒在氣相中均勻點燃，隨煤中揮發分含量增加，揮發分燃盡時間線性增加。在相同氧濃度氣氛中，煤在N2中比在CO2氣氛中燃燒得更熱更快。Zhang等[13]基于數字成像技術研究在不同燃燒氣氛中，不同煤階煤顆粒的燃燒過程，對比煤顆粒在空氣中燃燒，煙煤顆粒在21%O2/79%CO2氣氛中沒有觀察到劇烈氧化或揮發分火焰的形成，但改變氣氛對褐煤顆粒燃燒現象無顯著影響。Lee 等[14-15]基于數字成像技術研究煤顆粒在管式爐中的燃燒行為，發現在相對較低的氧氣濃度下，揮發物最初在煤顆粒周圍釋放，火焰不明亮且立即伸長，顯示出長揮發分尾跡，隨著氧氣濃度增加，煤顆粒傾向于在幾乎同心的揮發分火焰中以高強度燃燒。Wu 等[16]使用數字在線全息技術對燃燒的煤顆粒進行成像，研究其揮發分燃燒行為，發現揮發性火焰的長度瞬間變化取決于煤粒度、局部氣流流速和氧碳比，以及燃燒煤顆粒的不同狀態等參數。Adeosun 等[17]運用高速攝影技術研究煤顆粒點火過程，發現煤顆粒脫除的揮發分物質會消耗氧氣，形成局部還原區，后其他煤顆粒經還原-氧化環境相互作用，影響其著火行為。

煤顆粒的燃燒過程十分復雜，較多學者通過對煤顆粒燃燒進行數值模擬以探究燃燒行為機理。Kreitzberg 等[18]基于簡化的吸附/解吸機理建立了非均相氣固反應的顆粒燃燒模型，探究燃燒和氣化氣氛中顆粒粒徑的變化，發現氣化過程中顆粒直徑減小不如燃燒過程中明顯。Tufano 等[19-20]通過直接數值模擬方法研究了在粒子邊界層為層流和湍流條件時空氣中煤顆粒揮發分燃燒行為，發現在低粒子Reynolds數下，單粒子揮發分包絡火焰幾乎呈球形，隨著Reynolds數增加，揮發分火焰完全不包裹顆粒，形成揮發分尾跡。

運用可視化技術[21-23]在氣化爐外對燃料燃燒特性的研究已有許多。Levendis 等[24]采用三色測溫、高速高分辨率攝影法，比較不同煤種的燃燒特性差異。Yuan等[4]運用數字成像技術、CH*化學發光和三色測溫法，研究煤顆粒脫揮發分的均相和非均相點火行為。葉宏程等[25]基于乙醇荷電噴霧對沖燃燒器，利用數字攝像機拍攝無水乙醇霧化、火焰形態并記錄火焰溫度變化，研究不同當量比、應變率對火焰形態和溫度的影響。Gong 等[26]和Zhang 等[27]在多噴嘴對置式氣化爐內運用高速相機等裝置獲得了氣化爐內顆粒物高速運動圖像，并歸納氣化爐內顆粒類型及其轉化關系，但未對顆粒氣化反應特性做進一步的研究。本研究在此前研究基礎上，基于實驗室規模的多噴嘴對置式氣流床水煤漿氣化爐研究平臺，運用高溫內窺鏡及高速相機等裝置組成的可視化成像系統，對噴嘴平面非射流區的煤顆粒揮發分反應過程開展實驗研究，探索在氣化條件下煤顆粒揮發分火焰燃燒特性。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

圖1是多噴嘴對置式水煤漿氣化爐和可視化裝置。氣化爐主要由上部氣化室和下部激冷室兩部分組成。氣化爐外層為不銹鋼殼體，內層為剛玉耐火層，內外層之間填充陶瓷纖維保溫棉。兩對同軸雙通道水冷噴嘴水平對置安裝于氣化室中上部區域，在氣化室直筒段設置多組熱電偶用于監測氣化爐不同軸向位置的溫度。氣化室頂部中心和噴嘴平面兩噴嘴中間開孔置入配有冷卻水夾套和氬氣吹掃系統的高溫內窺鏡，配合高速相機等設備，在爐頂對氣化爐內燃燒情況進行實時監控，并且對噴嘴平面顆粒反應過程進行記錄。通過柴油和氧氣燃燒產生的熱量進行烘爐，當氣化爐被預熱至1473～1573 K 時，將噴嘴的柴油切換為水煤漿，環隙高速氧氣對內通道水煤漿進行剪切和霧化，發生燃燒和氣化反應。

圖1 多噴嘴對置式水煤漿氣化爐和可視化裝置Fig.1 Schematic diagram of opposed multi-burner coal-water slurry entrained-flow gasifier and visualization device

本研究中配用了兩組成像系統：(1)軸向成像系統由JAI 相機(JAI BB-500C)和φ38 mm 高溫內窺鏡(光軸與目標軸夾角0°、視場角60°)組成，置于氣化爐爐頂，用于監測氣化爐燃燒情況；(2)水平成像系統由PCO Dimax S4 高速攝像機和φ38 mm 高溫內窺鏡(光軸與目標軸夾角45°、視場角60°)組成，置于噴嘴平面，用于觀察和記錄噴嘴平面煤顆粒反應過程。

1.2 實驗條件

熱態實驗中所用的煤和水煤漿的性質如表1所示。氣化爐操作條件選擇的氧碳摩爾比為1.2，對應氧氣流速140 m·s-1，該反應條件與氣流床水煤漿氣化工業運行裝置的氧氣流速較為接近。

表1 煤質分析和水煤漿物性參數Table 1 Properties of coal and CWS

1.3 圖像處理方法

水煤漿經噴嘴霧化后產生大量煤漿液滴，部分顆粒隨著卷吸氣流在非射流區中的回流區運動，該區域顆粒速度較射流區慢，因此能觀察到較清晰的揮發分燃燒過程，故本文選用噴嘴平面非射流區中的回流區顆粒為研究對象。相機設置為4000 fps，選取停留時間盡可能長的顆粒進行圖像處理分析，探究氣化條件下顆粒揮發分反應特性。以圖2中所示的原始圖像為例，通過一系列圖像處理后得到圖像中顆粒和火焰信息的過程。圖中記錄有明顯揮發分尾跡的顆粒為帶有高溫尾跡的低溫顆粒[28-29]，該類顆粒揮發分火焰亮度較背景要高，顆粒亮度較背景要低，故定義亮度較圖片中氣化爐背景亮度高的火焰區域為有效火焰面積區域，顆粒亮度較氣化爐背景亮度要低。圖像處理過程主要分五步[30]：(1)將噴嘴霧化后拍攝獲取的彩色原圖轉化為灰度圖；(2)調整圖像亮度及對比度，圖片中顆粒、火焰與背景相互融合，通過調整亮度及對比度有助于提高顆粒與火焰相對于背景的識別度，減少圖像處理誤差；(3)對圖像進行平坦濾波處理，由于背景亮度分布不均，影響顆粒和火焰與背景的分割，平坦濾波可以使背景平坦化，消除背景中干擾因素；(4)對圖像進行閾值分割處理，選取合適的閾值將火焰、顆粒與背景分離，僅剩下所需黑色區域和純白色背景的黑白二值化圖像；(5)統計顆粒與火焰區域面積等參數，根據所需數據值，經像素面積與真實面積換算得到顆粒/火焰面積大小。

表2 氣化爐操作條件Table 2 Gasifier operating conditions

經噴嘴霧化后90%顆粒平均粒徑均小于700 μm，50%顆粒平均粒徑小于400 μm[30-31]，當顆粒運動至回流區，已經歷干燥脫水和部分脫揮發分過程，故本文選取粒徑小于300 μm的顆粒進行討論。

顆粒粒徑和火焰大小在統計時采用等效圓直徑(De)[14-15]表示，即與顆粒或火焰投影面積相等的圓的直徑，其定義式為

式中，A 為顆粒或火焰的投影面積；De代表等效圓直徑。取火焰面積為用處理后圖像得到的顆粒和火焰面積之和。

因圖像處理過程可能因為顆粒與火焰離焦等系統誤差，直接比較揮發分火焰面積變化誤差較大，故取揮發分火焰投影面積等效直徑與顆粒投影面積等效直徑比D1[14-15]來量化分析揮發分火焰隨時間變化趨勢。

2 結果與討論

2.1 揮發分燃燒過程圖像

為能較清晰觀察煤顆粒揮發分燃燒過程，取用經灰度與對比度處理后的圖像進行分析。圖3為在O/C 為1.2、4000 fps條件下記錄的噴嘴平面視場中3個不同時刻顆粒揮發分燃燒的灰度圖，前期研究表明[32]視場被劃分成三個區域，即以噴嘴為起點的扇形分布的射流區流場和上下兩個非射流區流場，其中a、b區域處于射流區，c、d區域處于非射流區。

圖2 圖像處理過程Fig.2 Schematic diagram for steps of image processing algorithm

圖3 噴嘴平面顆粒反應過程灰度圖Fig.3 Gray-scale images of particle reaction process of burner plane

水煤漿經流量泵送至噴嘴后被高速氧氣加速并剪切呈一定粒徑分布的液滴送入氣化爐內加熱氣化。由于噴嘴平面氣化反應劇烈，存在火焰脈動和流場復雜等情況，回流區帶有高溫尾跡的低溫顆粒在脫揮發分過程中，高速氣流不斷改變顆粒速度，由于揮發分物質較輕，浮力大，當揮發分從煤顆粒中析出后，在顆粒速度矢量和氣流速度矢量差作用下，聚集在顆粒的一側并被迅速拉長，揮發分聚集并伸長方向同氣流運動方向一致。噴嘴平面溫度較高且伴隨有高速射流的氧氣，故揮發分易被點燃，圖3 中可以看到明顯的高亮度揮發分燃燒的火焰尾跡。

顆粒揮發分尾跡形態是隨時間動態變化的，顆粒脫揮發分速率和顆粒運動狀態都是影響揮發分尾跡形態變化的因素。圖3 中a、b 區域內含粒徑較小顆粒的揮發分尾跡，c、d 區域內含粒徑較大顆粒的揮發分尾跡。對比c、d 區域顆粒揮發分尾跡長度，c 區域顆粒剛開始脫揮發分，揮發分尾跡較短，顆粒隨氣流克服重力向上運動，因揮發分物質較顆粒更輕，故此刻揮發分長度較短、集中在顆粒上方且伸長方向與氣流方向一致。此時顆粒脫揮發分速率大于揮發分燃燒消耗速率，氣流速率高于顆粒，隨著揮發分不斷析出，揮發分尾跡有伸長趨勢。d 區域處于視場上部非射流區，并靠近射流區頂端，該區域低速氣流受射流區高速氣流卷吸作用速度方向指向撞擊區并略微向下，顆粒向上運動至該區域時，仍具有向上運動的速度，但其揮發分在氣流拉扯中向左下伸長且顆粒運動速度逐漸減小，隨時間推移，當揮發分析出速率小于其燃燒消耗速率，揮發分尾跡逐漸變短。a 區域處于射流區末端偏下位置，因此該區域高速氣流速度方向指向撞擊區并略微向下，導致顆粒在向上運動至該區域時，揮發分由集中在顆粒上方轉變為集中在顆粒左下方，且顆粒運動速度受氣流作用減小。b 區域觀察到小粒徑顆粒揮發分尾跡呈半環伸長狀，是因顆粒運動至b 區域遇高速氣流，氣流改變顆粒運動狀態并迅速拉長揮發分尾跡，其中揮發分尾跡呈半環狀是氣流速度矢量與不斷改變的顆粒速度矢量共同作用的結果。實驗發現某時刻顆粒揮發分尾跡形態取決于顆粒脫揮發分過程所處階段和顆粒運動位置的氣流速度與顆粒速度，氣化爐內顆粒相對于氣流的運動狀態對揮發分火焰形態影響很大。

圖4 列出O/C 為1.2 工況下三種不同揮發分尾跡變化過程的單顆粒燃燒過程和開始記錄時刻該顆粒在視場中的運動位置，圖4(a)中圈出三種顆粒揮發分尾跡尺寸為記錄中最大時刻的圖片。1#顆粒處于非射流區，氣流運動速度低，顆粒粒徑約為130 μm，揮發分尾跡集中在顆粒一側，長度較短，隨顆粒運動到不同位置，其揮發分尾跡與顆粒的相對位置不斷改變。2#顆粒處于射流區，粒徑約為200 μm，在高速氣流作用下其揮發分尾跡隨時間有逐漸向撞擊區伸長的趨勢。3#顆粒粒徑約為250 μm，前期顆粒在非射流區向上運動，其揮發分尾跡被不斷拉長，后顆粒運動到射流區，揮發分物質被高速氣流迅速帶離顆粒，顆粒在此期間不斷析出揮發分物質，最后觀察到顆粒四周有揮發分云團出現。隨著顆粒粒徑的增加，顆粒揮發分質量增大，顆粒會釋放出更多的揮發分物質，導致揮發分最大火焰尺寸相應增加。顆粒受氣流攜帶運動過程中，揮發分火焰被拉長成尾跡，而不是聚集在顆粒四周呈云團包絡狀。圖4(a)示出的三組圖片說明噴嘴平面回流區顆粒揮發分尾跡形貌與顆粒所在位置的氣流速度緊密相關，由于氣化爐內流場復雜、氣流湍動劇烈，導致顆粒揮發分尾跡形貌隨時間不斷變化。圖中記錄的顆粒揮發分燃燒過程，由于噴嘴平面觀察視角區域有限，在高速氣流運動環境中顆粒快速運動，導致顆粒在視角范圍內停留時間較短，未能記錄到揮發分反應全過程。

圖4 單顆粒揮發分燃燒過程Fig.4 Process diagram of single particle volatile combustion

圖5 不同粒徑單顆粒揮發分火焰行為Fig.5 Volatile flame behavior diagram of single coal particles with various particle diameters

2.2 揮發分火焰隨時間變化的量化分析

圖5 示出O/C 為1.2 工況下粒徑約為200 和250 μm 的煤顆粒揮發分火焰投影面積等效直徑與顆粒投影面積等效直徑比隨時間的變化過程。圖中曲線為揮發分火焰面積隨時間變化擬合的趨勢線，0時刻為開始記錄時刻，非顆粒揮發分燃燒起始時刻。因視場中粒徑小于200 μm 的顆粒與其火焰尺寸較小，且揮發分火焰尺寸較顆粒大許多，難以將亮度低的顆粒圖像與其高亮度火焰圖像分離，導致圖像處理誤差過大，故此處不討論粒徑小于200 μm的顆粒揮發分火焰隨時間變化過程。

揮發分的燃燒是揮發分從顆粒中不斷析出和發生燃燒反應不斷消耗相互疊加的過程，故揮發分火焰圖像面積應逐步增大到峰值后再減小[14]。由圖5(a)、(b)觀察到顆粒揮發分火焰隨時間推移有先增大后減小的趨勢，且分別在8 ms 和12 ms 時揮發分火焰面積達峰值，呈現出顆粒揮發分燃燒是揮發分不斷釋放和反應消耗的動態過程。對比圖5(a)、(b)中兩種粒徑顆粒的揮發分火焰面積到達峰值的速率和最大揮發分火焰等效直徑與顆粒等效直徑比，差異并不明顯。實驗中沒有記錄完整顆粒脫揮發分過程，原因是水煤漿在霧化過程產生大量顆粒，顆粒隨氣流運動過程中發生破碎等復雜物理過程，導致顆粒形態大小等發生變化；顆粒在運動過程中被湍流火焰或其他顆粒所遮擋以及成像系統視場限制，顆粒運動離開視場等因素使得難以記錄完整顆粒脫揮發分過程，導致無法對比不同粒徑顆粒從起始脫揮發分時刻到揮發分火焰面積到達峰值的速率。對比Lee[14]在21%、29.8%和40.2%O2（體積）環境中以加熱速率約為105K·s-1燃燒180～200 μm煙煤顆粒實驗，其顆粒從起始脫揮發分時刻到揮發分火焰面積到達峰值時刻分別需8、3 和2 ms，且在O2高于29.8%（體積）的環境中，煤顆粒在10 ms內完成揮發分燃燒。發現本實驗中氣化條件下顆粒揮發分燃燒持續時間明顯更長，說明煤顆粒揮發分燃燒持續時間與氣氛中氧含量有密切聯系。在氧碳比為1.2 的煤氣化氣氛中，顆粒揮發分中可燃組分與氧氣發生燃燒反應，反應物氧氣含量較少[33]，限制燃燒反應的速度，導致顆粒揮發分燃燒時長較長。