O2/CO2氣氛下煤粉粒徑分布對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h1>
2016-12-10 09:48:56武層層顧明言孫文斌楚化強安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院安徽馬鞍山243000
武層層，顧明言，李 紅，繆 琦，孫文斌，楚化強(安徽工業(yè)大學(xué).能源與環(huán)境學(xué)院；.數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000)
O2/CO2氣氛下煤粉粒徑分布對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>
武層層a，顧明言a，李 紅a，繆 琦a，孫文斌b，楚化強a(安徽工業(yè)大學(xué)a.能源與環(huán)境學(xué)院；b.數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000)
采用高速攝像儀記錄O2/CO2氣氛下煤粉顆粒群在石英長管內(nèi)著火及火焰?zhèn)鞑サ倪^程，分析粒徑為16，82 μm煤粉按一定比例混合，在不同氧濃度的O2/CO2氣氛及空氣中著火及火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴＝Y(jié)果表明：粒徑分布對煤粉顆粒群著火和火焰?zhèn)鞑ビ泻艽笥绊?，小粒徑煤粉著火快，火焰長度長；小粒徑煤粉與大粒徑煤粉混合燃燒可以縮短煤粉著火時間，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?；氧濃度提高，火焰燃燒區(qū)間增加，小粒徑煤粉比例越高，氧濃度對燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺矫黠@。
O2/CO2氣氛；煤粉；粒徑；著火；火焰?zhèn)鞑?/p>
O2/CO2氣氛下煤的燃燒是一種既能獲得高濃度CO2又能抑制污染物排放的燃燒技術(shù)，引起了研究者們的廣泛關(guān)注[1-2]。煤粉在O2/CO2氣氛下的燃燒特性與空氣中的燃燒特性有很大差異，如著火延遲、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俾实偷萚3-4]，因此，對煤粉在O2/CO2氣氛下的燃燒過程及其特性進行深入研究具有重要意義。
Yuan，Liu等[4-5]采用平面火焰燃燒器對單一粒徑煤粉顆粒的著火特性進行研究，結(jié)果表明，O2/CO2氣氛下煤粉著火大大延遲，提高氧濃度有利于縮短煤粉著火延遲時間。煤粉顆粒群的顆粒數(shù)量對著火過程也有一定影響，當(dāng)煤粉顆粒數(shù)量在一定范圍內(nèi)，著火時間變化很小，而當(dāng)煤粉顆粒數(shù)量超過一定值時，煤粉著火時間將快速增加[6]。研究也表明小粒徑煤粉特別是超細煤粉(粒徑＜20 μm)顆粒升溫快，具有快速著火的特性，同時抑制NO的生成[7-9]。不同粒徑煤粉燃燒生成的NO特性不同，Abbas等[10]通過系列試驗比較了粒徑分別為25，45，125 μm的煤粉燃燒NO生成特性，結(jié)果表明，粒徑為25，125 μm的煤粉NO生成量偏小，而粒徑為45 μm煤粉燃燒NO生成量最高。
煤粉燃燒過程復(fù)雜，目前關(guān)于煤粉顆粒燃燒間相互作用的研究較少。Taniguchi等[11]通過建立簡化的火焰?zhèn)鞑ツＰ停治鱿嗤矫悍墼诓煌g距下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，表明煤粉粒徑大小影響火焰?zhèn)鞑?；Cho等[12]采用數(shù)值模擬方法研究了一定氣流中相同粒徑煤粉在不同間距下的煤粉燃燒特性，表明顆粒相互影響程度不同。實際燃燒中煤粉顆粒群粒徑范圍較大，提高氧濃度不利于抑制NO的生成。筆者將16，82 μm煤粉按一定比例混合噴入石英管，采用高速攝像儀記錄煤粉顆粒群著火及火焰形成特性，分析O2/CO2氣氛下煤粉粒徑組成及氧濃度對著火及火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，以期改善O2/CO2氣氛下煤粉著火及燃燒特性。
1 試 驗
1.1 試驗條件
試驗采用神華煤，經(jīng)過研磨篩分，獲得兩組不同粒徑煤樣，粒徑分布區(qū)間為0～20 μm和70～100 μm，平均粒徑分別為16，82 μm(分別用Φ16，Φ82表示)，采用型號為歐美克LS-C(IIA)的激光粒度分析儀測量。將兩組粒徑煤粉分別按5種質(zhì)量比(0∶1，3∶7，5∶5，7∶3，1∶0)混合得到試驗煤樣。煤樣在105℃烘箱內(nèi)干燥24 h后使用。煤樣的工業(yè)分析見表1。試驗氣氛為空氣和O2/CO2氣氛，其中O2/CO2氣氛中氧體積分數(shù)分別為30%，35%，40%。試驗參數(shù)見表2。
1.2 試驗方法
試驗裝置示意圖如圖1。采用打氣噴槍將煤粉噴入石英管，試驗前取下銅噴嘴，將打氣噴槍的槍栓拉開，扣在扳機上，空噴3次清理噴槍；另將石英管內(nèi)清理干凈，確保管內(nèi)沒有殘留燃燒物。烘干后的煤粉放入銅噴嘴，并與噴槍連接，推上打氣噴槍扳機，煤粉噴出，噴煤量為0.4 g。使用FZ-001高壓電弧發(fā)生器作為點火源，點火功率為40 W，點火電極間距為1.4 cm。石英管內(nèi)徑70 mm，總長1 400 mm，進氣口一端封閉，一端敞口。O2和CO2由單獨的氣瓶提供，使用質(zhì)量流量計測定流量，在混氣箱內(nèi)充分混合后通入石英管。石英管內(nèi)充滿氣體并在出口測定氧濃度達到設(shè)定值后，啟動點火裝置，噴入煤粉，用高速攝像儀記錄燃燒過程。高速攝像儀型號為Phantom V311，幀數(shù)設(shè)置為1 000幀/s，曝光時間為999.32 μs。
表1 煤樣的工業(yè)分析值Tab.1 Proximate analysis of coal
表2 試驗參數(shù)Tab.2 Experiment parameters
圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment
2 結(jié)果分析
2.1 火焰的形成及其傳播過程
圖2為φ(O2)=35%的O2/CO2氣氛下，不同組合粒徑煤粉著火及火焰?zhèn)鞑ミ^程。從圖2可以看出，煤粉粒徑的組成對煤粉著火及火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂泻艽蟮挠绊?。總體來看，煤粉燃燒過程經(jīng)歷了著火、快速燃燒和逐漸熄滅階段。當(dāng)煤粉經(jīng)過電弧點火加熱后，顆粒溫度升高，煤粉著火形成亮度高的火焰團；隨著火焰長度快速增加，煤粉繼續(xù)保持在一定空間內(nèi)燃燒；而后煤粉燃燒區(qū)間縮小，燃燒亮度降低，火焰快速縮小。比較圖2(a)，(e)可以看出，Φ82煤粉火焰與Φ16煤粉有很大的不同，首先是著火過程不同：在經(jīng)過電弧點火后，Φ82煤粉經(jīng)歷了較長時間(大約75 ms)才形成一個有一定強度的火焰；而Φ16煤粉在點火后5 ms左右就形成了一個火焰團，著火時間大大提前。其次是火焰結(jié)構(gòu)不同：Φ82煤粉在整個燃燒期間，燃燒火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x小，火焰很短；Φ16煤粉火焰在較短時間內(nèi)形成并快速傳播到一定的距離，并在此距離內(nèi)保持一段時間的燃燒。從圖2(b)可以看出，Φ16煤粉加入，煤粉著火提前，在25 ms左右出現(xiàn)火焰團，同時，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x加大，燃燒空間加大。從圖2(c)，(d)可以看出，隨著Φ16煤粉混合量的增加，煤粉著火時間逐漸縮短，燃燒空間不斷增加。由此可見，在大粒徑煤粉中混合小粒徑煤粉，可以大大改善煤粉的著火特性，促進煤粉燃燒火焰的傳播。
圖2 著火及火焰?zhèn)鞑?φ (O2)=35%)Fig.2 Coal ignition and flame propagation(φ (O2)=35%)
2.2 粒徑組成對火焰長度的影響
采用MATLAB對高速攝影儀獲得的圖像進行灰度處理，提取各時間點的火焰輪廓線，將具連續(xù)火焰輪廓線的最遠點與點火位置距離定義為火焰長度，見圖3。
圖3火焰輪廓與火焰長度的提取Fig.3 Extraction of contour and length of flame
圖4 為不同粒徑組成煤粉在不同O2/CO2氣氛下火焰長度隨時間的變化曲線。從圖4可以看出：煤粉經(jīng)過電弧點火后一段時間內(nèi)，火焰長度隨時間的延長而增加；小粒徑煤粉比例提高，火焰長度變化快，燃燒區(qū)域大、火焰長。比較圖4中不同粒徑煤粉的火焰長度可以看出，Φ82煤粉火焰長度較短，主要是由于煤粉粒徑大，顆粒比表面積小，在點火階段吸收熱量相對較少，顆粒溫升慢，析出的揮發(fā)分總量小，燃燒火焰區(qū)域也小。對于Φ16煤粉燃燒的工況，煤粉經(jīng)過點火后，在很短時間內(nèi)形成火焰，火焰長度迅速增加，一方面是由于小粒徑煤粉升溫快，揮發(fā)分析出多，煤粉燃燒釋放出更多的熱量，高溫燃燒區(qū)增加；另一方面高溫氣體進一步膨脹，從而燃燒面快速擴大。Φ82煤粉與Φ16煤粉混合燃燒后，小粒徑煤粉快速燃燒提高了煤粉周圍氣氛的溫度，有利于大粒徑煤粉的燃燒，整體燃燒區(qū)域相應(yīng)擴大，燃燒長度增加。從圖4也可以看出，氧濃度對煤粉著火和火焰長度有很大影響，氧濃度提高，利于煤粉著火和火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
圖4 火焰長度隨時間的變化Fig.4 Flame length at different time
圖5最大火焰長度Fig.5 Maximum length of flame
圖5 為各種工況下火焰的最大長度。從圖5可以看出：Φ16煤粉的火焰長度遠大于Φ82煤粉燃燒火焰長度，在空氣中燃燒時，兩者相差近4倍；O2/CO2氣氛下，當(dāng)氧體積分數(shù)為40%時，兩者相差近3倍；對不同氣氛，隨著Φ16煤粉混合比例增加，煤粉火焰?zhèn)鞑ラL度最大值增加；氧濃度增加，火焰長度也增加。從影響煤粉燃燒NO生成角度來看，氧濃度的提高，將有利于NO的生成。故通過改變煤粉粒徑組成，既可提高著火性能和火焰的傳播速度，也利于抑制NO的生成。
3 結(jié) 論
采用高速攝像儀記錄高溫石英玻璃長管內(nèi)煤粉著火燃燒及火焰?zhèn)鞑ミ^程，分析O2/CO2氣氛下煤粉粒徑和氧濃度對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響。結(jié)果表明：
1)粒徑對煤粉著火和火焰燃燒區(qū)間有很大的影響，小粒徑煤粉的著火時間遠小于大粒徑煤粉，而火焰燃燒區(qū)間遠大于大粒徑煤粉；
2)小粒徑與大粒徑煤粉混合利于改善煤粉的著火條件，縮短著火時間，可增大火焰燃燒區(qū)間；小粒徑煤粉比例提高，煤粉著火時間明顯縮短，火焰燃燒區(qū)間快速增加；
3)提高O2/CO2氣氛中的氧濃度，利于改善煤粉的著火特性，也利于煤粉火焰的傳播。氧濃度提高，火焰長度增加，小粒徑煤粉比例提高，提高氧濃度對火焰長度的影響更明顯。
[1]WANTANABE H,YAMAMOTO J,OKAZAKI K.NOxformation and reduction mechanisms in staged O2/CO2combustion[J].Combustion and Flame,2011,158(7)∶1255-1263.
[2]SMART J,LU G,YAN Y,et al.Characterisation of an oxy-coal flame through digital imaging[J].Combustion and Flame,2010, 157(6)∶1132-1139.
[3]ZHANG J,PRATIONO W,ZHANG L,et al.Computational fluid dynamics modeling on the air-firing and oxy-fuel combustion of dried victorian brown coal[J].Energy&Fuels,2013,27(8)∶4258-4269.
[4]YUANY,LI S,LI G,etal.Thetransitionofheterogeneous-homogeneousignitionsofdispersedcoalparticlestreams[J].Combustion and Flame,2014,161(9)∶2458-2468.
[5]LIU Y H,GEIER M,MOLINA A,et al.Pulverized coal stream ignition delay under conventional and oxy-fuel combustion conditions[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2011,5∶S36-S46.
[6]易寶軍，張立麒，黃芳.不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下的燃燒特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2013,19(3)∶248-254.
[7]HUANG X Y,JIANG X M,HAN X X,et al.Combustion characteristics of fine and micro-pulverized coal in the mixture of O2/CO2[J].Energy Fuels,2008,22∶3756-3762.
[8]YIBJ,ZHANGLQ,HUANGF.CombustioncharacteristicsofpulverizedcoalwithdifferentparticlesizesinO2/CO2atmosphere[J].Journal of Combustion Science and Technology,2013,19(3)∶248-254.
[9]馬標，顧明言，楚化強，等.O2/CO2氣氛超細煤粉與常規(guī)粒徑煤粉混合燃燒特性[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013, 30(4)∶356-360.
[10]ABBAS T,COSTEN P,LOCKWOOD F,et al.The effect of particle size on NO formation in a large-scale pulverized coal-fired laboratory furnace∶measurement and modeling[J].Combustion and Flame,1993,93(3)∶316-326.
[11]TANIGUCHI M,SHIBATA T,KOBAYASHI H.Prediction of lean flammability limit and flame propagation velocity for oxyfuel fired pulverized coal combustion[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33(2)∶3391-3398.
[12]CHO C,JO S,KIM H,et al.Numerical studies on combustion characteristics of interacting pulverized coal particles at various oxygen concentration[J].Numerical Heat Transfer,PartA∶Applications,2007,52(12)∶1101-1122.
責(zé)任編輯：何莉
Effect of Pulverized Coal Particle Size Distribution on Flame Propagation in O2/CO2Atmosphere
WU Cengcenga，GU Mingyana，LI Honga，MIU Qia，SUN Wenbinb，CHU Huaqianga
(a.School of Energy and Environment；b.School of Mathematics&Physics Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)
The process of ignition and flame propagation of pulverized coal particles under O2/CO2atmosphere in a long quartz tube was recorded by a high-speed video camera.The coal ignition and flame propagation characteristics of the coal particles with differentratios of the diameterof16μmand82μmat different concentration of O2/CO2atmosphere and air were analyzed.The results show that the pulverized coal size distribution plays a significant effect on the coal particles ignition and flame propagation;the coal particles with small size display a shorter ignition process and longer flame propagation distance;mixing the small size coal particles to the large size coal particles can shorten the ignition time,and increase the flame propagation speed;increasing the oxygen content can improve the flame combustion range and the more the small size coal particle ratio is,the more obvious the influence of oxygen concentration on combustion flame propagation speed is.
O2/CO2atmosphere;coal;particle size;ignition;flame-propagation
TK 411.2
A
10.3969/j.issn.1671-7872.2016.03.001
2016-04-11
國家自然科學(xué)基金項目(51376008,51306001)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2012YQ220119)；安徽省自然科學(xué)基金項目(1408085QE100)
武層層(1989-)，男，安徽宿州人，碩士生，主要研究方向為高效低污染煤粉燃燒。
1671-7872(2016)03-0205-05
顧明言(1965-)，女，江蘇宜興人，博士，教授，主要研究方向為高效低污染燃燒機理與應(yīng)用。
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O2/CO2氣氛下煤粉粒徑分布對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>
武層層a，顧明言a，李 紅a，繆 琦a，孫文斌b，楚化強a(安徽工業(yè)大學(xué)a.能源與環(huán)境學(xué)院；b.數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000)
采用高速攝像儀記錄O2/CO2氣氛下煤粉顆粒群在石英長管內(nèi)著火及火焰?zhèn)鞑サ倪^程，分析粒徑為16，82 μm煤粉按一定比例混合，在不同氧濃度的O2/CO2氣氛及空氣中著火及火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴＝Y(jié)果表明：粒徑分布對煤粉顆粒群著火和火焰?zhèn)鞑ビ泻艽笥绊?，小粒徑煤粉著火快，火焰長度長；小粒徑煤粉與大粒徑煤粉混合燃燒可以縮短煤粉著火時間，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?；氧濃度提高，火焰燃燒區(qū)間增加，小粒徑煤粉比例越高，氧濃度對燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺矫黠@。
O2/CO2氣氛；煤粉；粒徑；著火；火焰?zhèn)鞑?/p>
O2/CO2氣氛下煤的燃燒是一種既能獲得高濃度CO2又能抑制污染物排放的燃燒技術(shù)，引起了研究者們的廣泛關(guān)注[1-2]。煤粉在O2/CO2氣氛下的燃燒特性與空氣中的燃燒特性有很大差異，如著火延遲、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俾实偷萚3-4]，因此，對煤粉在O2/CO2氣氛下的燃燒過程及其特性進行深入研究具有重要意義。
Yuan，Liu等[4-5]采用平面火焰燃燒器對單一粒徑煤粉顆粒的著火特性進行研究，結(jié)果表明，O2/CO2氣氛下煤粉著火大大延遲，提高氧濃度有利于縮短煤粉著火延遲時間。煤粉顆粒群的顆粒數(shù)量對著火過程也有一定影響，當(dāng)煤粉顆粒數(shù)量在一定范圍內(nèi)，著火時間變化很小，而當(dāng)煤粉顆粒數(shù)量超過一定值時，煤粉著火時間將快速增加[6]。研究也表明小粒徑煤粉特別是超細煤粉(粒徑＜20 μm)顆粒升溫快，具有快速著火的特性，同時抑制NO的生成[7-9]。不同粒徑煤粉燃燒生成的NO特性不同，Abbas等[10]通過系列試驗比較了粒徑分別為25，45，125 μm的煤粉燃燒NO生成特性，結(jié)果表明，粒徑為25，125 μm的煤粉NO生成量偏小，而粒徑為45 μm煤粉燃燒NO生成量最高。
煤粉燃燒過程復(fù)雜，目前關(guān)于煤粉顆粒燃燒間相互作用的研究較少。Taniguchi等[11]通過建立簡化的火焰?zhèn)鞑ツＰ停治鱿嗤矫悍墼诓煌g距下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，表明煤粉粒徑大小影響火焰?zhèn)鞑?；Cho等[12]采用數(shù)值模擬方法研究了一定氣流中相同粒徑煤粉在不同間距下的煤粉燃燒特性，表明顆粒相互影響程度不同。實際燃燒中煤粉顆粒群粒徑范圍較大，提高氧濃度不利于抑制NO的生成。筆者將16，82 μm煤粉按一定比例混合噴入石英管，采用高速攝像儀記錄煤粉顆粒群著火及火焰形成特性，分析O2/CO2氣氛下煤粉粒徑組成及氧濃度對著火及火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，以期改善O2/CO2氣氛下煤粉著火及燃燒特性。
1 試 驗
1.1 試驗條件
試驗采用神華煤，經(jīng)過研磨篩分，獲得兩組不同粒徑煤樣，粒徑分布區(qū)間為0～20 μm和70～100 μm，平均粒徑分別為16，82 μm(分別用Φ16，Φ82表示)，采用型號為歐美克LS-C(IIA)的激光粒度分析儀測量。將兩組粒徑煤粉分別按5種質(zhì)量比(0∶1，3∶7，5∶5，7∶3，1∶0)混合得到試驗煤樣。煤樣在105℃烘箱內(nèi)干燥24 h后使用。煤樣的工業(yè)分析見表1。試驗氣氛為空氣和O2/CO2氣氛，其中O2/CO2氣氛中氧體積分數(shù)分別為30%，35%，40%。試驗參數(shù)見表2。
1.2 試驗方法
試驗裝置示意圖如圖1。采用打氣噴槍將煤粉噴入石英管，試驗前取下銅噴嘴，將打氣噴槍的槍栓拉開，扣在扳機上，空噴3次清理噴槍；另將石英管內(nèi)清理干凈，確保管內(nèi)沒有殘留燃燒物。烘干后的煤粉放入銅噴嘴，并與噴槍連接，推上打氣噴槍扳機，煤粉噴出，噴煤量為0.4 g。使用FZ-001高壓電弧發(fā)生器作為點火源，點火功率為40 W，點火電極間距為1.4 cm。石英管內(nèi)徑70 mm，總長1 400 mm，進氣口一端封閉，一端敞口。O2和CO2由單獨的氣瓶提供，使用質(zhì)量流量計測定流量，在混氣箱內(nèi)充分混合后通入石英管。石英管內(nèi)充滿氣體并在出口測定氧濃度達到設(shè)定值后，啟動點火裝置，噴入煤粉，用高速攝像儀記錄燃燒過程。高速攝像儀型號為Phantom V311，幀數(shù)設(shè)置為1 000幀/s，曝光時間為999.32 μs。
表1 煤樣的工業(yè)分析值Tab.1 Proximate analysis of coal
表2 試驗參數(shù)Tab.2 Experiment parameters
圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment
2 結(jié)果分析
2.1 火焰的形成及其傳播過程
圖2為φ(O2)=35%的O2/CO2氣氛下，不同組合粒徑煤粉著火及火焰?zhèn)鞑ミ^程。從圖2可以看出，煤粉粒徑的組成對煤粉著火及火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂泻艽蟮挠绊?。總體來看，煤粉燃燒過程經(jīng)歷了著火、快速燃燒和逐漸熄滅階段。當(dāng)煤粉經(jīng)過電弧點火加熱后，顆粒溫度升高，煤粉著火形成亮度高的火焰團；隨著火焰長度快速增加，煤粉繼續(xù)保持在一定空間內(nèi)燃燒；而后煤粉燃燒區(qū)間縮小，燃燒亮度降低，火焰快速縮小。比較圖2(a)，(e)可以看出，Φ82煤粉火焰與Φ16煤粉有很大的不同，首先是著火過程不同：在經(jīng)過電弧點火后，Φ82煤粉經(jīng)歷了較長時間(大約75 ms)才形成一個有一定強度的火焰；而Φ16煤粉在點火后5 ms左右就形成了一個火焰團，著火時間大大提前。其次是火焰結(jié)構(gòu)不同：Φ82煤粉在整個燃燒期間，燃燒火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x小，火焰很短；Φ16煤粉火焰在較短時間內(nèi)形成并快速傳播到一定的距離，并在此距離內(nèi)保持一段時間的燃燒。從圖2(b)可以看出，Φ16煤粉加入，煤粉著火提前，在25 ms左右出現(xiàn)火焰團，同時，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x加大，燃燒空間加大。從圖2(c)，(d)可以看出，隨著Φ16煤粉混合量的增加，煤粉著火時間逐漸縮短，燃燒空間不斷增加。由此可見，在大粒徑煤粉中混合小粒徑煤粉，可以大大改善煤粉的著火特性，促進煤粉燃燒火焰的傳播。
圖2 著火及火焰?zhèn)鞑?φ (O2)=35%)Fig.2 Coal ignition and flame propagation(φ (O2)=35%)
2.2 粒徑組成對火焰長度的影響
采用MATLAB對高速攝影儀獲得的圖像進行灰度處理，提取各時間點的火焰輪廓線，將具連續(xù)火焰輪廓線的最遠點與點火位置距離定義為火焰長度，見圖3。
圖3火焰輪廓與火焰長度的提取Fig.3 Extraction of contour and length of flame
圖4 為不同粒徑組成煤粉在不同O2/CO2氣氛下火焰長度隨時間的變化曲線。從圖4可以看出：煤粉經(jīng)過電弧點火后一段時間內(nèi)，火焰長度隨時間的延長而增加；小粒徑煤粉比例提高，火焰長度變化快，燃燒區(qū)域大、火焰長。比較圖4中不同粒徑煤粉的火焰長度可以看出，Φ82煤粉火焰長度較短，主要是由于煤粉粒徑大，顆粒比表面積小，在點火階段吸收熱量相對較少，顆粒溫升慢，析出的揮發(fā)分總量小，燃燒火焰區(qū)域也小。對于Φ16煤粉燃燒的工況，煤粉經(jīng)過點火后，在很短時間內(nèi)形成火焰，火焰長度迅速增加，一方面是由于小粒徑煤粉升溫快，揮發(fā)分析出多，煤粉燃燒釋放出更多的熱量，高溫燃燒區(qū)增加；另一方面高溫氣體進一步膨脹，從而燃燒面快速擴大。Φ82煤粉與Φ16煤粉混合燃燒后，小粒徑煤粉快速燃燒提高了煤粉周圍氣氛的溫度，有利于大粒徑煤粉的燃燒，整體燃燒區(qū)域相應(yīng)擴大，燃燒長度增加。從圖4也可以看出，氧濃度對煤粉著火和火焰長度有很大影響，氧濃度提高，利于煤粉著火和火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
圖4 火焰長度隨時間的變化Fig.4 Flame length at different time
圖5最大火焰長度Fig.5 Maximum length of flame
圖5 為各種工況下火焰的最大長度。從圖5可以看出：Φ16煤粉的火焰長度遠大于Φ82煤粉燃燒火焰長度，在空氣中燃燒時，兩者相差近4倍；O2/CO2氣氛下，當(dāng)氧體積分數(shù)為40%時，兩者相差近3倍；對不同氣氛，隨著Φ16煤粉混合比例增加，煤粉火焰?zhèn)鞑ラL度最大值增加；氧濃度增加，火焰長度也增加。從影響煤粉燃燒NO生成角度來看，氧濃度的提高，將有利于NO的生成。故通過改變煤粉粒徑組成，既可提高著火性能和火焰的傳播速度，也利于抑制NO的生成。
3 結(jié) 論
采用高速攝像儀記錄高溫石英玻璃長管內(nèi)煤粉著火燃燒及火焰?zhèn)鞑ミ^程，分析O2/CO2氣氛下煤粉粒徑和氧濃度對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響。結(jié)果表明：
1)粒徑對煤粉著火和火焰燃燒區(qū)間有很大的影響，小粒徑煤粉的著火時間遠小于大粒徑煤粉，而火焰燃燒區(qū)間遠大于大粒徑煤粉；
2)小粒徑與大粒徑煤粉混合利于改善煤粉的著火條件，縮短著火時間，可增大火焰燃燒區(qū)間；小粒徑煤粉比例提高，煤粉著火時間明顯縮短，火焰燃燒區(qū)間快速增加；
3)提高O2/CO2氣氛中的氧濃度，利于改善煤粉的著火特性，也利于煤粉火焰的傳播。氧濃度提高，火焰長度增加，小粒徑煤粉比例提高，提高氧濃度對火焰長度的影響更明顯。
[1]WANTANABE H,YAMAMOTO J,OKAZAKI K.NOxformation and reduction mechanisms in staged O2/CO2combustion[J].Combustion and Flame,2011,158(7)∶1255-1263.
[2]SMART J,LU G,YAN Y,et al.Characterisation of an oxy-coal flame through digital imaging[J].Combustion and Flame,2010, 157(6)∶1132-1139.
[3]ZHANG J,PRATIONO W,ZHANG L,et al.Computational fluid dynamics modeling on the air-firing and oxy-fuel combustion of dried victorian brown coal[J].Energy&Fuels,2013,27(8)∶4258-4269.
[4]YUANY,LI S,LI G,etal.Thetransitionofheterogeneous-homogeneousignitionsofdispersedcoalparticlestreams[J].Combustion and Flame,2014,161(9)∶2458-2468.
[5]LIU Y H,GEIER M,MOLINA A,et al.Pulverized coal stream ignition delay under conventional and oxy-fuel combustion conditions[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2011,5∶S36-S46.
[6]易寶軍，張立麒，黃芳.不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下的燃燒特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2013,19(3)∶248-254.
[7]HUANG X Y,JIANG X M,HAN X X,et al.Combustion characteristics of fine and micro-pulverized coal in the mixture of O2/CO2[J].Energy Fuels,2008,22∶3756-3762.
[8]YIBJ,ZHANGLQ,HUANGF.CombustioncharacteristicsofpulverizedcoalwithdifferentparticlesizesinO2/CO2atmosphere[J].Journal of Combustion Science and Technology,2013,19(3)∶248-254.
[9]馬標，顧明言，楚化強，等.O2/CO2氣氛超細煤粉與常規(guī)粒徑煤粉混合燃燒特性[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013, 30(4)∶356-360.
[10]ABBAS T,COSTEN P,LOCKWOOD F,et al.The effect of particle size on NO formation in a large-scale pulverized coal-fired laboratory furnace∶measurement and modeling[J].Combustion and Flame,1993,93(3)∶316-326.
[11]TANIGUCHI M,SHIBATA T,KOBAYASHI H.Prediction of lean flammability limit and flame propagation velocity for oxyfuel fired pulverized coal combustion[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33(2)∶3391-3398.
[12]CHO C,JO S,KIM H,et al.Numerical studies on combustion characteristics of interacting pulverized coal particles at various oxygen concentration[J].Numerical Heat Transfer,PartA∶Applications,2007,52(12)∶1101-1122.
責(zé)任編輯：何莉
Effect of Pulverized Coal Particle Size Distribution on Flame Propagation in O2/CO2Atmosphere
WU Cengcenga，GU Mingyana，LI Honga，MIU Qia，SUN Wenbinb，CHU Huaqianga
(a.School of Energy and Environment；b.School of Mathematics&Physics Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)
The process of ignition and flame propagation of pulverized coal particles under O2/CO2atmosphere in a long quartz tube was recorded by a high-speed video camera.The coal ignition and flame propagation characteristics of the coal particles with differentratios of the diameterof16μmand82μmat different concentration of O2/CO2atmosphere and air were analyzed.The results show that the pulverized coal size distribution plays a significant effect on the coal particles ignition and flame propagation;the coal particles with small size display a shorter ignition process and longer flame propagation distance;mixing the small size coal particles to the large size coal particles can shorten the ignition time,and increase the flame propagation speed;increasing the oxygen content can improve the flame combustion range and the more the small size coal particle ratio is,the more obvious the influence of oxygen concentration on combustion flame propagation speed is.
O2/CO2atmosphere;coal;particle size;ignition;flame-propagation
TK 411.2
A
10.3969/j.issn.1671-7872.2016.03.001
2016-04-11
國家自然科學(xué)基金項目(51376008,51306001)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2012YQ220119)；安徽省自然科學(xué)基金項目(1408085QE100)
武層層(1989-)，男，安徽宿州人，碩士生，主要研究方向為高效低污染煤粉燃燒。
1671-7872(2016)03-0205-05
顧明言(1965-)，女，江蘇宜興人，博士，教授，主要研究方向為高效低污染燃燒機理與應(yīng)用。
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