氣流床撞擊流水煤漿氣化火焰光譜輻射特性實驗研究

宋旭東， 郭慶華， 龔 巖*， 蘇暐光， 白永輝， 于廣鎖, *

1. 寧夏大學省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室， 寧夏 銀川 750021 2. 華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室， 上海 200237

引 言

氣流床煤氣化技術(shù)具有高操作壓力、 高反應溫度和高碳轉(zhuǎn)化率， 且污染小等優(yōu)勢， 代表著煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向。 氣化爐是氣流床氣化工藝的核心， 其穩(wěn)定高效運行影響著煤氣化技術(shù)的效率。 氣流床撞擊水煤漿氣化爐采用四個噴嘴對置產(chǎn)生撞擊區(qū)， 可增強煤顆粒停留時間， 提高碳轉(zhuǎn)化率， 因此廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中[1]。

對氣化爐實時有效監(jiān)控可實時調(diào)節(jié)運行工況， 保證氣化爐穩(wěn)定運行。 而光譜檢測技術(shù)可避免傳統(tǒng)檢測技術(shù)控制粗放、 反應時間長等的弊病， 實現(xiàn)氣化火焰的實時監(jiān)控。 火焰光譜檢測技術(shù)通過收集火焰中自由基產(chǎn)生的特征輻射信息， 反映火焰中化學反應區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化及反應強弱[2-5]。 對于水煤漿等包含相對復雜物理-化學反應過程非均相火焰， 采用光譜檢測技術(shù)對火焰的反應區(qū)劃分具有獨特的優(yōu)勢[6-8]。 Sung等[9-10]利用米氏散射(Mie scattering)對煤粉燃燒火焰中OH*和CH*自由基輻射進行研究， 指出OH*自由基輻射能夠表示煤顆粒的熱解過程， 而CH*自由基輻射則能夠表示煤粉揮發(fā)分燃燒的熱釋放區(qū)域。 有報道不同燃燒參數(shù)下煤粉火焰輻射發(fā)光特性， 并探究了Na和K等堿金屬譜線與火焰溫度關(guān)系。 有研究對0#柴油燃燒初期火焰光譜進行分析， 探討了各種自由基輻射對柴油火焰識別的有效性。 還有研究針對敞開空間甲烷攜帶水煤漿的熱氧火焰輻射特性， 并對各運行工況下自由基強度變化進行了表征。

本工作利用實驗室規(guī)模的氣流床撞擊水煤漿氣化裝置， 研究了受限空間內(nèi)水煤漿(CWS)氣化過程的自由基輻射變化特征， 探究了受限空間撞擊火焰化學反應特征， 并利用自由基輻射特性對氣化工況進行表征， 為氣化爐火焰光譜監(jiān)控提供參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試驗裝置與流程

圖1為氣流床撞擊水煤漿氣化裝置光譜診斷實驗裝置圖， 包括水煤漿氣化系統(tǒng)、 氣化火焰監(jiān)控系統(tǒng)及光譜診斷系統(tǒng)。

圖1 光譜診斷實驗裝置圖

水煤漿氣化系統(tǒng)由兩組互相呈90°的對置同軸射流噴嘴組成， 噴嘴中心通道水煤漿進入氣化爐后， 經(jīng)環(huán)隙高速氧氣霧化后撞擊并發(fā)生反應， 撞擊后流體產(chǎn)生向上和向下的反應流股。 實驗中分別利用CCD相機可視化， 熱電偶測溫及氣體成分在線分析等三方面進行實時監(jiān)控， 保證氣化爐穩(wěn)定運行。

光譜診斷系統(tǒng)設置如圖1所示， 利用光纖光譜儀結(jié)合光纖探頭對氣化爐不同位置光譜信息進行收集分析。 其中光纖光譜儀采用Ocean Optics公司的LIBS2500光譜儀組， 涵蓋波長范圍為200～900 nm， 光譜分辨率為(0.15±0.01) nm。 光纖探頭放置于水冷保護夾套內(nèi)， 并通過氬氣(Ar)吹掃保證清潔， 其收光直徑為3 mm， 視角為25°。

如圖1所示， L為取樣口與噴嘴平面的垂直距離， 以噴嘴平面以上為正， 即從噴嘴平面上方往下依次標記為L=20， 10， 0， -10和-20 cm。

1.2 實驗條件

實驗中采用O/C為0.9～1.2對水煤漿氣化火焰自由基特性進行分析研究。 表1和表2分別為基礎數(shù)據(jù)及試驗工況， 其中水煤漿濃度為61%， 密度為1 102 kg·m-3。

表1 煤質(zhì)分析

表2 實驗工況

2 結(jié)果與討論

2.1 水煤漿氣化火焰光譜輻射特性

I=I總-ICO2-I黑體輻射

(1)

圖2 撞擊平面光譜輻射特征

2.2 自由基輻射強度分布

沿著氣化爐軸向方向， 不同自由基強度變化不同， 自由基峰值強度分布與自由基激發(fā)方式及流場有關(guān)。

(1) OH*與CH*輻射

OH*與CH*的存在與強度可作為火焰反應區(qū)劇烈程度的指標。 實驗中可檢測到紫外光區(qū)的OH*(306.72和308.9 nm)自發(fā)輻射光譜和CH*(314.5和387 nm) 自發(fā)輻射光譜。 選取OH*與CH*峰值所在的308.9和387 nm強度進行探究， 強度分布如圖3所示。 在0.9≤O/C≤1.1時， OH*峰強度最大值出現(xiàn)在撞擊平面附近， 且強度隨|L|增大逐漸減??； 但當O/C=1.2時， OH*峰強度最大值出現(xiàn)在L=10 cm附近， 且向上流股中OH*峰強度>向下流股中OH*峰強度。 CH*主要存在于-10 cm≤L≤10 cm范圍內(nèi)， 在0.9≤O/C≤1.1時， CH*峰強度最大值出現(xiàn)在撞擊平面附近， 隨O/C增加， CH*峰強度向向上流股中偏移。 由表3中OH*與CH*自發(fā)輻射發(fā)光演變過程[13]可知: 在噴嘴平面處， 氧氣量充足， 有利于R2， R5和R7反應的進行， 而在向上流股和向下流股中氧氣逐漸被消耗， 反應減少。 而當O/C逐漸增大， 爐膛尤其是向上流股溫度逐漸升高[14]， 將對OH*與CH*熱激發(fā)產(chǎn)生影響， 自由基峰強度最大值分布位置上移。

圖4為不同位置處OH*/CH*強度比值， 不同平面處OH*/CH*強度比值隨O/C的變化不同。 O/C<1.2時， 不同位置處OH*/CH*隨著O/C增加逐漸增加， 而當O/C=1.2時， 氧氣氣速將達到150m·s-1， 此時流場相比之前發(fā)生變化， 在噴嘴平面以下位置， OH*/CH*強度較小， 而在噴嘴平面以上位置逐漸增大。 通過對比不同O/C， 噴嘴平面處， OH*/CH*強度最小， 此處化學激發(fā)占主導。 由圖3可知， 化學激發(fā)主要發(fā)生區(qū)域在-10 cm≤L≤10 cm范圍內(nèi)。

圖3 不同位置的OH*， CH*輻射強度變化

表3 自由基激發(fā)路徑[14]

Table 3 Excitation path of radicals

自由基能級躍遷特征峰/nm演變過程OH(A2Σ+)-OH(X2Π)306.72, 308.9O+H+M→OH*+MR1 (化學激發(fā))CH+O2→CO+OH*R2 (化學激發(fā))OH+M→OH*+MR3 (熱激發(fā))CH(A2Δ)-CH(C2Σ+)314.5, 387C2+OH→CO+CHR4(化學激發(fā))C2H+O→CO+CH*R5(化學激發(fā))C+H+M→CH*+MR6(化學激發(fā))C2H+O2→CO2+CH*R7(化學激發(fā))CH+M→CH*+MR8 (熱激發(fā))

注： M為碰撞粒子

OH*/CH*變化可以反映激發(fā)路徑的變化。

圖4 不同位置的OH*/CH*

(2) 堿金屬輻射

水煤漿中Na和K主要以溶于水的無機鹽及礦物質(zhì)中的結(jié)晶體兩種形式存在[15]。 Na與K離子在經(jīng)熱激發(fā)會產(chǎn)生相應的特征峰， 圖5為Na*(589 nm)和K*(770 nm)在不同工況下輻射強度差異。 撞擊平面附近Na*強度較大， 而隨著|L|增大， Na*強度有所減小， 其中向上流股中Na*強度高于向下流股中強度。 K*強度在強度變化比較無序， 隨O/C增加至1.2， K*峰值強度在向上流股中出現(xiàn)。 當水煤漿進入氣

化爐后， 經(jīng)氧氣剪切霧化， 溶液中Na和K受熱激發(fā)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的Na*和K*， 因此撞擊區(qū)內(nèi)輻射強度較高。 而隨著反應進行， 煤礦物質(zhì)中結(jié)晶也將析出并產(chǎn)生輻射發(fā)光， 礦物質(zhì)中堿金屬析出受到礦物質(zhì)停留時間影響， 氣流床撞擊水煤漿氣化爐， 通過撞擊增加了顆粒的停留時間， 因此在向上和向下流股中也可檢測到強烈的Na*和K*輻射。 但是由于煤中Na和K粒子含量較少， 利用Na*和K*表征O/C會出現(xiàn)較大誤差。

由于Na*和K*峰值受到背景輻射影響較小， 因此利用光纖光譜儀非積分校正的強度圖來分析Na*和K*強度變化， 可反映出火焰頻率。 圖6為不同工況下撞擊平面處Na*相對強度變化， 可知Na*自發(fā)輻射強度隨火焰撞擊過程可產(chǎn)生脈動而呈現(xiàn)峰谷分布。 隨著O/C增加 Na*峰谷頻率越高， 說明隨著氧氣氣速逐漸增加， 火焰脈動劇烈。 且Na*強度逐漸增加， 說明劇烈的撞擊有助于反應的進行。

圖5 Na*(a)和K*(b)輻射強度變化

圖6 撞擊平面處Na*輻射強度頻率變化

圖輻射強度變化

3 結(jié) 論

(2) OH*分布可表征火焰反應區(qū)域， 而CH*存在范圍相對較窄， 僅存在于-10 cm

(3) Na*和K*可反映氣化爐高溫區(qū)域。 由于堿金屬強度受到背景輻射影響較小， 可用于表征火焰頻率， 并可反映氣化效果。