多噴嘴對(duì)置式水煤氣化爐內(nèi)顆粒揮發(fā)分火焰可視化分析

朱志全

陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司 陜西 神木 719300

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐如圖1所示，從圖中可以看出可視化裝置的布置，而氣化爐分成兩部分，一部分是上部的氣化室，一部為下部的激冷室，而其殼體主要是不銹鋼材質(zhì)，而內(nèi)部材質(zhì)則是剛玉耐火層，并在兩層間使用了陶瓷纖維的保溫棉進(jìn)行填充，并在氣化室的中上外部位置安裝同軸雙通道水冷噴嘴，采取水平對(duì)置的安裝方式，并加設(shè)熱電偶在氣化室的直筒區(qū)域，以此來(lái)有效的監(jiān)測(cè)氣化爐溫度。使用高溫內(nèi)窺鏡并加裝在氣化室的頂、噴嘴平面，并與高速相機(jī)相結(jié)合來(lái)對(duì)氣化爐的燃燒進(jìn)行有效的監(jiān)視，然后再記錄實(shí)際的顆粒反應(yīng)狀態(tài)[1]。

圖1 氣化爐和可視化裝置布置圖

在本次實(shí)驗(yàn)研究中主要運(yùn)用了兩組成像系統(tǒng)，一組在氣化爐爐頂?shù)奈恢茫褂昧薐AI工業(yè)相機(jī)、高溫內(nèi)窺鏡，以此來(lái)監(jiān)視燃燒的實(shí)際情況，一組安裝在噴嘴平面位置，而此處使用PCO高速攝像機(jī)、高溫內(nèi)窺鏡，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴平面煤顆粒的反應(yīng)加以記錄[2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

設(shè)定煤、水煤漿等實(shí)驗(yàn)材料的性質(zhì)見(jiàn)表1。而氣化爐的操作條件主要是：水煤漿流速10kg/h、氧氣流速140m/s、氧氣流量81L/min、摩爾比1.2。

表1 煤質(zhì)分析和水煤漿物性參數(shù)

1.3 圖像處理

選擇噴嘴非射流區(qū)的回流區(qū)顆粒進(jìn)行分析，因?yàn)椴糠诸w粒在回流區(qū)運(yùn)動(dòng)，且速度低于射流區(qū)，可以更加清晰明了的查看揮發(fā)分的燃燒，設(shè)定相機(jī)4000fps，然后再對(duì)停留時(shí)間高的顆粒加以圖像的處理，最后分析顆粒在氣化基礎(chǔ)上的揮發(fā)分特性。基于原始圖像開(kāi)展綜合處理，然后得出顆粒及火焰的實(shí)際信息，而經(jīng)過(guò)處理的圖片可以看出揮發(fā)分的尾跡顆粒，而低溫顆粒的高溫尾跡火焰亮度高于背景，顆粒亮度低于背景，所以判定背景高亮度區(qū)域的火焰是有效面積，并低于氣化爐的背景亮度。圖像處理步驟主要為：（1）拍攝彩圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換成灰度圖；（2）設(shè)置圖像的亮度、對(duì)比度等參數(shù)來(lái)提升顆粒和火焰與背景的對(duì)比識(shí)別度；（3）濾波處理促進(jìn)背景平坦化，減少背景圖的不利干擾因素存在；（4）對(duì)圖像閾值進(jìn)行有效的分割，調(diào)整閾值分離出現(xiàn)火焰和顆粒與背景，對(duì)黑色區(qū)域及白色背景進(jìn)行二值化的圖像處理；（5）統(tǒng)計(jì)顆粒、火焰面積的實(shí)際參數(shù)，并換算得出顆粒和火焰的大小[3]。

顆粒的平均大小在通過(guò)噴嘴的霧化處理之后有50.00%左右均低于400 μm，而且到回流區(qū)時(shí)也經(jīng)過(guò)干燥、部分揮發(fā)分，所以選擇＜300μm的顆粒開(kāi)展討論分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 揮發(fā)分燃燒過(guò)程

經(jīng)對(duì)顆粒揮發(fā)分燃燒的圖片進(jìn)行處理后的圖像開(kāi)展分析，如圖2所示，其摩爾比為1.2時(shí)得出的噴嘴平面顆粒揮發(fā)分的燃燒圖像，其以噴嘴當(dāng)作起點(diǎn)呈現(xiàn)扇形的分布，主要分布在射流和非射流的區(qū)域流場(chǎng)，圖中所以框選的a區(qū)和b區(qū)位于射流區(qū)域，而c區(qū)和d區(qū)則位于非射流區(qū)域中[4]。

圖2 噴嘴顆粒反應(yīng)過(guò)程

當(dāng)水煤漿被高速氧氣加速剪切后進(jìn)入氣化爐內(nèi)開(kāi)始進(jìn)行加熱氣化，而噴嘴平面出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的氣化反應(yīng)，并且出現(xiàn)較為復(fù)雜的流場(chǎng)，在回流區(qū)的高溫尾跡顆粒脫揮發(fā)分時(shí)，顆粒的速度受到高速氣流的影響，且揮發(fā)分的物質(zhì)輕，具有較高的浮力，此時(shí)煤顆粒揮發(fā)分后，被顆粒與氣流兩者速度矢量差的作用而聚集，并在顆粒一側(cè)拉長(zhǎng)，且聚集、伸長(zhǎng)和同氣流運(yùn)動(dòng)方向的相同。噴嘴平面的溫度也比高速射流氧氣要高，所以容易被點(diǎn)燃[5]。

揮發(fā)分的尾跡形態(tài)整體隨時(shí)間的變化而變化，而脫揮發(fā)分的速率及運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)無(wú)法對(duì)尾跡的形態(tài)變化產(chǎn)生一定的影響。從圖2的a區(qū)和b區(qū)顯示的小粒徑顆粒，其揮發(fā)分的尾跡顯示，以及c區(qū)和d區(qū)的大粒徑顆粒尾跡對(duì)比表明，c區(qū)的顆粒在初始脫揮發(fā)分時(shí)尾跡短，但隨著氣流不受重力的影響而向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于物質(zhì)比顆粒輕，所以揮發(fā)分的長(zhǎng)度短，并且基本聚集在顆粒的上方，伸長(zhǎng)和氣流的方向也相同。此時(shí)顆粒在脫揮發(fā)分時(shí)，實(shí)際的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于揮發(fā)分燃燒時(shí)的消耗速率，由于顆粒的速度低于氣流，且揮發(fā)分時(shí)一直在析出，所以揮發(fā)分的尾跡出現(xiàn)伸長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。圖2的d區(qū)位于上部的非射流區(qū)域，和射流區(qū)的頂端比較接近，而且在此區(qū)域內(nèi)的低速氣流容易受至高速氣流的卷吸影響而向其方向撞擊，當(dāng)顆粒向上不斷運(yùn)動(dòng)至此區(qū)域時(shí)，向上運(yùn)動(dòng)的速度未完全消失，但揮發(fā)分被氣流拉扯而不斷的向左下伸展，運(yùn)動(dòng)的速度也不斷的下降，隨時(shí)間的增加，燃燒時(shí)的消耗速率則高于揮發(fā)分的析出率，由此導(dǎo)致尾跡呈現(xiàn)出逐漸變短的趨勢(shì)。圖2的a區(qū)則位于射流區(qū)的末端，所以高速氣流的速度不斷的向撞擊區(qū)略下方向，由此致使顆粒向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，揮發(fā)分過(guò)程上從集中在顆粒的上方而變換成左下方，而且運(yùn)動(dòng)的速度也受氣流的影響而下降。在圖2的b區(qū)，小粒徑的顆粒尾跡出現(xiàn)半環(huán)伸長(zhǎng)的狀態(tài)，此主要是由于顆粒在向b區(qū)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇至高速氣流而引起顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，由此拉長(zhǎng)了尾跡形態(tài)，尾跡半環(huán)狀則主要是受氣流和顆粒改變后的速度矢量影響導(dǎo)致。另外，某一刻的揮發(fā)分尾跡主要是由顆粒脫揮發(fā)分的階段、運(yùn)動(dòng)位置氣流和顆粒的速度所決定，顆粒對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、火焰形態(tài)具有非常大的影響[6]。

2.2 揮發(fā)分火焰隨時(shí)間變化分析

200μm與250μm的煤顆基于摩爾比1.2時(shí)的揮發(fā)分的火焰及顆粒的面積，兩者的等效直徑比伴隨時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)的變化如圖3所示，曲線主要是揮發(fā)分后的火焰面積的變化擬合趨勢(shì)，從0時(shí)進(jìn)行記錄，在視場(chǎng)內(nèi)，顆粒＜200μm的火焰表現(xiàn)非常小，而且揮發(fā)分后的火焰比顆粒要大，所以無(wú)法調(diào)整亮度來(lái)分享圖像，出現(xiàn)非常大的誤差，所以在此不對(duì)200μm揮發(fā)分的火焰變化進(jìn)行分析。

圖3 單顆粒揮發(fā)分火焰

由于揮發(fā)分燃燒主要是在顆粒內(nèi)一直進(jìn)行析出、燃燒進(jìn)行消耗相互疊加的過(guò)程，所以火焰的面積需要增高至峰值以后再降低。從圖3中可以清晰看出，揮發(fā)分后的火焰伴隨時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)了先提升再下降的發(fā)展趨勢(shì)，并且200μm和250μm顆粒分別在8ms、12ms火焰的面積到達(dá)峰值，進(jìn)而說(shuō)明顆粒的燃燒主要是揮發(fā)分的釋放過(guò)程，以及反應(yīng)消耗過(guò)程。通過(guò)比較200μm和250μm顆粒揮發(fā)分的火焰面積發(fā)現(xiàn)，其峰值速率及最大和顆粒的等效直徑比沒(méi)有較大的差異。在實(shí)驗(yàn)時(shí)未能記錄完整的脫揮發(fā)分的過(guò)程，主要是由于水煤漿霧化時(shí)出現(xiàn)較多的顆粒，并在隨氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)破碎而引起顆粒大小改變；在顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，受湍流火焰及其它顆粒遮擋的影響，并且成像系統(tǒng)視場(chǎng)也有局限，所以導(dǎo)致無(wú)法記錄顆粒在較為完整的脫揮發(fā)分，無(wú)法比較顆粒從脫揮發(fā)分至火焰面積峰值的相應(yīng)速率。有關(guān)研究顯示，其在21.00、29.80、40.02%O2中保持加熱速率（1.0×105k/s）對(duì)煙煤的顆粒進(jìn)行研究，顆粒大小180～200μm，結(jié)果顯示顆粒在揮發(fā)分起始至火焰面積峰值需要8ms、3ms、2ms，并且當(dāng)顆粒處于＞29.80%時(shí)，揮發(fā)分的燃燒只需要10ms即可完成燃燒。由此說(shuō)明本次研究中，顆粒在氣化下的揮發(fā)分燃燒時(shí)間更長(zhǎng)，而揮發(fā)分的燃燒時(shí)間和氧含量具有非常緊密的關(guān)系[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)多噴嘴對(duì)置式的水煤漿氣化爐開(kāi)展可視研究，清晰地分析了在氣流床氣化下顆粒的揮發(fā)分特性，再和圖像相結(jié)合分析揮發(fā)分的尾跡而得出，當(dāng)顆粒經(jīng)過(guò)回流區(qū)揮發(fā)分后，火焰的形態(tài)則呈現(xiàn)為非典型的包絡(luò)型火焰，揮發(fā)分聚集方向和伸長(zhǎng)的方向和氣流運(yùn)動(dòng)方向相同，并且揮發(fā)分后的尾跡形態(tài)受到兩方面的的影響，分別是顆粒脫揮發(fā)分所處階段，以及顆粒相對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且時(shí)間發(fā)生變化也會(huì)促進(jìn)其不斷的變化；顆粒粒徑提高則顯示揮發(fā)分的質(zhì)量也提高，釋放揮發(fā)分大量的物質(zhì)，增加了火焰的尺寸，并且在氣流床氣化還原性氣氛時(shí)，揮發(fā)分的燃燒時(shí)間也需要更長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行燃燒。