CN112557578A - 一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置及方法 - Google Patents

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CN112557578A CN202011446114.0A CN202011446114A CN112557578A CN 112557578 A CN112557578 A CN 112557578A CN 202011446114 A CN202011446114 A CN 202011446114A CN 112557578 A CN112557578 A CN 112557578A
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许扬
李�杰
王晓磊
刘鹏程
马宏怡
蔡安民
林伟荣
王恩民
焦冲
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Abstract

本发明公开的一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置及方法，属于固体燃料燃烧技术领域。装置本体包括分隔的上腔室和下腔室；上腔室上端连接有布风板，毛细管依次穿过布风板、上腔室和隔板，毛细管上端口与布风板的上方出口连通，下端口与下腔室连通；布风板中部设有中心给粉管；下腔室连接有CO进气管和H2进气管，上腔室连接有CO2进气管和O2进气管，各进气管上均设有流量监测及控制装置。本发明成功地在反应场中引入高温水蒸气，排除由于温度干扰带来的影响；通过将CO与H2充分混合，使焰后气体中水蒸气分布较为均匀。同时，可以通过计算，精确地调节水蒸气的含量，从而为研究气氛中水蒸气浓度对煤粉燃烧特性的影响提供稳定、可控的实验环境。

Description

一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置及方法
技术领域
本发明属于固体燃料燃烧技术领域，具体涉及一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置及方法。
背景技术
巴黎协定要求将全球气温上升(相较于前工业化时期)限制在2℃以内，并进一步追求更低的1.5℃。为了实现这一目标，新型的低碳燃烧技术受到了较为广泛的关注，其中比较有代表性的是富氧燃烧技术。与传统燃烧使用空气作为氧化剂不同，在富氧燃烧过程中，将纯氧与循环烟气的混合物作为氧化剂带入炉膛。由于烟气的再循环，使得炉膛内部的水蒸气含量远高于空气气氛，一般情况下富氧燃烧气氛中的水蒸气浓度可以达到15～30％，最高可至40％。由空气燃烧转至富氧燃烧，由于燃烧气氛的改变，燃烧过程中的热力学特性、动力学特性以及化学反应特性等均会发生相应变化。为了厘清环境气氛变化对煤粉颗粒燃烧产生的影响，需要在实验室规模小型机理型实验平台对富氧环境中炉膛内煤粉颗粒的燃烧行为进行深入的研究，从而为大型实验台运行提供支持。
为了更好地进行单个颗粒或者煤粉颗粒流燃烧机理的研究，一般采用较为小型的实验平台，并且实验平台需最好同时具备可在线采样性和可视性的特点。此外，由于实验室研究中采用的煤粉量较小，无法达到自维持燃烧，即无法通过自身燃烧产热维持炉膛的高温，因此，需要采用外部加热或者人为营造高温气氛，并且为了与实际炉膛气氛更为接近，对气氛的温度以及气氛中的组分浓度有较高的要求。目前广为采用的实验室规模燃烧器主要包括热重分析仪、滴管炉和平焰燃烧器。其中，如上所述，由于平焰燃烧器同时具备可在线采样性和可视性的特点，因此被广为采用。这里的平焰燃烧器是指利用特定燃料气(如CO等)、氧化剂(O2)和稀释气(如N2/CO2等)，通过燃烧产生高温焰后气体，从而为煤粉燃烧提供高温环境。通过精确控制燃烧器的燃料、氧化剂和稀释剂的流量，可以精确调整控制燃烧焰后气体的温度和氧气浓度，从而实现不同温度、氧气浓度工况下煤粉燃烧行为的研究。虽然平焰燃烧器具有较好的调节性能，但是目前主要的研究工作主要集中于研究环境温度、气氛中氧气浓度以及常规燃烧/富氧燃烧切换时对煤粉燃烧特性产生的影响，而将其用于研究水蒸气含量影响的工作仍然缺乏有效的方法。
为了在实验室实验平台模拟出实际气氛中水蒸气的含量，已有的大部分实验室研究工作采用了直接用蒸汽发生器产生水蒸汽，并通过一定预热装置，使水蒸气的温度升高到200℃左右，然后将其通过管路输送至高温场中。这种方法简单可行易操作，因而被广泛应用在实验室热重分析仪、滴管炉以及平焰燃烧器上。值得注意的是，通过直接引入水蒸气的方法添加气氛中水蒸气的含量，一方面，引入的水蒸气温度(约为200℃)大都比实验设定的温度工况(比如1200℃)低几百度，这样必然会导致原有设定的实验温度场发生变化；同时，新引入的水蒸气在高温场中空间分布不均匀，从而给实验结果带来很大不确定性。另一方面，对于平焰燃烧器来说，引入额外的水蒸气而不降低原有设定的组分情况，会使得煤粉颗粒所处的气氛中各组分的分压发生变化。由于氧气浓度、二氧化碳浓度等因素也均是影响煤粉燃烧行为的重要因素，因此，这也会给实验带来极大的不确定性，使得实验结果缺乏可信度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置及方法，结构设计合理，能够为研究气氛中水蒸气浓度对煤粉燃烧特性的影响提供一个稳定、可控的实验环境。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，包括装置本体，装置本体内部包括被隔板分隔的上腔室和下腔室；上腔室的上端连接有布风板，若干毛细管依次穿过布风板、上腔室和隔板，毛细管的上端口与布风板的上方出口连通，毛细管的下端口与下腔室连通；布风板中部设有中心给粉管，中心给粉管连接有煤粉给料系统；下腔室连接有CO进气管和H2进气管，上腔室连接有CO2进气管和O2进气管，CO进气管、H2进气管、CO2进气管和O2进气管上均设有流量监测及控制装置。
优选地，隔板为硅胶隔板。
优选地，布风板为蜂窝布风板。
优选地，毛细管的上端口高于布风板的上平面。
优选地，若干毛细管均布在布风板上。
优选地，流量监测及控制装置包括质量流量计和调节阀。
优选地，CO进气管和H2进气管连接有混合室，混合室的出口通过管道与下腔室连接。
进一步优选地，混合室的内壁为连续光滑曲面。
优选地，上腔室和下腔室的内壁为连续光滑曲面。
本发明公开的采用上述研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置进行研究的方法，包括：
设定好初始工况的相关参数后，通过流量监测及控制装置调节CO、H2、O2和CO2的流量，CO和H2进入下腔室，O2和CO2进入上腔室，下腔室内的CO和H2通过毛细管输送至上端口，经点燃后与布风板上方出口流出的O2和CO2发生反应，形成扩散的小火焰单元，若干个小火焰单元形成平面火焰，进而形成焰后高温场；煤粉经载气由中心给粉管进入焰后高温场燃烧；
完成初始工况实验后，通过调节CO、H2、O2和CO2的流量，在保证温度、焰后气体氧气浓度、焰后气体流速不变的情况下，实现不同焰后气体水蒸气浓度的气氛转换，进行水蒸气浓度对煤粉颗粒燃烧特性的影响的研究；具体的，通过以下各式实现：
装置中发生的化学反应式如下：
aCO+bH2+cO2+dCO2→eCO2+fH2O+gO2
由元素守恒得到：
a+d＝e
a+2c+2d＝2e+f+2g
2b＝2f
温度控制方程为：
a×h(CO,298K)+b×h(H2,298K)+c×h(O2,298K)+d×h(CO2,298K)
＝e×h(CO2，T)+f×h(H2O，T)+g×h(O2，T)
焰后气体速度控制方程：
Figure BDA0002831188120000041
焰后气体氧气浓度控制方程：
Figure BDA0002831188120000042
焰后气体水蒸气浓度控制方程：
Figure BDA0002831188120000043
其中，h为气体在该温度下的绝对焓；vgas为焰后气体的速度；R为通用气体常数；T为焰后气体温度；A为燃烧器截面面积；
Figure BDA0002831188120000044
为焰后气体中氧气的摩尔分数；
Figure BDA0002831188120000045
为焰后气体中水蒸气的摩尔分数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，基于实验室规模平面火焰燃烧器，通过燃料气的合理配比，实现反应焰后气体中水蒸气含量的合理调节。水蒸气的引入通过含H燃料的燃烧产生，比如采用H2作为含H燃料。而为了能够实现水蒸气含量的调节，同时采用不含有H的CO作为燃料气进行燃料配比；采用O2作为氧化剂，加上稀释气CO2，用以模拟富氧工况下环境气氛中较高的二氧化碳浓度。由于H2具有较宽的爆炸极限，且极易发生回火，因此本实验系统中采用较为安全的扩散火焰方式。在装置本体的进气端将燃料和氧化剂分隔为两个不同的腔室，两个腔室之间进行分隔。燃料和氧化剂分别进入装置本体的下腔室和上腔室，下腔室的燃料通过毛细管输送至装置本体出口，与上腔室的氧化剂在出口处发生氧化燃烧反应，产生高温焰后气体。煤粉则通过中心给粉管进入上述反应产生的高温气氛环境中，进而发生热解、着火、挥发分燃烧、焦炭燃烧等阶段。由于运输煤粉的载气一般流量较小，可以大致忽略这部分载气对温度场和组分场的影响。因此，在这种条件下，煤粉颗粒可以被认为是被瞬间暴露于高温多组分场中，其燃烧特性取决于周围流场的特性。在实验设计中，通过控制气体流量精确控制焰后气体中水蒸气的含量。本发明的装置，可以成功地在反应场中引入高温水蒸气，排除由于温度干扰带来的影响。并且，通过将燃料气CO与H2充分混合，可以使焰后气体中水蒸气分布较为均匀。同时，可以通过计算，精确地调节水蒸气的含量，从而为研究气氛中水蒸气浓度对煤粉燃烧特性的影响提供一个稳定、可控的实验环境。
进一步地，隔板采用硅胶隔板，耐腐蚀性能好。
进一步地，布风板采用蜂窝布风板，布风均匀。
进一步地，毛细管的上端口高于布风板的上平面，有利于氧化剂和稀释剂充分扩散混合。
进一步地，若干毛细管均布在布风板上，使气体的混合、燃烧均匀。
进一步地，在进入燃烧器前，燃料气CO和H2先进入混合室进行充分混合，确保燃烧后高温场内组分分布均匀。
更进一步地，混合室的内壁为连续光滑曲面，提高混合效果，避免出现淤积。
进一步地，上腔室和下腔室的内壁为连续光滑曲面，使进入的两种气体混合均匀，避免死角处出现淤积。
本发明公开的采用上述研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置进行研究的方法，操作简单，能够精确地调节水蒸气的含量，从而为研究气氛中水蒸气浓度对煤粉燃烧特性的影响提供一个稳定、可控的实验环境。
附图说明
图1为本发明的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置的整体结构示意图；
图2为本发明的实验方法流程示意图。
图中：1-流量监测及控制装置，2-混合室，3-下腔室，4-毛细管，5-上腔室，6-布风板，7-平面火焰，8-中心给粉管，9-焰后高温场。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，包括装置本体，装置本体内部包括被隔板分隔的上腔室5和下腔室3，隔板优选硅胶隔板；上腔室5的上端连接有布风板6，布风板6优选蜂窝布风板；若干毛细管4依次穿过布风板6、上腔室5和隔板，毛细管4的上端口与布风板6的上方出口连通；优选地，若干毛细管4均布在布风板6上；优选地，毛细管4的上端口高于布风板6的上平面；毛细管4的下端口与下腔室3连通；布风板6中部设有中心给粉管8，中心给粉管8连接有煤粉给料系统；下腔室3连接有CO进气管和H2进气管，上腔室5连接有CO2进气管和O2进气管，CO进气管、H2进气管、CO2进气管和O2进气管上均设有流量监测及控制装置1。
流量监测及控制装置1包括质量流量计和调节阀。
在本发明的一个较优的实施例中，CO进气管和H2进气管连接有混合室2，混合室2的出口通过管道与下腔室3连接；混合室2的内壁为连续光滑曲面。同时，上腔室5和下腔室3的内壁也为连续光滑曲面。
上述装置基于实验室规模平面火焰燃烧器，通过燃料气的合理配比，实现反应焰后气体中水蒸气含量的合理调节。在本发明中，水蒸气的引入通过含H燃料的燃烧产生，比如采用H2作为含H燃料。而为了能够实现水蒸气含量的调节，同时采用不含有H的CO作为燃料气进行燃料配比；氧化剂采用O2；稀释气采用CO2(也可以采用N2)，用以模拟富氧工况下环境气氛中较高的二氧化碳浓度。在进入燃烧器前，燃料气CO和H2先进入混合室进行充分混合，确保燃烧后高温场内组分分布均匀。由于H2具有较宽的爆炸极限，且极易发生回火，因此本实验系统中采用较为安全的扩散火焰方式。在燃烧器的进气端将燃料和氧化剂分隔为两个不同的腔室，两个腔室之间通过金属或者硅胶垫片实现分隔。燃料和氧化剂分别进入燃烧器的下腔室和上腔室，下腔室的燃料通过毛细管输送至燃烧器出口，与上腔室的氧化剂在出口处发生氧化燃烧反应，产生高温焰后气体。煤粉则通过燃烧器中心的中心管由少量载气(CO2)携带进入上述反应产生的高温气氛环境中，进而发生热解、着火、挥发分燃烧、焦炭燃烧等阶段。由于载气流量较小，可以大致忽略这部分载气对温度场和组分场的影响。因此，在这种条件下，煤粉颗粒可以被认为是被瞬间暴露于高温多组分场中，其燃烧特性取决于周围流场的特性。在实验设计中，通过控制气体流量精确控制焰后气体中水蒸气的含量。具体如下。CO和H2在上述条件下发生化学反应的反应式为
aCO+bH2+cO2+dCO2→eCO2+fH2O+gO2. (1)
实验中采用过量的氧化剂O2，因而在CO和H2充分燃烧之后的高温焰后气体中仍然存在过量的氧气，这与实际炉膛内部高温烟气同时具有一定浓度的氧气的气氛具有很好的相似性。为了通过控制变量的方法研究水蒸气的影响，需要控制温度、氧气浓度等关键参数一致。实验设计时采用的控制方程如下：
元素守恒：
a+d＝e, (2)
a+2c+2d＝2e+f+2g, (3)
2b＝2f. (4)
温度控制方程为：
a×h(CO,298K)+b×h(H2,298K)+c×h(O2，298K)+d×h(CO2,298K)＝e×h(CO2，T)+f×h(H2O，T)+g×h(O2，T).
(5)
焰后气体速度控制方程：
Figure BDA0002831188120000081
焰后气体氧气浓度控制方程：
Figure BDA0002831188120000082
焰后气体水蒸气浓度控制方程：
Figure BDA0002831188120000083
上式中，h为气体在该温度下的绝对焓；vgas为焰后气体的速度；R为通用气体常数；T为焰后气体温度；A为燃烧器截面面积；
Figure BDA0002831188120000084
为焰后气体中氧气的摩尔分数；
Figure BDA0002831188120000085
为焰后气体中水蒸气的摩尔分数。如上所述，对于一个给定的工况，可以有7个控制方程((2)-(8))，而根据化学反应方程式可知，对于一个特定的反应工况，一共有7个自变量(a-g)，因此，这是一个静定方程组。通过求解上述的方程，可以获得某一给定工况下燃料、氧化剂和稀释剂所需要的流量，而通过H2和CO流量的调节，也可以在保证温度、氧气浓度、焰后气体流速一致的条件下实现水蒸气浓度的调节。示例性地，对于一个出口截面直径为6cm的平焰燃烧器，设定其反应焰后气体流速为1.5m/s，若要在环境温度为1500K，气氛中氧气浓度为0.2工况下，改变气氛中水蒸汽浓度，研究其对煤粉燃烧特性的影响。通过求解式(2)-(8)，得到典型工况下的气体流量如表1所示。可见，通过调整燃料气的比例，可以实现目标工况中水蒸气浓度的可控变化。值得注意的是，由于受到温度的限制，在特定温度下，水蒸汽含量均有对应的上限值。如在1500K工况下，气氛中水蒸气浓度的上限值大约为0.225；在2000K工况下，水蒸气浓度的上限值大约为0.325。
表1. 1500K-0.2O2工况下不同水蒸气浓度的配气方案
Figure BDA0002831188120000091
如图2，在实验中，首先确定所选工况的温度、氧气浓度、焰后气体速度以及水蒸气浓度。通过求解方程(2)-(8)，确定所选定工况下燃料气CO、H2，氧化剂O2以及稀释气CO2所需要的流量。通过调节调节阀，精确控制进入燃烧器的各气体的流量。CO和H2经过流量计控制流量，进入混合室2。经过混合室2充分混合之后，进入燃烧器的下腔室3。氧化剂和稀释气经过混合后进入燃烧器的上腔室5。两个腔室之间通过硅胶隔板实现分隔。下腔室3的燃料通过毛细管4输运到燃烧器出口。上腔室5的氧化剂和稀释气经过蜂窝布风板后，经过外部火源点火，与毛细管4出口处的燃料气发生反应，形成若干个扩散小火焰单元，若干个扩散小火焰单元形成平面火焰7。因毛细管足够细，分布足够密集，因此反应的焰后气体场的组分较为均匀。反应焰后气体场中的主要组分为CO2、O2和H2O。至此，用于研究煤粉燃烧特性的焰后高温场9已经形成。接下来，通过少量载气(～0.5L/min)携带煤粉颗粒，经由中心给粉管8进入焰后高温场9。煤粉进入焰后高温场9中，相继发生热解、着火、挥发分燃烧以及焦炭燃烧等阶段。
在完成一个工况的实验后，在保证温度、氧气浓度、焰后气体流速不变的情况下，调整水蒸气的浓度，重新通过式(2)-(8)计算得到新工况下的燃料气、氧化剂和稀释气的流量。调节流量计，使得实际流量与计算工况相同，这便完成了不同水蒸气浓度的气氛转换。通过这种调节方法，可以在较大温度变化范围(～600K-2000K)、较大的水蒸气调节范围(0％-32.5％)之间对水蒸气对煤粉颗粒燃烧特性的影响进行研究。通过该方式产生的高温场中的水蒸气分布较为均匀，温度与设定工况一致，从而减小了额外引入水蒸气所带来的不确定性误差。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。如含氢燃料的选择，上述示例选用了H2，其他含氢燃料均包含在本专利所属范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，包括装置本体，装置本体内部包括被隔板分隔的上腔室(5)和下腔室(3)；上腔室(5)的上端连接有布风板(6)，若干毛细管(4)依次穿过布风板(6)、上腔室(5)和隔板，毛细管(4)的上端口与布风板(6)的上方出口连通，毛细管(4)的下端口与下腔室(3)连通；布风板(6)中部设有中心给粉管(8)，中心给粉管(8)连接有煤粉给料系统；下腔室(3)连接有CO进气管和H2进气管，上腔室(5)连接有CO2进气管和O2进气管，CO进气管、H2进气管、CO2进气管和O2进气管上均设有流量监测及控制装置(1)。
2.根据权利要求1所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，隔板为硅胶隔板。
3.根据权利要求1所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，布风板(6)为蜂窝布风板。
4.根据权利要求1所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，毛细管(4)的上端口高于布风板(6)的上平面。
5.根据权利要求1所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，若干毛细管(4)均布在布风板(6)上。
6.根据权利要求1所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，流量监测及控制装置(1)包括质量流量计和调节阀。
7.根据权利要求1所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，CO进气管和H2进气管连接有混合室(2)，混合室(2)的出口通过管道与下腔室(3)连接。
8.根据权利要求7所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，混合室(2)的内壁为连续光滑曲面。
9.根据权利要求1所述的研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，其特征在于，上腔室(5)和下腔室(3)的内壁为连续光滑曲面。
10.采用权利要求1～9任意一项所述研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置进行研究的方法，其特征在于，包括：
设定好初始工况的相关参数后，通过流量监测及控制装置(1)调节CO、H2、O2和CO2的流量，CO和H2进入下腔室(3)，O2和CO2进入上腔室(5)，下腔室(3)内的CO和H2通过毛细管(4)输送至上端口，经点燃后与布风板(6)上方出口流出的O2和CO2发生反应，形成扩散的小火焰单元，若干个小火焰单元形成平面火焰(7)，进而形成焰后高温场(9)；煤粉经载气由中心给粉管(8)进入焰后高温场(9)燃烧；
完成初始工况实验后，通过调节CO、H2、O2和CO2的流量，在保证温度、焰后气体氧气浓度、焰后气体流速不变的情况下，实现不同焰后气体水蒸气浓度的气氛转换，进行水蒸气浓度对煤粉颗粒燃烧特性的影响的研究；具体的，通过以下各式实现：
装置中发生的化学反应式如下：
aCO+bH2+cO2+dCO2→eCO2+fH2O+gO2
由元素守恒得到：
a+d＝e
a+2c+2d＝2e+f+2g
2b＝2f
温度控制方程为：
a×h(CO，298K)+b×h(H2，298K)+c×h(O2，298K)+d×h(CO2，298K)
＝e×h(CO2，T)+f×h(H2O，T)+f×h(O2，T)
焰后气体速度控制方程：
Figure FDA0002831188110000021
焰后气体氧气浓度控制方程：
Figure FDA0002831188110000031
焰后气体水蒸气浓度控制方程：
Figure FDA0002831188110000032
其中，h为气体在该温度下的绝对焓；vgas为焰后气体的速度；R为通用气体常数；T为焰后气体温度；A为燃烧器截面面积；
Figure FDA0002831188110000033
为焰后气体中氧气的摩尔分数；
Figure FDA0002831188110000034
为焰后气体中水蒸气的摩尔分数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113719837A (zh) * 2021-09-01 2021-11-30 东南大学 一种用于微纳材料制备的微尺度火焰燃烧器
CN114740140A (zh) * 2022-04-01 2022-07-12 中国科学院过程工程研究所 一种研究污泥对燃烧影响的系统装置及其运行方法与应用

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113719837A (zh) * 2021-09-01 2021-11-30 东南大学 一种用于微纳材料制备的微尺度火焰燃烧器
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