多喷嘴对置式水煤气化炉内颗粒挥发分火焰可视化分析.pdf

65 技术研究2023年第10期1 实验方法1.1 实验装置多喷嘴对置式水煤浆气化炉如图1所示，从图中可以看出可视化装置的布置，而气化炉分成两部分，一部分是上部的气化室，一部为下部的激冷室，而其壳体主要是不锈钢材质，而内部材质则是刚玉耐火层，并在两层间使用了陶瓷纤维的保温棉进行填充，并在气化室的中上外部位置安装同轴双通道水冷喷嘴，采取水平对置的安装方式，并加设热电偶在气化室的直筒区域，以此来有效的监测气化炉温度。使用高温内窥镜并加装在气化室的顶、喷嘴平面，并与高速相机相结合来对气化炉的燃烧进行有效的监视，然后再记录实际的颗粒反应状态1。在本次实验研究中主要运用了两组成像系统，一组在气化炉炉顶的位置，使用了JAI工业相机、高温内窥镜，以此来监视燃烧的实际情况，一组安装在喷嘴平面位置，而此处使用PCO高速摄像机、高温内窥镜，以此来实现对喷嘴平面煤颗粒的反应加以记录2。1.2 实验条件设定煤、水煤浆等实验材料的性质见表1。而气化炉的操作条件主要是：水煤浆流速10kg/h、氧气流速140m/s、氧气流量81L/min、摩尔比1.2。1.3 图像处理选择喷嘴非射流区的回流区颗粒进行分析，因为部分颗粒在回流区运动，且速度低于射流区，可以更加清晰明了的查看挥发分的燃烧，设定相机4000fps，然后再对停留时间高的颗粒加以图像的处理，最后分析颗粒在气化基础上的挥发分特性。基于原始图像开展综合处理，然后得出多喷嘴对置式水煤气化炉内颗粒挥发分火焰可视化分析朱志全陕煤集团榆林化学有限责任公司 陕西 神木 719300摘要：通过对多喷嘴对置式的水煤浆气化炉进行研究，利用可视化技术对气炉喷嘴的颗粒挥发分燃烧的过程进行监视并记录，分析气化环境下300m颗粒在挥发分火焰的尾迹形态，并对变化的过程加以深入的分析，最终结果显示；当颗粒经过挥发分后，火焰呈现为非典型的包络型火焰，并且挥发分后的尾迹形态受到两方面的影响，分别是颗粒脱挥发分所处阶段，以及颗粒相对气流运动状态，而且时间发生变化也会促进其不断的变化；当颗粒处于气流床气化还原性气氛时则会增加燃烧的时长。关键词：多喷嘴对置式 挥发分火焰 可视技术 燃烧 气流床气化炉V i s u a l i z a t i o n T e c h n o l o g y A n a l y s i s o f P a r t i c l e V o l a t i l e F l a me i n Mu l t i n o z z l e O p p o s i t e Wa t e r g a s G a s i f i e rZ h u Z h i q u a nShanxi Coal Group Yulin Chemical Co.，Ltd.，Shenmu 719300Abstract：This article conducts research on a multi nozzle opposed coal water slurry gasifier，and uses visualization technology to analyze the process of particle volatilization combustion in the gas furnace nozzle by combining physics and technology to analyze the gasification environment300.The wake morphology of m particles in volatile flame is analyzed in depth，and the final results show that when particles pass through volatile，the flame presents an atypical envelope type flame.The wake morphology after volatile is affected by two aspects，namely the stage of particle devolatilization and the relative airflow motion state of particles，and changes in time also promote its continuous change；When particles are in a fluidized bed gasification reducing atmosphere，it will increase the combustion time.Keywords：Multi nozzle opposed type；Volatile flame；Visual technology；Burning；entrained flow gasifier图1 气化炉和可视化装置布置图技术研究 66 2023年第10期颗粒及火焰的实际信息，而经过处理的图片可以看出挥发分的尾迹颗粒，而低温颗粒的高温尾迹火焰亮度高于背景，颗粒亮度低于背景，所以判定背景高亮度区域的火焰是有效面积，并低于气化炉的背景亮度。图像处理步骤主要为：（1）拍摄彩图进行转换成灰度图；（2）设置图像的亮度、对比度等参数来提升颗粒和火焰与背景的对比识别度；（3）滤波处理促进背景平坦化，减少背景图的不利干扰因素存在；（4）对图像阈值进行有效的分割，调整阈值分离出现火焰和颗粒与背景，对黑色区域及白色背景进行二值化的图像处理；（5）统计颗粒、火焰面积的实际参数，并换算得出颗粒和火焰的大小3。颗粒的平均大小在通过喷嘴的雾化处理之后有50.00%左右均低于400m，而且到回流区时也经过干燥、部分挥发分，所以选择300m的颗粒开展讨论分析。2 结果及分析2.1 挥发分燃烧过程经对颗粒挥发分燃烧的图片进行处理后的图像开展分析，如图2所示，其摩尔比为1.2时得出的喷嘴平面颗粒挥发分的燃烧图像，其以喷嘴当作起点呈现扇形的分布，主要分布在射流和非射流的区域流场，图中所以框选的a区和b区位于射流区域，而c区和d区则位于非射流区域中4。图2 喷嘴颗粒反应过程当水煤浆被高速氧气加速剪切后进入气化炉内开始进行加热气化，而喷嘴平面出现较为强烈的气化反应，并且出现较为复杂的流场，在回流区的高温尾迹颗粒脱挥发分时，颗粒的速度受到高速气流的影响，且挥发分的物质轻，具有较高的浮力，此时煤颗粒挥发分后，被颗粒与气流两者速度矢量差的作用而聚集，并在颗粒一侧拉长，且聚集、伸长和同气流运动方向的相同。喷嘴平面的温度也比高速射流氧气要高，所以容易被点燃5。挥发分的尾迹形态整体随时间的变化而变化，而脱挥发分的速率及运动的状态无法对尾迹的形态变化产生一定的影响。从图2的a区和b区显示的小粒径颗粒，其挥发分的尾迹显示，以及c区和d区的大粒径颗粒尾迹对比表明，c区的颗粒在初始脱挥发分时尾迹短，但随着气流不受重力的影响而向上进行运动时，由于物质比颗粒轻，所以挥发分的长度短，并且基本聚集在颗粒的上方，伸长和气流的方向也相同。此时颗粒在脱挥发分时，实际的速率远远高于挥发分燃烧时的消耗速率，由于颗粒的速度低于气流，且挥发分时一直在析出，所以挥发分的尾迹出现伸长的发展趋势。图2的d区位于上部的非射流区域，和射流区的顶端比较接近，而且在此区域内的低速气流容易受至高速气流的卷吸影响而向其方向撞击，当颗粒向上不断运动至此区域时，向上运动的速度未完全消失，但挥发分被气流拉扯而不断的向左下伸展，运动的速度也不断的下降，随时间的增加，燃烧时的消耗速率则高于挥发分的析出率，由此导致尾迹呈现出逐渐变短的趋势。图2的a区则位于射流区的末端，所以高速气流的速度不断的向撞击区略下方向，由此致使颗粒向上运动时，挥发分过程上从集中在颗粒的上方而变换成左下方，而且运动的速度也受气流的影响而下降。在图2的b区，小粒径的颗粒尾迹出现半环伸长的状态，此主要是由于颗粒在向b区进行运动过程中遇至高速气流而引起颗粒运动状态的改变，由此拉长了尾迹形态，尾迹半环状则主要是受气流和颗粒改变后的速度矢量影响导致。另外，某一刻的挥发分尾迹主要是由颗粒脱挥发分的阶段、运动位置气流和颗粒的速度所决定，颗粒对气流运动的状态、火焰形态具有非常大的影响6。2.2 挥发分火焰随时间变化分析200m与250m的煤颗基于摩尔比1.2时的挥发分的火焰及颗粒的面积，两者的等效直径比伴随时间的延长出现的变化如图3所示，曲线主要是挥发分后的火焰面积的变化拟合趋势，从0时进行记录，在视场内，颗粒200m的火焰表现非常小，而且挥发分后的火焰比颗粒要大，所以无法调整亮度来分享图像，出现非常大的误差，所以在此不对200m挥发分的火焰变化进行分析。表1 煤质分析和水煤浆物性参数工业分析元素分析水煤浆性质VdFCdAdCdHdNdSdOd质量分数黏度密度32.71%59.08%8.18%70.77%4.66%1.01%1.83%13.49%61.00%27.3mPas1344kgm-3 67 技术研究2023年第10期（a）200m煤颗粒（b）250m煤颗粒图3 单颗粒挥发分火焰由于挥发分燃烧主要是在颗粒内一直进行析出、燃烧进行消耗相互叠加的过程，所以火焰的面积需要增高至峰值以后再降低。从图3中可以清晰看出，挥发分后的火焰伴随时间的延长而出现了先提升再下降的发展趋势，并且200m和250m颗粒分别在8ms、12ms火焰的面积到达峰值，进而说明颗粒的燃烧主要是挥发分的释放过程，以及反应消耗过程。通过比较200m和250m颗粒挥发分的火焰面积发现，其峰值速率及最大和颗粒的等效直径比没有较大的差异。在实验时未能记录完整的脱挥发分的过程，主要是由于水煤浆雾化时出现较多的颗粒，并在随气流运动时出现破碎而引起颗粒大小改变；在颗粒运动时，受湍流火焰及其它颗粒遮挡的影响，并且成像系统视场也有局限，所以导致无法记录颗粒在较为完整的脱挥发分，无法比较颗粒从脱挥发分至火焰面积峰值的相应速率。有关研究显示，其在21.00、29.80、40.02%O2中保持加热速率（1.0105k/s）对烟煤的颗粒进行研究，颗粒大小180200m，结果显示颗粒在挥发分起始至火焰面积峰值需要8ms、3ms、2ms，并且当颗粒处于29.80%时，挥发分的燃烧只需要10ms即可完成燃烧。由此说明本次研究中，颗粒在气化下的挥发分燃烧时间更长，而挥发分的燃烧时间和氧含量具有非常紧密的关系7。3 结束语综上所述，对多喷嘴对置式的水煤浆气化炉开展可视研究，清晰地分析了在气流床气化下颗粒的挥发分特性，再和图像相结合分析挥发分的尾迹而得出，当颗粒经过回流区挥发分后，火焰的形态则呈现为非典型的包络型火焰，挥发分聚集方向和伸长的方向和气流运动方向相同，并且挥发分后的尾迹形态受到两方面的的影响，分别是颗粒脱挥发分所处阶段，以及颗粒相对气流运动状态，而且时间发生变化也会促进其不断的变化；颗粒粒径提高则显示挥发分的质量也提高，释放挥发分大量的物质，增加了火焰的尺寸，并且在气流床气化还原性气氛时，挥发分的燃烧时间也需要更长的时间进行燃烧。参考文献1LiL，TahmasebiA，DouJ，etal.InfluenceoffunctionalgroupstructuresoncombustionbehaviorofpulverizedcoalparticlesJ.JournaloftheEnergyInstitute，2020，93（5）：2124-2132.2 吴晓苹.多喷嘴对置式水煤浆气化炉支撑板超温原因分析及改造措施 J.肥料与健康，2021，48（2）：39-41；58.3 宋成凯，祝贺.多喷嘴对置式水煤浆气化装置氧气流量温压补偿方案分析 J.中氮肥，2020（3）：17-18；26.4 李俊凯，李国，吴鹏，等.多元料浆气化工艺与多喷嘴对置式水煤浆气化工艺的分析比较 J.山东化工，2019，48（19）：136-138.5 查杰，郭庆华，龚岩，等.多喷嘴对置式水煤浆气化炉内钠元素的释放与转化 J.燃料化学学报，2017，45（1）：1-8.6 郭庆华，王亦飞，陈雪莉，等.多喷嘴对置式水煤浆气化技术进展及工程应用 J.氮肥与合成气，2019，47（1）：1-6；11.7 唐广军，李琳，王成黎，等.多喷嘴对置式水煤浆气化废锅激冷流程气化炉的研究与应用 J.煤炭加工与综合利用，2018（12）：18-21；25.