一种研究湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤粉燃烧技术领域，具体涉及一种研究湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置及方法。

背景技术

煤粉燃烧是一个涉及瞬态、多相、多组分、高温、湍流等复杂变量的过程，对煤粉燃烧机理的研究，跨越了不同的时间和空间尺度。现有的工业锅炉和电站锅炉，其容量较大，尺度较大，基于实际锅炉进行的测量和数值模拟多为基于欧拉场的统计性时间平均或空间平均的测量，很难做到颗粒水平机理层面的解析。为了更好地进行炉膛内部的燃烧调整，为实现清洁煤燃烧打下理论基础，则需要对煤粉燃烧过程中的机理性规律开展深入性的理论研究。

现有的针对煤粉燃烧过程的理论研究大部分均在实验室规模小尺度的实验平台开展。由于对煤粉燃烧机理研究所关注的研究对象多为单颗粒或者小流量分散煤粉颗粒流，因此燃烧器大多为外部加热方式，而非自维持燃烧装置。比较常用的用于研究煤粉燃烧特性的实验室平台为热重分析仪、丝网反应器、滴管炉以及平焰燃烧器，而主要关注的煤粉燃烧特性则包括煤粉热解、着火、挥发分燃烧以及焦炭燃烧特性等。上述反应器可以支持较为系统的(不同环境温度、组分浓度)煤粉燃烧特性研究，并且工况调节较为灵活。对于平焰燃烧器来说，其更是具有较好的光学可视性，可以满足对煤粉燃烧过程的实时动态观测，因此被广为采用。但是值得注意的是，上述的实验平台均是基于层流简化的条件下进行的实验设计，其内部的气氛均为静止的气体或是小雷诺数的流动环境，而忽略了湍流的影响。但是，对于实际锅炉炉膛，由于燃烧器的布置以及复杂的燃烧环境，其内部是一个具有较大湍动度、较大火焰拉伸率的环境，湍流场中的能量、组分输运特性以及化学反应特性相较于层流工况均会发生较大的变化。煤粉燃烧过程是一个涉及质量传递、动量传递、能量传递和化学反应的过程，湍流对传热传质和化学反应的影响会直接作用于煤粉燃烧过程。因此，为了更好地模拟煤粉颗粒在实际炉膛中的燃烧行为，在实验室小型规模燃烧器上模拟实际炉膛内部的湍流场，研究湍流场对煤粉燃烧的影响具有重要意义。

已有部分研究工作考虑了湍流场对煤粉颗粒燃烧的影响，有研究基于40kW同轴射流旋流燃烧器进行煤粉燃烧实验，并探究了其上煤粉燃烧特性。但是，该研究主要关注的还是环境中组分浓度对煤粉颗粒燃烧特性的影响，而缺少对于湍流影响的讨论。一部分原因是因为对于该燃烧器，精确地调节其产生的湍流场比较困难。

同时，已有的研究大多还是从欧拉场角度研究湍流场行为，缺少对湍流场中煤粉颗粒燃烧行为的详细讨论。比如，授权公布号为CN109595548B的专利报道了一种浓淡返混式旋流煤粉燃烧器，该燃烧器可以实现在燃烧器内部的煤粉浓淡返混及浓淡分级燃烧，因而有利于煤粉的着火与稳定燃烧，但是该燃烧器的运行条件仍然限制了在单颗粒水平对湍流流场影响进入深入探究的可行性，且其固定的燃烧器结构限制了对其内部湍流场的合理调节。

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湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置及方法，能够精确控制流场湍流强度，且场内温度和组分分布均匀，实现在不同湍流环境下煤粉颗粒的燃烧特性的研究。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种研究湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置，包括内部石英管、外部石英管、上盖板、中间板、下盖板和中心给粉管；

上盖板、中间板和下盖板依次固定连接，上盖板与中间板的内部通道连通形成密闭的燃烧腔室；中间板内部设有若干与燃烧腔室相切的狭缝，且若干狭缝的出口沿同一旋向分布，狭缝分别连接有气流入口，气流入口与燃料系统和氧化剂系统连接；外部石英管下端与上盖板连接且与燃烧腔室连通；中心给粉管的出口伸入燃烧腔室，入口与煤粉系统连接；内部石英管同轴嵌套在外部石英管内部，并且内部石英管下端与外部石英管下端具有间距；内部石英管的出口端内部设有旋片。

优选地，狭缝为等间距均布。

优选地，相邻气流入口分别连接燃料系统和氧化剂系统。

优选地，所有狭缝出口处的气流速度相等。

优选地，中心给粉管内携带气流的流量＜所有狭缝出口气流总流量的1％。

优选地，中心给粉管的出口高于狭缝出口的距离为外部石英管内径的50％～100％。

优选地，内部石英管下端与外部石英管下端之间的距离为外部石英管内径的50％～100％。

优选地，旋片的螺旋角＜45°。

优选地，旋片的旋向与狭缝出口的旋向一致。

本发明公开的采用上述研究湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置进行研究的方法，包括：

燃料和氧化剂由气流入口进入狭缝后由切向进入燃烧腔室，混合后形成半预混燃料气，经点燃后火焰沿燃烧腔室向上轴向发展，受到外部石英管的约束，形成湍动度大的旋流火焰；内部石英管将火焰分为近壁大温度梯度的火焰阵面区和内部温度组分分布均匀的燃烧产物区；煤粉颗粒由中心给粉管送至燃烧产物区，在高温湍流场中进行燃烧；根据所需工况，对温度和组分浓度进行控制，通过改变狭缝的截面积，在不改变温度和组分浓度的情况下，实现湍流场强度的调节，对不同湍流环境下煤粉颗粒的燃烧特性进行研究。

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湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置，由燃料燃烧所产生的外部火焰场为煤粉燃烧提供了稳定的高温环境，外部石英管保证了对煤粉燃烧过程观测的可视性；燃料和氧化剂通过切向布置的狭缝射流进入燃烧器并快速混合燃烧，为煤粉颗粒燃烧提供湍动度较大的高温环境；内部石英管的布置确保了煤粉颗粒能够始终停留在温度均匀的中心高温流场区域，避免近壁面低温区对实验的影响；可控的装置参数为燃烧提供了可控的环境，模块化的实验装置结构简化了实验平台的参数调整。该装置能够精确控制流场湍流强度，各参数能够根据实验需要进行灵活调整，且场内温度和组分分布均匀，实现在不同湍流环境下煤粉颗粒的燃烧特性的研究。

进一步地，狭缝为等间距均布，能够使燃烧腔室内部的流场分布均匀。

进一步地，相邻气流入口分别连接燃料系统和氧化剂系统，能够防止燃料回火。

进一步地，所有狭缝出口处的气流速度相等，能够形成的流场均匀稳定。

进一步地，中心给粉管内携带气流的流量＜所有狭缝出口气流总流量的1％，能够减少携带气流对温度场的影响。

进一步地，中心给粉管的出口高于狭缝出口的距离为外部石英管内径的50％～100％，确保煤粉颗粒进入焰后均匀高温场。

进一步地，内部石英管下端与外部石英管下端之间的距离为外部石英管内径的50％～100％，既给火焰充分发展的空间，又避免煤粉颗粒进入近壁面低温区。

进一步地，旋片的螺旋角＜45°，防止对煤粉气流运动形成阻碍，导致管路堵塞。

进一步地，旋片的旋向与狭缝出口的旋向一致，减少携带煤粉的气流对高温气流场的影响，使混合更加均匀。

本发明公开的采用上述研究湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置进行研究的方法，能够根据所需工况，对温度和组分浓度进行控制，通过改变狭缝的截面积，在不改变温度和组分浓度的情况下，实现湍流场强度的调节，对不同湍流环境下煤粉颗粒的燃烧特性进行研究。

附图说明

图1为本发明的研究湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置的整体结构示意图；

图2为中间板的结构示意图；

图3为上盖板的结构示意图；

图4为有无内部石英管时颗粒运动轨迹对比示意图。

图中：1-支架，2-内部石英管，3-外部石英管，4-上盖板，5-中间板，6-下盖板，7-中心给粉管，8-旋片，501-气流入口；502-狭缝；401-石英管嵌入凹台；402-凹台内径；403-凹台外径。

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，本发明的研究湍流场中煤粉颗粒燃烧特性的实验装置，包括支架1、内部石英管2、外部石英管3、上盖板4、中间板5、下盖板6和中心给粉管7。

支架1主要包括底部用于承载下盖板6及固定中心给粉管7的底座部分和上部用于悬挂固定内部石英管2的悬臂夹部分，悬臂夹部分在水平和高度方向可调，能够方便调整内部石英管2在外部石英管3内的相对位置。

上盖板4、中间板5和下盖板6依次固定连接，上盖板4与中间板5的内部通道连通形成密闭的燃烧腔室，燃烧腔室一般为圆柱形。

如图2，中间板5内部设有若干与燃烧腔室相切的狭缝502，且若干狭缝502的出口沿同一旋向分布，狭缝502分别连接有气流入口501，气流入口501与燃料系统和氧化剂系统连接。在本发明的一个较优的实施例中，狭缝502的数量为4，且为等间距均布；优选地，相邻气流入口501分别连接燃料系统和氧化剂系统；所有狭缝502出口处的气流速度相等。

需要说明的是，狭缝502的截面积可以是长方形或圆形，通过在狭缝502内设置阀门就能对内部气流的流量进行精确控制。

外部石英管3下端与上盖板4连接且与燃烧腔室连通。如图3，在本发明的一个实施例中，上盖板4上加工有石英管嵌入凹台401，其凹台内径402与外部石英管3的内径相等，凹台外径403与外部石英管3的外径相等。

中心给粉管7穿过中间板5和下盖板6，出口伸入燃烧腔室，入口与煤粉系统连接；内部石英管2同轴嵌套在外部石英管3内部，并且内部石英管2下端与外部石英管3下端具有间距，优选地，内部石英管2下端与外部石英管3下端之间的距离为外部石英管3内径的50％～100％。在本发明的一个较优的实施例中，中心给粉管7内携带气流的流量＜所有狭缝502出口气流总流量的1％；中心给粉管7的出口高于狭缝502出口的距离为外部石英管3内径的50％～100％。

内部石英管2的出口端内部设有旋片8。在本发明的一个较优的实施例中，旋片8的螺旋角＜45°，且旋片8的旋向与狭缝502出口的旋向一致。

下面以一个具体的实施例来对本发明的工作过程和原理进行进一步地解释说明：

对煤粉颗粒来说，其燃烧方式属于外部加热辅助燃烧方式。将煤粉颗粒射流入具有较强湍动度的高温多组分场中，通过结构调节改变流场的湍流强度，在控制其它环境变量不变的条件下，研究不同湍流强度条件下煤粉颗粒的燃烧特性。上盖板4、下盖板6中间紧密夹合中间板5形成该燃烧器的主体部分。外部石英管3嵌入上盖板4中，形成火焰发展通道。内部石英管2从外部石英管3上出口悬挂嵌入外部石英管3内部，将外部石英管3内部的区域划分出单独的两个区域。在该燃烧器中，燃料和氧化剂分别通过中间板5切向布置的狭缝502(四角切圆)射流进入燃烧腔室，高速射流进入的燃料和氧化剂发生快速混合，形成半预混燃料气。通过外部能量源点燃半预混气体，火焰沿着燃烧器轴向发展，形成湍动度较大的旋流火焰。燃烧器轴向采用外部石英管3约束火焰，内部石英管2将火焰分为近壁大温度梯度的火焰阵面区和内部温度组分分布均匀的燃烧产物区。高温玻璃石英管的使用保证了火焰的可视性。煤粉颗粒经由下盖板6伸入的中心给粉管7送入燃烧器中心均匀的焰后气体中，一般为狭缝502出口上方2～3cm处；在高温湍流场中发生热解、燃烧等行为。中心给粉管7内的携带气流流量低于主路气量的1％，以减少携带气流对温度场的影响。中心给粉管7内部靠近出口处安装旋片8，旋片的螺旋角不宜过大，一般小于45°，使得携带煤粉的气流以一定的旋度进入高温场中，增强给粉气流与高温气流的混合。

该燃烧器的关键参数为燃烧器的旋流数，以长方形截面的狭缝502为例，其与射流入口狭缝的宽度w和高度h、火焰通道直径(外部石英管3内径)D紧密相关。即切向动量的轴向通量与轴向动量通量之比，可以通过如下公式简化计算得到：

由上述公式可知，通过调整狭缝宽度w、狭缝高度h，可以灵活地调整该燃烧器内部流场的旋流数，从而控制内部流场的湍流强度。由于燃烧器主体由上盖板4、下盖板6和中间板5组成，其通过螺栓连接的方式紧密贴合，因此在调整狭缝尺寸时，通过直接替换中间板5的方式，避免了整体结构的替换，从而简化了实验平台。

外部石英管3一方面起到约束火焰，为火焰提供一个发展通道的作用，另一方面也保证了整个火焰的可视性。而内部由上方悬挂进入的内部石英管2，其底部距外部石英管3有3～4cm的间隙。考虑到燃烧器内部是一个旋流较大的流场，煤粉颗粒进入之后会受到较强的离心力而被甩到近壁面低温区，因此，内部石英管2的作用是将外部石英管3近壁面的低温区隔离开，使得煤粉颗粒能够一直停留在燃烧器中心温度较高且较为恒定的高温区。

为了精确控制实验中的温度和组分浓度，采用绝热火焰温度计算的方法，确定燃料、氧化剂和稀释剂的入口流量。以甲烷作为燃料、氧气作为氧化剂、氮气作为稀释气体为例，其发生的化学反应为

aCH

该方程式有7个未知系数；通过给定研究中所需的焰后气体温度、焰后气体中氧气浓度、狭缝入口处气流速度，可以得到元素守恒(C、H、O、N)和温度、氧气浓度、狭缝入口气流速度方程，共计7个方程。具体方程如下：

由元素守恒得到：

a＝d

4a＝2e

2b＝2d+e+2f

2c＝2g

温度控制方程为：

a×h(CH

＝d×h(CO

狭缝入口气体速度控制方程：

焰后气体氧气浓度控制方程：

其中，h为气体在该温度下的绝对焓；v

在实验设计时，为了防止燃料回火的发生，燃料和氧化剂分别通过不同的狭缝射流进入。为了使得燃烧器内部的流场分布均匀，狭缝的布置采用等间距对角线布置，同时，不同狭缝出口处的气流速度须保持一致。在实验中，通过稀释气体流量分配的调节，实现各狭缝入口速度均衡。表1给出了，对于狭缝宽度为2mm，狭缝高度为12mm，中心流道直径为30mm，狭缝入口气流速度为10m/s，燃料、氧化剂以及稀释气的流量分配。

表1

对于由该方法产生的高温火焰以及其焰后气体场，可用邓克尔数来衡量。邓克尔数的定义如下：

其中，τ

如图4，为增加内部石英管2与不增加内部石英管2时，颗粒运动轨迹的差异。由于外部石英管3的外壁与室温的大气接触，内部近壁面处形成了管束状的旋流火焰，因此在近壁面区其温度梯度较大，温度分布较不均匀。在没有内部石英管2的情况下，当煤粉颗粒经中心给粉管给入内部流场之后，由于燃烧器内部流场较大的拉伸率，在离心力的作用下，颗粒逐渐运动至近壁面的不均匀区域，这会给实验结果带来较大的不确定性。通过添加内部石英管2，将火焰面与焰后气体隔离。内部石英管2放置于焰后温度均匀的区域，煤粉颗粒进入流场后，由于内部石英管2的约束，其运动轨迹被约束到燃烧器中心区域的恒温气体区。通过添加内部石英管2，可以增加煤粉颗粒在高温场中的停留时间，避免近壁面低温区对实验的影响。

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。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。