湍流热环境中毫米级木质生物质颗粒燃烧特性
0 引 言
随着人们对气候变化的不断关注,碳中和与低碳能源转型已逐渐成为世界各国的发展战略。根据国际能源署公布的《2050年净零排放:全球能源行业路线图》估计[1],未来30 a内生物质能源的使用量将迅速增长,尤其是在电力行业中,生物质能联合碳捕集与封存技术(BECCS)是发电侧实现快速深度降碳的可行技术。研究表明,现存燃煤机组耦合生物质发电的技术路线相对成熟,将实现低成本有效降碳[2-3]。
煤粉炉、循环流化床、层燃炉等大型燃烧装置内部呈高温、大拉伸率和强湍流脉动的环境特征。以煤粉炉为例,燃烧器出口附近区域湍流强度达10%～120%[4-5],燃料颗粒在此环境中受热着火。此情形下气相湍流脉动速度可能与气固时均滑移速度基本相当甚至更高。大量文献研究表明气固滑移速度引起的对流换热对固体颗粒着火和燃烧时间的作用至关重要[6-7],这些研究采用低流速吹扫的燃烧环境,即层流试验工况,不考虑湍流脉动的影响。目前,新型燃烧技术向湍流脉动速度更高的方向发展,如提高射流速度实现MILD燃烧[8-9]。当湍流脉动作用于颗粒时,即使近壁面区湍流存在衰减,仍对气固两相间的传热传质有强化作用,从而影响颗粒扩散[10-11]、受热和着火[11-13]、燃尽[14-15]等过程。学者采用试验和模拟方法对湍流环境中煤粉或毫米级煤颗粒的燃烧开展研究,认为提高湍流脉动速度有利于煤粉火焰传播[16]、改变着火模式和火焰形态[5,12-13]、缩短着火延迟时间[13,17]。祁胜等[17]在Hencken型平焰燃烧器上对比分析了层流和不同湍流强度下煤粉颗粒群整体的着火和燃烧特性,发现层流状态下煤粉射流火焰窄而明亮,当一次风湍流强度增强时,不仅颗粒扩散运动变得剧烈,且射流火焰形态发生变化,着火距离缩短,说明增大湍流强度使颗粒升温速率加快。目前缺少在纯湍流热环境中、单颗粒水平上对颗粒具体燃烧行为开展全面研究,对生物质颗粒燃烧的研究则更少提及。
生物质电厂普遍采用固体生物质作为燃料,包括木材、秸秆和能源作物等。生物质燃料共性包括:高度纤维化、韧度高、挥发分含量高、热值和密度相对较低等。在原料破碎过程中,磨机的能耗几乎与粒径呈正比[18]。关于生物质颗粒制粉性能的研究结果均表明将高度纤维化的生物质颗粒研磨成与煤粉相匹配的粒度所需能耗过高[19-20]。生物质热值较低(约16～20 MJ/kg),意味着磨机需磨碎大量生物质才能达到相同热功率,磨机负荷大幅增加,且会造成严重的粉尘问题和燃烧器安全隐患。考虑到生物质燃料易着火特性和电厂经济性,生物质颗粒入炉粒径往往比煤粉粒径更大。实际电厂数据表明生物质颗粒的平均粒径在700～900 μm,约15%体积的生物质粒径在1～3 mm,甚至更大[20-21],这部分毫米级生物质颗粒在炉内高温环境中的稳定充分燃烧是中高比例耦合燃烧或100%纯燃生物质时需考虑的因素之一。随着粒径增大,颗粒雷诺数越高,受气相环境中气氛、温度和速度波动的影响越大。因此,深入探究毫米级粒径的生物质颗粒在湍流热环境中的燃烧过程对理解炉内真实燃烧情况有关键作用。
笔者基于温度和湍流脉动速度可控的四风扇对冲湍流试验装置,搭建在线光学测量 离线取样分析的测量系统。在具有不同湍流脉动速度的高温环境中,在线观测毫米级生物质颗粒的燃烧全过程,同步测量颗粒中心和表面的温升历程。通过分析湍流脉动速度urms对不同粒径的生物质颗粒受热、着火和燃尽阶段的影响,为理解湍流热环境中生物质颗粒的燃烧行为提供参考。
1 试验台与测量装置
研究采用的高温湍流试验装置如图1(a)所示,由电炉加热系统、风扇系统、颗粒进取样系统、燃烧图像捕捉系统及颗粒温度数采系统组成。装置的具体构造参考文献[22-24],其原理是通过四风扇形成的气流在炉膛中心区域对冲,形成近均匀各向同性的湍流流场(HIT)。炉内最高加热温度为900 ℃,风扇最高安全转速为8 000 r/min。前期通过PIV测速获得了炉内中心区域的流场特征,流速与风扇转速的控制规律如图1(b)所示,主要通过改变风扇转速进而改变炉内中心区域的湍流脉动速度urms。
图1 均匀各向同性湍流实验装置示意
Fig.1 Schematic diagram of the homogeneous and isotropic turbulence experimental apparatus
生物质燃料取自木质颗粒,工业分析和元素分析结果见表1。由于实际电厂入炉生物质原料的最大粒径在1～10 mm,因此通过切削、打磨,制成粒径约2.5和6.0 mm、质量分别为2.5和65.0 mg两种球形颗粒,然后筛选出粒径、质量误差在5%以内的颗粒用于试验。试验前,先在颗粒中心钻φ0.5 mm的通孔,然后在颗粒表面和中心分别固定铠装K型热电偶,用于测量燃烧过程中颗粒中心温度Tcenter和表面温度Tsurface。热电偶温度通过高频数据采集仪读取,采集频率约10 Hz。不同试验工况对应的颗粒湍流雷诺数Ret,p如图1(c)所示,Ret,p随粒径增大而增大,随炉温增大而减小。
表1 木质生物质的工业和元素分析结果
Table 1 Proximate and ultimate analysis of the woody biomass pellets
生物质颗粒燃烧全过程通过非接触式光学诊断技术进行捕捉,采用彩色相机Nikon Z6II搭载Tokina 100 mm F2.8微距镜头,拍摄频率为60 Hz,图像分辨率为18 μm/pixel,放大倍率为3∶1,可以较清晰观测到生物质颗粒燃烧过程中火焰形状和颗粒形态变化。试验中同步启动颗粒送样、热电偶温度采集和图像捕捉,以分析每个燃烧阶段中颗粒温度变化。
2 试验工况与数据处理方法
生物质颗粒燃烧试验工况见表2,四风扇转速变化由0增至3 000 rpm,对应湍流脉动速度urms由0线性增至1.8 m/s,炉温设为500、700和900 ℃。
表2 生物质颗粒燃烧试验工况
Table 2 Experimental conditions of the woody biomass particle combustion
在彩色图像处理过程中,颗粒燃烧过程的识别是区分不同燃烧阶段的前提,已有文献多采用的光学诊断技术包括可见光成像[25-27]、CH*/OH*化学自发光光谱成像[28-29]、平面激光诱导荧光(OH-PLIF)[28,30]、双色或三色高温计[25,31]、激光诱导白炽光(LII)[28,30]等,采用一种或多种技术组合可对单颗粒或颗粒群的着火延迟、挥发分燃烧、焦炭燃烧、碳烟生成、碱金属释放等特性进行捕捉。毫米级生物质单颗粒的可见光图像序列可清晰反映整个燃烧过程,且前期试验结果也表明根据可见光图像与CH*化学自发光图像判断的颗粒着火时间非常接近,因此采用可见光成像法区分燃烧各阶段的特征时间。具体方法如图2(a)所示,标记颗粒进入炉内的时刻为0时刻t0,将0时刻到出现发光火焰的第1帧图像之间的时间间隔定义为着火延迟时间tign,将此帧图像到明亮的挥发分火焰消失帧的时间间隔定义为挥发分燃烧时间tvol,将挥发分火焰消失帧到颗粒燃尽消失帧的时间间隔定义为焦炭燃烧时间tchar。对可见光图像进行二值化处理、阈值分割和边界提取,可得到粒径变化趋势,如图2(b)所示。试验中,每种工况重复测量3次,以消除偶然误差。
图2 彩色图像处理方法
Fig.2 Visible image processing method
3 结果与讨论
3.1 湍流热环境中生物质颗粒温度变化
图3为在炉温900 ℃、不同湍流脉动速度下,两种粒径的生物质颗粒表面温度Tsurface(实线)和中心温度Tcenter(虚线)变化趋势。图4为粒径6 mm的生物质颗粒在炉温500和700 ℃时的温度曲线。总体来看,温度变化可分为3个阶段:① 颗粒进入炉膛后,受炉壁辐射和气流对流换热,温度迅速上升。由于毫米级颗粒的毕渥数Bi>0.1,颗粒内部存在温度梯度,Tsurface>Tcenter。由图3(a)可知粒径为2.5 mm的生物质颗粒中心温度比表面温度滞后约1.5 s。由图3(b)可知粒径6 mm的生物质颗粒中心温度滞后约10 s;② 挥发分燃烧形成高温火焰,作为热源加热颗粒,颗粒温度增加。在自然对流urms=0及较低炉温情形下,阶段1和阶段2分界线更明显;③ 焦炭燃烧阶段,反应放热与向周围炉膛散热同时使得颗粒维持在高于炉膛且相对平稳的温度,末期由于焦炭逐渐燃尽,颗粒温度逐渐降低至炉温。
图3 炉温900 ℃、不同湍流脉动速度下颗粒中心温度Tcenter和表面温度Tsurface
Fig.3 Tcenter and Tsurface-time profiles of biomass particle in terms of urms at 900 ℃
图4 不同湍流脉动速度下,粒径为6 mm的颗粒中心温度Tcenter和表面温度Tsurface
Fig.4 Tcenter and Tsurface-time profiles of a 6 mm biomass particle in terms of urms
随着urms增加,颗粒表面和中心的温升速率均加快。阶段1中颗粒表面温度的升温速率计算如图5所示,可以发现,炉温900 ℃时,气相环境由自然对流增至urms=1.8 m/s,dp=2.5 mm的颗粒升温速率由214.8 K/s增至280.6 K/s,提升幅度达30.6%;dp=6 mm的颗粒由166.7 K/s增至219.5 K/s,提升幅度达31.7%。炉温越低,颗粒升温速率越小,但湍流的影响幅度也越明显。随后在阶段2中,炉温较高时生物质颗粒将发生均相着火,此时挥发分火焰包覆颗粒、作为热源进一步加热颗粒,如图3和图4(b)所示,增大urms, Tsurface和Tcenter升温更快,尤其是Tsurface,说明urms增大造成气相挥发分与氧气掺混增强,增强了挥发分均相燃烧强度,这与湍流环境中气体火焰燃烧结论一致[32-33]。而当炉内处于500 ℃低温环境,如图4(a)所示,生物质发生异相着火,由于没有均相火焰作为热源,增大湍流脉动速度对着火后颗粒温升的影响较小。
图5 颗粒着火前(Tsurface<450 ℃),表面温度的升温速率
Fig.5 Heating rate of Tsurface before biomass particle ignition (Tsurface<450 ℃)
阶段3中,生物质焦炭燃烧时颗粒中心温度逐渐升至某个稳定值,而颗粒表面温度是稳定还是逐渐降低取决于炉温和湍流脉动速度。在以下几种情况下,焦炭颗粒中心温度会高于表面温度:① 当炉温低至500 ℃时,图4(a)显示每种工况下的颗粒表面温度均低于中心温度,此现象与文献[34]中煤颗粒在流化床中燃烧的温度曲线一致。此时颗粒温度整体高于周围气相温度,从彩色图像可以看到颗粒表面亮度低于中心亮度,说明颗粒表面被气相冷却;② 当流场湍流脉动较强烈时,如图3和图4中urms=1.2～ 1.8 m/s时,由湍流涡团运动引起的耗散稀释作用导致焦炭颗粒表面的燃烧层不稳定或消失,且颗粒向周围的散热效应增强,导致颗粒表面温度迅速降低且低于中心温度;③ 当颗粒粒径较小,对于2.5 mm的生物质颗粒,如图3(a)所示,即使炉温为900 ℃,焦炭表面温度仍低于中心温度。这主要是由于小粒径生物质焦炭表面燃烧层非常微弱,当焦炭温度高于周围气相温度时,散热效应将引起焦炭表面温度降低。
为进一步分析湍流对焦炭燃烧温度的影响,将图3和图4中焦炭燃烧阶段颗粒中心温度的均值表示为焦炭燃烧温度,结果如图 6所示。可以发现,高炉温下焦炭燃烧温度受湍流脉动速度影响减弱。这是由于湍流环境中氧气向固体颗粒表面边界层的有效输运系数Deff由湍流强化传质项Dt和分子扩散系数Dm两部分组成,Dt与颗粒边界层中湍流脉动速度和耗散率等参数有关,数值上与分子扩散系数Dm处于同一量级。随炉温升高,Dm与温度的1.5次方呈正比增大,增大urms引起Dt增大对Deff的贡献程度会相应减小。对比图6(a)与6(b)可知,粒径大的颗粒雷诺数更高,受湍流影响更大。据此推测,在实际燃烧装置内气相温度更高的燃烧环境中,低强度的湍流脉动对微米级小粒径生物质焦炭燃烧温度的影响有限。
图6 不同湍流脉动速度下生物质颗粒焦炭燃烧温度
Fig.6 Average char temperature of biomass in terms of urms
3.2 湍流对生物质颗粒着火的影响
在着火模式方面,仅在炉温500 ℃时,气相温度低,湍流流场对析出的挥发分也存在稀释作用,因此增大湍流脉动速度会使颗粒倾向于发生异相着火,而其他炉温及湍流脉动速度下生物质颗粒均发生均相着火。理论分析可将湍流脉动速度增加对着火延迟时间的影响总结为两个方面:一方面,随着湍流脉动速度增加,由图5可知,颗粒升温速率增加,促进挥发分析出,使其在颗粒附近更快达到可燃浓度,缩短着火延迟时间;另一方面,湍流脉动引起涡团卷吸气相挥发分快速运动,相当于稀释了气相中挥发分浓度,抑制挥发分在颗粒周围达到可燃浓度,延长均相着火时间。图7给出了炉温900 ℃时,两种粒径的生物质颗粒着火延迟时间、着火时颗粒表面及中心温度、着火颗粒粒径。可以看出,在以上两方面因素共同作用下,urms由0 m/s增至1.8 m/s,对两种粒径的生物质颗粒的着火延迟时间影响程度较小,dp,0=2.5 mm颗粒的着火延迟时间由1.36 s降至0.89 s,dp,0=6 mm颗粒的着火延迟时间由1.72 s降至1.40 s。颗粒着火时粒径约等于初始粒径,dp,0=2.5 mm的颗粒着火时表面温度Tsurface在200～300 ℃,随着urms增加而逐渐减小;dp,0=6 mm的颗粒表面温度Tsurface在350～400 ℃。
图7 炉温900 ℃,不同湍流脉动速度下生物质颗粒着火行为
Fig.7 Ignition behavior of biomass particles in terms of urms at Tgas = 900 ℃
3.3 湍流对生物质颗粒火焰形态与粒径演变的影响
图8为不同湍流脉动速度下生物质颗粒燃烧火焰形态变化(dp,0=6 mm,Tgas=900 ℃),可以看出由于自然对流环境中气流场不存在扰动,生物质颗粒燃烧历程稳定:颗粒进入炉内后首先快速升温,热解析出挥发分,当气相挥发分聚集到可燃浓度后产生明亮的均相火焰包覆颗粒,阻碍氧气向颗粒表面扩散,待挥发分燃烧结束后发生焦炭异相燃烧。受浮力影响,挥发分火焰位于颗粒上方,火焰形状与文献[35-36]报道的层流环境中毫米级生物质颗粒燃烧结果一致。
图8 生物质颗粒燃烧图像(dp,0=6 mm,Tgas=900 ℃)
Fig.8 Typical combustion images of biomass particle for dp,0=6 mm and Tgas=900 ℃
在湍流脉动环境中,挥发分火焰受涡团运动影响,形状变得不规则且发生摆动,此现象与湍流环境中气相火焰锋面变得弯曲褶皱一致[37]。图9对比分析了不同情形下连续5帧挥发分火焰图像,拍摄帧率为60 fps,帧间隔为1/60 s。可以发现随着湍流脉动速度增加,涡团运动速度加快导致挥发分火焰形状变化越剧烈,火焰锋面褶皱变形越剧烈,不再稳定包覆颗粒,部分表面直接与氧气接触将发生异相燃烧;挥发分火焰亮度也随之增加,说明挥发分与氧气的快速掺混提高了均相火焰燃烧强度。
图9 5帧连续挥发分火焰图像(dp,0=6 mm,Tgas=900 ℃)
Fig.9 Five consecutive image frames of the volatile flame in terms of urms for dp,0=6 mm and Tgas=900 ℃
图8显示在自然对流或低湍流脉动速度下,生物质焦炭存在较稳定的表面燃烧层,而在课题组前期对纤维素颗粒燃烧过程的研究[38]中则未发现此现象,推测是由于本研究采用的木质生物质含有热解温度范围较宽的木质素(433～1 173 K),在焦炭燃烧阶段仍有少量木质素热解析出气体形成燃烧层所致,此现象在文献[39]中有类似报道。随湍流脉动速度进一步增加,表面燃烧层不稳定甚至消失,说明此阶段析出的气相组分可能被湍流迅速卷吸稀释,无法形成表面燃烧层,颗粒表面直接与氧气接触发生反应。生物质焦炭形态变化如图10所示,可知生物质焦炭在燃烧过程中变得疏松多孔,后期可能形成较大裂缝。相较自然对流环境,湍流热环境中的颗粒孔隙发展更迅速,较早在表面形成大孔结构,使氧气更早扩散进生物质焦炭内部发生反应,反应速率增加。
图10 生物质焦炭形态变化(dp,0=6 mm,Tgas=900 ℃)
Fig.10 Morphology changes of biomass char for dp,0=6 mm and Tgas=900 ℃
采用图2(b)所示轮廓提取方法计算生物质颗粒在燃烧过程中的粒径变化趋势,结果如图11所示。由图11可知湍流脉动速度几乎不影响挥发分燃烧阶段的粒径变化,如图11(a)所示,dp,0=2.5 mm的生物质颗粒在挥发分燃烧结束时形成约2.2 mm生物质焦,如图11(b)所示,dp,0=6 mm的生物质颗粒形成约4.7 mm生物质焦。然而湍流脉动对焦炭燃烧阶段的颗粒粒径演变的促进作用明显,随urms增加,颗粒粒径更早地减小,意味着燃尽更快。
图11 炉温900 ℃,不同湍流脉动速度下生物质颗粒粒径演变
Fig.11 Biomass particle size evolutionin terms of urms for Tgas=900 ℃
3.4 湍流对生物质颗粒燃烧时间的影响
图12和图13是采用图2(a)所示的方法区分的不同工况下的着火延迟时间tign(灰色)、挥发分燃烧时间tvol(红色)、焦炭燃烧时间tchar(蓝色)及总燃烧时间tend(绿色)。可以看出,在dp,0=2.5 mm、Tgas=500 ℃的工况下,如图12(a)所示,由于炉内温度低且颗粒粒径小,着火模式倾向于异相着火,需要颗粒达到较高温度,因此着火延迟时间是持续最长的阶段。而在其他工况下,即使木质生物质中挥发分含量超77%、固定碳含量仅占13%,焦炭燃烧依然是持续时间最长的阶段,占总燃烧时间的50%及以上。
图12 dp,0=2.5 mm的颗粒在不同炉温、不同湍流脉动速度下的燃烧时间
Fig.12 Duration time of the combustion process of a 2.5 mm biomass particle at different Tgas and urms
图13 dp,0=6 mm的颗粒在不同炉温、不同湍流脉动速度下的燃烧时间
Fig.13 Duration time of the combustion process of a 6 mm biomass particle at different Tgas and urms
由图12和图13可知,随着湍流脉动速度增加,挥发分燃烧时间和焦炭燃烧时间均减小。为进一步分析湍流影响,将湍流脉动速度urms由0增至1.8 m/s,生物质颗粒的焦炭燃烧时间和总燃烧时间的降低百分比绘制于图14。可以看出,相较于自然对流情形urms=0 m/s,当湍流脉动速度urms增至1.8 m/s时,dp,0=6 mm生物质颗粒焦炭燃烧时间普遍缩短50%以上,总燃烧时间缩短40%以上。以上结果说明,湍流对生物质颗粒燃烧的另一个重要影响是传质增强从而加快焦炭反应速率,显著降低其燃尽时间。
图14 urms由0增至1.8 m/s,燃烧时间缩短比例
Fig.14 Decreasing ratio of the burning time of biomass particles as urms increases from 0 to 1.8 m/s
与此同时,随着炉温Tgas增加,颗粒燃烧过程更趋近于传质控制,湍流促进传质效应对反应速率的影响更大,因此燃烧时间缩短比例也逐步增加。相较dp,0=2.5 mm的生物质颗粒(虚线),dp,0=6 mm生物质颗粒燃烧时间(实线)受湍流影响更大,具体体现在其燃烧时间降低百分比更高。
4 结语与展望
1)在着火延迟时间tign上,一方面,随urms由0增至1.8 m/s,颗粒着火前的升温速率提升幅度超过30%,有利于挥发分析出发生均相着火,另一方面,涡团运动也会快速稀释气相挥发分,抑制均相着火、促进异相着火。在两方面共同影响下,增大湍流脉动速度对生物质颗粒着火延迟时间的影响较小,当urms>0.6 m/s时,tign略微降低。在着火模式上,仅在低炉温Tgas=500 ℃工况中,当流场中有强脉动速度时,生物质颗粒发生异相着火,其他炉温和脉动速度下颗粒均发生均相着火。
2)随urms增加,挥发分与氧气的快速掺混提高了挥发分火焰燃烧强度,略微缩短挥发分火焰燃烧时间tvol,也进一步提高颗粒温度。urms=1.8 m/s时,颗粒表面温度升高约300 ℃。同时,挥发分火焰形状受湍流涡团扰动变得褶皱和摆动,urms越大,火焰锋面褶皱变形越剧烈,不再稳定包覆颗粒,生物质颗粒部分表面与氧气接触将发生异相燃烧。
3)生物质焦炭燃烧占总燃烧时间50%以上。随着urms由0增至1.8 m/s,生物质焦炭孔隙发展更加迅速,大量氧气提前进入颗粒内部发生反应,因此焦炭燃烧时间缩短了40%以上,焦炭燃烧温度提升幅度在100 ℃以内。湍流影响下木质生物质焦炭表面燃烧层不稳定甚至消失,同时颗粒表面向周围气体的散热增强,高湍流脉动速度时,表面温度逐渐降低并低于中心温度。
4)相同湍流脉动速度下,粒径越大,颗粒湍流雷诺数Rep,t越高,其燃烧特性受湍流热环境影响更显著。而对于相同粒径的颗粒,随炉温Tgas升高,增大urms对提高颗粒升温速率、提高焦炭燃烧温度的影响减弱,对加快反应速率、缩短燃尽时间的作用越明显。
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Combustion characteristics of millimeter-sized wood biomass particles in high-temperature turbulent environments
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