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煤粉射流火焰中碳烟浓度分布的LII测量

燃烧科学与技术

Journal of Combustion Science and Technology 2018,24(3):232-237

DOI 10.11715/rskxjs.R201709009

收稿日期:2017-09-12.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51476088).

作者简介:许开龙(1991— ),男,博士,xklong163@http://www.wendangku.net/doc/07f13ddeb80d6c85ec3a87c24028915f814d8481.html.

通讯作者:张 海,男,博士,教授,haizhang@http://www.wendangku.net/doc/07f13ddeb80d6c85ec3a87c24028915f814d8481.html.

煤粉射流火焰中碳烟浓度分布的LII 测量

许开龙1,李卓然1,张 海1,吴玉新1,罗开红2,吕俊复1

(1. 清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084;

2. 清华大学燃烧能源中心,北京 100084)

摘 要:基于Hencken 型平面携带流反应器,使用激光诱导白炽光法(LII )测量煤粉火焰的碳烟浓度,并研究了激光能量密度F 对测量的影响及火焰中碳烟的分布.研究发现,在F ≤0.15,J/cm 2时,煤颗粒信号相对较弱,碳烟信号占主导;在F >0.15,J/cm 2时,煤颗粒信号干扰较强.F =0.05~0.08,J/cm 2是最优能量密度范围.对本携带流实验系统,碳烟颗粒在距离出口80,mm 处出现,且集中于中心中线4,mm 范围内,碳烟浓度随着高度的增加先增加后降低,并在120,mm 达到峰值.

关键词:激光诱导白炽光法;碳烟;煤粉气流;激光能量密度

中图分类号:TK2 文献标志码:A 文章编号:1006-8740(2018)03-0232-06

Laser Induced Incandescence Measurement of Soot

Distribution in a Coal Jet Flame

Xu Kailong 1,Li Zhuoran 1,Zhang Hai 1,Wu Yuxin 1,Luo Kaihong 2,Lü Junfu 1

(1. Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education ,Department of Energy and

Power Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;

2. Center for Combustion Energy ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )

Abstract :The soot distribution in a coal jet flame was measured usin g laser in duced in can descen ce (LII )technique based on a Hencken burner ,and the effects of laser fluence (F )on soot measurement in coal flames were investigated .The results show that when F ≤0.15 J/cm 2,the interference signal from coal particles is minor and the measured LII signal comes from soot particles .When F >0.15J/cm 2,the LII measurement of soot parti-cles is interfered by the LII signal of coal particles .The optimal laser fluence is found to be F =0.05—0.08J/cm 2 in the present study .Soot particles start to appear at around 80mm above the exit of the coal jet ,and they are mainly formed within 4mm n ear the cen terlin e .The soot con cen tration alon g the cen terlin e in creases with h in the up-stream and then decreases in the downstream .The maximum soot concentration is found at h =120mm.

Keywords :laser induced incandescence (LII );soot ;coal stream ;laser fluence

碳烟颗粒是很强的辐射能吸收、发射体,其在煤

粉火焰中的浓度分布对煤粉燃烧温度[1]、

传热[2-3]以及污染物排放[4]等都有明显的影响.但目前人们对煤粉火焰中碳烟生成演化的认识还十分有限,其中碳烟

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浓度的准确测量是一个重要的限制因素[5].

激光诱导白炽光法(laser induced incandescence ,LII )是Melton [6]首先应用于碳烟浓度测量的一种技术,其原理是用高能脉冲激光加热碳烟颗粒,然后测量其黑体辐射强度来推算碳烟体积分数.这种技术原理简单、对火焰干扰小以及信号强、信噪比高,是目前气体火焰中比较常用的碳烟测试技术[7-9].但在煤粉火焰中,煤灰颗粒的干扰对煤粉火焰碳烟的光学诊断造成了严重挑战,仅有少数学者进行了这方面的尝试[5,7,10].熊刚等[7]使用LII 技术测量单个煤柱周围的二维碳烟体积分数分布,但其实验中,煤柱是固定的,测量域限定在煤柱上方的碳烟聚集区域.但真实的煤粉火焰是煤灰颗粒、碳烟颗粒及气体的混合物,使用高能激光测量时,煤灰颗粒也可能被加热而发出LII 信号,对测量结果产生干扰.近来,Hayashi 等[5]在煤粉火焰碳黑浓度的LII 测量研究中发现,使用不同能量密度的激光可以分别测得碳烟和煤灰颗粒的辐射信号,这一研究为煤粉火焰碳烟浓度的测量提供了一种很好的思路,但该技术的可靠性及参数选取还需要进一步的探索与厘清.

因此,本文基于前期搭建的Hencken 型平面携带流反应器,将LII 技术引入火焰的碳烟分布测量中,考察激光能量密度对LII 测量的影响及火焰中碳烟的分布特征.

1 实验系统和方法

1.1 实验系统

实验系统主要由Hencken 型平面携带流反应器、燃烧室、刮板式送粉器、给排气系统和测量元件等几部分组成,如图1所示.反应器的基本原理是利用多元扩散火焰提供稳定的火焰平面,作为二次风,以模拟煤粉在炉膛中燃烧的高温环境.煤粉由一次风从布置于燃烧器中心的送粉管携带进入燃烧室实验段,并与周围高温环境混合进行燃烧,送粉管内径为φ2.6mm ,外径为φ3.0mm .实验系统的结构在前

期研究[11-12]中有详细报道.

针对LII 技术的需要,对反应器上部燃烧室进行了改造,在燃烧室x 方向保温罩上开有15mm ×600mm 的狭缝,并安装光学石英玻璃以作为激光通道.探测器布置在y 方向,与激光面呈90°设置.

改造后的平面火焰处温度为1200℃左右,O 2体积分数估算值为15.3%.实验中送粉风速为6m/s ,一次风中煤粉质量浓度为0.8kg/m 3

.采用海拉尔煤作为测试煤种,煤质分析数据见表1所示.煤粉样品

的粒度分布由马尔文激光粒度分析仪测得,结果如图

2所示. 从图中可以看出,采用的样品粒径范围主要在10~60μm ,体积平均粒径为31μm .

图1 实验系统示意

Fig.1 Schematic of the experimental system 表1 煤种分析数据

Tab.1Proximate and ultimate analyses of the test coal

sample

工业分析/%

元素分析/%

M ad V ad A ad F C,ad w C,ad

w H,ad

w O,ad

w N,ad w S,ad 5.47

38.32

13.13

43.08

50.97 2.98 13.88

0.82

0.62

图2 煤粉样品粒径分布

Fig.2 Size distribution of the coal sample

1.2 LII 测量系统设置

实验中LII 测量系统布置示意如图3所示,采用Spectra-Physics 公司生产的Pro-250型Nd :YAG 激光器二次谐波(532nm )作为光源来加热碳烟颗粒,脉冲半高宽12ns ,频率30Hz ,单个脉冲的最高能量可达550mJ ,并在较大范围内可调.激光器发出的激光束经过反射镜组调整至实验段高度,并利用柱面镜和球面镜的组合整形为高75mm 、厚0.33mm 的面光

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源,并选取其中30mm 高能量均匀段作为测量域.面光源从燃烧室激光通道引入测量域,并在实验段后设置光束截止器,以

防止高能激光造成破坏.

图3 LII 测量系统布置示意

Fig.3 Schematic of the laser induced incandescence system

采用Princeton Instrument 生产的PI-Max 4型EmICCD 测量激光激发出的LII 信号,并在ICCD 前安装中心波长410nm ,带宽10nm 的滤光片滤除火焰背景干扰.实验中用激光器输出的电平信号来触发ICCD 快门,并用示波器监测光信号与ICCD 快门之间的时序关系.ICCD 在激光发出后100ns 开始曝光,曝光时间100ns ,以排除火焰中大分子荧光信号的干扰.实验中ICCD 增益设置为5000,并在线叠加5次以增强拍摄信号.

激光面能量密度计算公式为 d

s s

E F H W αβ=

(1)

式中:F 为激光面能量密度,J/cm 2;E d 为能量计探测到的能量,J ;α 为衰减片透光效率,出厂校准值为0.37;β为石英玻璃观察窗透光率,测量值为0.93;H s 为能量计感光激光面高度,取值1.5cm ;W s 为测量激光面宽度,由感光相纸感光测得.实验中采用的激光面很薄(~0.33mm ),为提高激光面厚度测量精度,在感光后采用6000×4000像素的高分辨率数码相机拍摄感光结果,并用图像处理软件得到激光面的厚度统计值.采用Newport 公司生产的能量计配合1.50cm 宽狭缝测量激光面的能量,每个能量密度下测量500个脉冲的能量,取均值作为平均能量,代入式(1)得到F 的平均值.实验中发现激光器在刚启动后能量并不稳定,需要预热15min 左右才能得到稳定的能量输出.在稳定条件下测量得到的典型F 值的变化如图4所示.可以看出,所用的光源稳定性较好,可以满足LII 测试的需求.

图4 激光面平均能量密度测试

Fig.4Measurement of the laser stability under various

laser fluences

2 结果和讨论

2.1 激光能量密度对碳烟测量影响

图5显示了不同F 值下煤粉射流火焰LII 信号分布,F =0~0.59,J/cm 2,覆盖了典型LII 测量要求[5,9]. 图中每张图片由100帧照片平均得到,而每帧由ICCD 在线曝光5次累加得到,以提高探测信号的信噪比.其中F =0条件下,激光面在引入实验段前被截止,并用相同设置的ICCD 拍摄火焰中信号作为实验中的背景信号.

图5 不同激光能量密度下LII 信号分布

Fig.5 Distribution of LII signal under various laser fluences

为探究分别探测到的LII 信号是源自碳烟颗粒还是煤颗粒,在仅有煤颗粒以及煤颗粒和碳烟颗粒共存的两种情况进行实验.

实验首先尝试了两种不同方案.第1种方案中ICCD 拍摄的ROI (region of interest )区域选取在火焰区域,在冷态条件(无火焰)下测试仅有煤颗粒的信号,而热态条件下测试煤颗粒和碳烟颗粒共同信号[5]. 结果发现,冷热态条件下因气体黏度的变化导致流动形态有差异,使得煤粉颗粒分布相差很大,因此这种方案中得到的LII 信号可比性不强.第2种方案中,考虑到本实验中射流雷诺数较低,煤颗粒沿程横向扩散相对较弱,选取中心喷口区域附近(h =33~

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48mm )作为煤颗粒信号探测区,这一区域射流内部煤粉浓度高,且射流处于换热升温阶段,仅有少量离散单颗粒燃烧,碳烟信号很弱.选取典型火焰区域 (h =123~138mm )作为煤颗粒和碳烟共同信号探测区,这一区域形成了明显的群燃火焰,并伴有较多碳烟颗粒生成.此外,火焰区因挥发分燃烧氧气浓度较低,煤颗粒异相燃烧消耗并不多.两个区域得到的LII 信号分布随激光能量密度变化分别如图5(a )和图5(b )所示.

从图中可以看出,F =0 时,在探测波段基本没有信号,说明火焰背景干扰基本可以忽略,这是LII 技术的一个优势.随着F 值增加,喷口附近LII 信号先缓慢增加,在F =0.10J/cm 2后开始明显增强.在 F =0.59J/cm 2时,信号分布基本表征了煤颗粒在喷口附近的分布情况.与喷口附近区域LII 信号不同,火焰区LII 信号在较低能量密度时就较为明显,随着F 增加,LII 信号呈现先增加,后略微减小,然后再明显增加的趋势.在F =0.05J/cm 2时,火焰区LII 信号要明显高于喷口附近区域,说明这个F 值下测得的信号主要为碳烟信号,而煤颗粒信号较弱.在高F 值下,火焰区LII 信号明显高于喷口附近LII 信号,这是因为该区域探测的LII 信号是煤颗粒信号与碳烟信号的叠加.

为进一步分析F 值对煤粉火焰LII 信号探测的影响,图6显示了F =0~0.59J/cm 2变化时,两个探测区域LII 信号的变化规律.与图5中显示规律一致,随着F 值增加,喷口附近LII 信号呈现先缓慢增加,后线性增加的趋势,而火焰区信号先迅速增加,在0.07~0.08J/cm 2附近达到峰值,而后下降,并在

0.15J/cm 2后再次上

升,

后期的LII 信号与F 基本呈现线性关系.LII 信号的这种变化规律可以从LII 技术的原理得到解释,LII 技术的关键在于用高能量脉冲激光加热碳烟至远高于火焰的高温,并通过测量其黑体辐射强度来得到碳烟体积分数.在F 值很低时,激光还不足以将碳烟颗粒加热至气化温度,F 值的增

图6 激光面能量密度对LII 信号影响

Fig.6 Effect of laser fluence on the measured LII signals 加将提升碳烟温度,碳烟发出的LII 信号增强,而煤

颗粒因粒径大(典型煤颗粒~30μm ,典型碳烟颗粒~40nm ),热惯性大,升温并不明显,因此其发出的LII 信号很弱.但在F 值超过一定值后,如F ≥0.15J/cm 2时,碳烟达到气化温度,增加F 值,碳烟颗粒温度上升不明显,而碳烟的气化使得颗粒粒径减小,碳烟发出的LII 信号略有减弱,但较大的煤颗粒表面却被加热至高温,发出较强的LII 信号,使得两个区域的LII 信号均呈现出随着F 值增加而线性增强的趋势.因此,采用LII 技术探测煤粉火焰中碳烟颗粒分布时,应选用F =0.05~0.08J/cm 2,在探测较强碳烟信号的同时,保证煤颗粒信号较弱.Hayashi 等[5]在其研究中发现最优能量在0.10J/cm 2附近,与本文中结果略有不同,可能是激光面厚度探测方法不同引起的.本实验中采用相纸感光测量激光面宽度,而Hayashi 等[5]采用光学成像手段,并采取光强峰值1/e 来界定激光面宽度,笔者测量得到的激光面偏宽,计算能量密度偏小.此外,两个实验中采用的煤种不同,导致其生成的碳烟性质有所差异(如粒径、光学特性等),也可能使得最优能量密度有所不同. 2.2 煤粉火焰碳烟沿程分布测量

在F =0.08J/cm 2条件下测量了火焰不同高度处的LII 信号横向分布,结果如图7和图8所示.其中图7显示火焰的可见光辐射,采用尼康D70S 数码相机拍摄,曝光时间2ms .图8中给出了高度

h 为25mm 、105mm 、145mm 、185mm 、225mm 以及265mm 处沿x 方向的LII 信号分布,相应高度在图7中标出,覆盖了射流升温段、火焰生长和持续阶段以及后期焦炭燃烧段.

图7 火焰可见光辐射图片

Fig.7 Typical image of the target flame

图8的结果显示,煤粉射流火焰中碳烟信号在高度h =105mm 处已经比较明显,且初始阶段两侧LII

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信号略微强于中心区域.随着高度的增加,中心线附近LII 信号明显增强,且主要分布于中心线附近约4mm 的范围之内.为考察碳烟沿程分布情况,提取中心线附近20mm 内LII 信号进行平均,并沿高度方向作图,结果如图9所示.从图中可以看出,碳烟信号在80mm 附近开始出现,这个高度与射流的着火距离基本一致.随着高度的增加,碳烟信号呈现先迅速上升后缓慢降低的趋势,在h =120mm 附近达到最大值.

(a )h =265

mm

(b )h =225

mm

(c )h =185

mm

(d )h =145,

mm

(e )h =105,

mm

(f )h =25mm

图8 不同高度LII 信号分布

Fig.8 Radical distribution of LII signal at several heights 实验中测得的碳烟横向分布与Hayashi 等[5]结果

略有不同,研究人员发现碳烟峰值并不在射流中心线,而是在中心线外一定距离出现.从碳烟的生成角度考虑,高前驱物浓度、高温和相对低氧气浓度是碳烟的生成和存在的必要条件[1].在h <80mm 时,射流还未着火,焦油浓度和温度均较低,碳烟仅存在于离散的单颗粒附近.在h =80mm 左右,气流发生着火并伴随着大量颗粒挥发分的快速析出和燃烧,温度和挥发分浓度迅速上升,而氧气浓度降低,使得碳烟快速生成并聚集.随着高度的增加,碳烟浓度增加.当h ≥120mm 时,焦油的释放变慢及消耗导致碳烟生成减缓,同时环境中的氧气向射流内部扩散,碳烟被氧气氧化而浓度下降,如h ≥250mm ,碳烟基本氧化完全,仅有残余焦炭的氧化过程.从横向分布来看,实验中采用的射流尺寸较小,组分的扩散较强,使得射流高温区和氧气浓度最低点均在射流中心线附近,而不同于Hayashi 等[5]的实验设置,因此使得碳烟峰值存在于中心线附近.但在火焰发展阶段(h ≤80mm 附近),射流处于升温过程,射流剪切层颗粒优先换热升温,从火焰可见光辐射图中可以看出,射流是从两侧开始着火,并有较弱的碳烟辐射信号,但因信号较弱,LII 测量中并未测到

这一分布特征.这在后期的实验中需要进一步测试和分析.

图9 LII 信号强度沿高度变化(中心区域20mm 均值) Fig.9Axial distribution of LII signal along the center -line (average value of 20mm )

3 结 论

(1) 使用激光诱导白炽光(LII )法可以方便和稳

定地测量煤粉射流火焰的碳烟相对浓度.

(2) 激光能量密度(F )对LII 测量煤粉火焰的碳黑浓度影响明显.在F <0.15J/cm 2时,煤粉颗粒LII 信号相对较弱,并随着F 的增加而增加.碳烟颗粒LII 信号远高于煤粉颗粒信号,并随着F 的增加呈现先增加后下降的趋势.在F >0.15J/cm 2时,煤颗粒也发出较强LII 信号,使得火焰区和喷口附近区域LII

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信号均随着F 的增加而呈线性增加趋势.

(3) F 为0.05~0.08J/cm 2是煤粉火焰LII 测试的最优能量密度范围,即碳烟信号较强的同时,保证煤颗粒干扰较小.

(4) 在本实验设置中,对出口为6m/s 的煤粉射流火焰,碳烟颗粒在h =80mm 附近开始出现,与着火位置基本一致.随着高度的增加,碳烟浓度呈现先增加后降低的趋势,在h =120mm 附近达到峰值.碳烟颗粒在中心轴线附近浓度最高,且主要集中于中心轴线4mm 范围内,这种分布特征可从射流的温度、挥发分释放位置及氧气扩散角度得到解释. 参考文献:

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