对立式多燃烧器气化炉中颗粒点火、温度变化及结构变化的诊断性研究

《Combustion and Flame》：Diagnostic investigation of particle ignition, temperature variation and structure change in an opposed multi-burner gasifier

　　

王越|龚燕|卢汉涛|郭庆华|余光锁

摘要

本研究基于一个台架规模的携带流式煤水浆（CWS）气化平台，探讨了煤水浆液滴在反应过程中的原位点火延迟时间、温度变化以及内部结构变化。成功地实现对颗粒反应过程中实时形态、反应和温度变化的精确诊断。研究结果表明，大量颗粒粘附在耐火材料表面，并且随着氧碳比（O/C）的增加，颗粒数量也随之增加。粘附在壁面上的CWS液滴中的水分蒸发导致其膨胀，平均膨胀率超过20%。CWS液滴的平均点火延迟时间随颗粒大小的增加而延长；在较高的O/C条件下，较大颗粒的点火延迟时间下降更为明显。利用Python多变量非线性回归的机器学习原理构建了CWS点火延迟时间的预测模型。通过对每个实验数据进行偏导数分析，得到了氧碳比和颗粒大小变化对颗粒点火延迟时间的具体影响。粘附在壁面上的颗粒表现出异质氧化现象；颗粒氧化过程的特点是加热不均匀，与气体流直接接触区域的反应强度更大。反应过程中颗粒面积的收缩较为稳定，面积的突然变化主要是由于颗粒在加热过程中发生的相变所致。根据实验现象，开发了CWS液滴反应过程中内部结构变化的概念模型。

节选内容

创新点和意义

首先，气化器内部的颗粒点火延迟时间和反应特性影响着气化的稳定性。然而，由于实验条件恶劣，无法进行长时间的准确诊断。本研究对粘附在耐火材料衬里的颗粒的整个反应过程进行了高精度诊断，并获得了颗粒反应的时间序列数据。其次，关于点火延迟时间……

实验装置和操作条件

所使用的对置多燃烧器（OMB）CWS气化实验平台是按工业规模生产设施的几何比例缩小的。气化器由上部气化室和下部淬火室组成，颗粒反应主要发生在气化室内，该气化室的钢壳上配备了多个观测端口。具体参数可参考我们之前的研究[34]。这些端口配备了由高分辨率成像系统组成的……

测量原理

颗粒尺寸的校准系统可参考我们之前的研究[35,36]。需要注意的是，由于选择耐火材料作为成像区域，实际成像区域相对于视觉轴是倾斜的（如图2(a)所示），导致视野中不同高度的像素点之间的尺寸转换因子存在显著差异。为了解决这个问题，在气化器外部构建了一个校准系统……

颗粒统计

图4显示了颗粒大小的分布情况。在所有操作条件下，颗粒大小分布相似。随着颗粒尺寸的增大，颗粒大小分布的比例逐渐减小，大多数颗粒集中在600–800 μm范围内。与处于空间运动状态的颗粒相比，粘附在壁面上的颗粒相对较大[41]。这可能是由于……

结论

本研究基于台架规模的OMB CWS气化实验平台，利用高分辨率成像系统与单色测温系统相结合，研究了气化器内颗粒的点火性能以及反应过程中的详细反应和内部结构变化。主要结论如下：

大多数粘附在耐火材料上的颗粒尺寸集中在600 - 800 μm范围内，略大于……

CRediT作者贡献声明

王越：撰写——原始草案、方法论、研究工作。龚燕：监督、方法论、资金获取。卢汉涛：方法论。郭庆华：监督、资金获取。余光锁：资金获取。