單煤粉顆粒著火特性的激光輔助高速攝像測量

盧?科，栗?晶，王昱升，黃曉宏，羅?威，柳朝暉

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單煤粉顆粒著火特性的激光輔助高速攝像測量

盧?科1，栗?晶1，王昱升1，黃曉宏1，羅?威2，柳朝暉1

(1. 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205)

針對煤粉的著火特性，基于平面火焰燃燒器，應(yīng)用自行開發(fā)的連續(xù)激光輔助高速攝像的測量方法對煤粉顆粒的著火過程進(jìn)行了連續(xù)捕捉，系統(tǒng)地研究了空氣條件下著火過程中的單煤粉顆粒的尺寸、形貌、溫度和著火延遲特性．研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度1800K的空氣氣氛下，粒徑分布為74～98μm的神華煙煤為均相著火；煤粉顆粒析出的揮發(fā)分首先氧化燃燒并形成球形的包覆火焰；待揮發(fā)分消耗后，繼而發(fā)生煤焦異相的著火燃燒；煤粉顆粒溫度分布進(jìn)一步證明了煤焦燃燒是非均勻的．

單煤粉顆粒；著火特性；平面火焰燃燒器；光學(xué)診斷

煤粉顆粒的著火特性對于工業(yè)鍋爐中燃燒的穩(wěn)定運行和煤的高效利用起到至關(guān)重要的作用．通常情況下，煤粉的著火燃燒過程可分為兩個階段，即揮發(fā)分的析出反應(yīng)階段和殘余焦炭的氧化反應(yīng)階段．然而這兩階段的發(fā)生過程在實際煤粉的著火燃燒中卻是十分復(fù)雜的，和煤粉的著火方式密切相關(guān)．大量研究表明煤粉顆粒著火方式可分為均相著火和非均相著火兩種．不同的著火方式，其燃燒煤粉顆粒的大小、形貌及溫度分布各不相同．因此，詳細(xì)研究單煤粉顆粒的著火過程，對于煤粉著火方式的區(qū)分、著火模型的建立以及指導(dǎo)工業(yè)實際應(yīng)用都具有重要的意義．

國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞著煤粉著火延遲開展了系統(tǒng)研究．李水清等[1-2]、余岳峰等[3]采用ICCD相機(jī)捕捉煤粉著火燃燒過程的可見光強(qiáng)度，通過設(shè)定光強(qiáng)閾值或圖像RGB數(shù)值變化來判斷煤粉著火的發(fā)生，同時通過雙色或三色法獲得煤粉著火過程中的溫度變化．鄒高鵬[4]、Shaddix等[5-7]則通過采集煤粉著火燃燒過程釋放的活性基團(tuán)(包括OH或CH活性基團(tuán))強(qiáng)度來判斷著火點的位置．不論是基于煤粉燃燒的可見光或是活性基團(tuán)強(qiáng)度來判斷著火點，都無法同時捕捉每個顆粒的連續(xù)著火過程，并且需要人為設(shè)定閾值(該閾值的確定尚無統(tǒng)一依據(jù))，由此不可避免造成了煤粉著火延遲時間的測量誤差．除此之外，Lee?等[8]使用高速攝像對單煤粉顆粒的著火過程進(jìn)行連續(xù)捕捉，通過煤粉顆粒圖像的實際尺寸、形貌、光強(qiáng)和煤粉顆粒的運動速度，判斷著火點并計算著火延遲時間．該方法雖然基于顆粒燃燒的實際過程準(zhǔn)確判斷單個煤粉顆粒的著火點，但通常只能獲取少數(shù)顆粒的著火過程，樣本太少，統(tǒng)計誤差太大，并且該方法多基于背光法，無法同時獲取顆粒燃燒過程中的溫度這一重要信息．

有鑒于此，本文基于平面火焰攜帶流反應(yīng)器，采用激光輔助高速攝像技術(shù)，結(jié)合自行開發(fā)的顆粒識別與跟蹤算法，準(zhǔn)確捕捉所有顆粒從受熱到著火燃燒的全過程，同時應(yīng)用雙色法實時計算出每個顆粒的溫度分布，進(jìn)而準(zhǔn)確統(tǒng)計出煤粉顆粒著火延遲時間．

1?實驗系統(tǒng)和實驗方案

1.1?煤粉單顆粒反應(yīng)平臺

實驗系統(tǒng)是以Hencken平面火焰燃燒器為核心搭建的單煤粉顆粒著火光學(xué)測量系統(tǒng)，如圖1所示．燃燒器的主要分為三層：由CO和H2組成的混合燃料氣體通過400多根內(nèi)徑0.6mm的毛細(xì)鋼管構(gòu)成的燃料通路進(jìn)入爐膛；由N2和O2組成的混合氧化氣體則通過蜂窩段整流后與燃料氣在燃燒器表面進(jìn)行混合；此外，燃燒器最外層還設(shè)置有外環(huán)氣道，通過輸入N2達(dá)到保護(hù)流場和冷卻燃燒器的作用．燃燒器的中心設(shè)置有內(nèi)徑2mm的給粉管，通入N2攜帶煤粉進(jìn)入到爐膛中．冷態(tài)的煤粉顆粒穿過平面火焰后急劇受熱，其加熱速率可達(dá)105～106K/s．在燃燒器上方設(shè)置尺寸為54mm×54mm的透明石英方管作為燃燒器的爐膛，既保證了燃燒器上方的流場穩(wěn)定，也為煤粉顆粒的著火燃燒以及光學(xué)測量營造了一個良好的環(huán)境．

圖1?單煤粉顆粒實驗系統(tǒng)示意

實驗中攜帶煤粉的氣流流量為0.3L/min(stan-dard liter per minute，SLPM)，給粉量控制在1g/h．燃料側(cè)的進(jìn)氣流量控制在30L/min，根據(jù)化學(xué)當(dāng)量比配置了燃料氣體和氧化氣體，使得在形成穩(wěn)定的平面火焰后，保證煤粉顆粒處于氧體積分?jǐn)?shù)為20%的煙氣中發(fā)生反應(yīng)．爐膛加熱溫度是1800K，實驗工況及組分如表1所示．

表1?實驗工況

Tab.1?Experimental conditions

同時為了驗證燃燒器上方的中心溫度分布是否均勻，采用了B型熱電偶進(jìn)行爐膛內(nèi)不同高度中心位置處的溫度測量．并對測量的值進(jìn)行了輻射修正，具體數(shù)據(jù)如圖2所示．

圖2?爐膛內(nèi)溫度場分布

1.2?煤種的準(zhǔn)備和表征

本文為了研究煤粉顆粒的脫揮發(fā)分過程和煤焦氧化燃燒的相關(guān)特性，選用了揮發(fā)分含量較高的神華煙煤，并控制煤粉顆粒的粒徑為74～98μm．該煤的工業(yè)分析和元素分析如表2所示．

表2?煤的工業(yè)分析和元素分析

Tab.2?Proximate and ultimate analyses of coal

1.3?光學(xué)測量裝置及數(shù)據(jù)處理方法

本文為了清晰準(zhǔn)確地獲得煤粉顆粒著火過程的連續(xù)圖片，分析煤粉顆粒在著火燃燒過程中的尺寸、形貌、溫度的變化情況，搭建了一套激光輔助高速攝像測量裝置．通過高速攝像相機(jī)(型號為Photron FASTCAMSA4)配合微距鏡頭(型號為AF Micro-Nikkor 105mm/2.8D)對煤粉的著火過程進(jìn)行高質(zhì)量、連續(xù)的圖像捕捉．相機(jī)主要設(shè)置參數(shù)詳見表3.高速攝像拍攝過程中的輔助連續(xù)激光(波長為532nm)，保證了煤粉顆粒從未燃到著火燃燒的全過程捕捉．

為了分析顆粒尺寸的變化以及跟蹤統(tǒng)計連續(xù)顆粒，本文建立了一套圖像處理的方法．按照先后順序可以分為以下4個過程：①灰度轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)變量單一化．將彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎椎?位灰度圖像，每個像素點的光強(qiáng)值為0～255；②降噪過濾，確定一個背景的臨界閾值，將灰度值低于該閾值的像素點的灰度值設(shè)為0；③粒子識別，即從降噪后的圖像中提取出每一個粒子，同時準(zhǔn)確獲取每一個粒子的大小，亮度和中心位置坐標(biāo)，如式(1)、(2)所示；④顆粒匹配與跟蹤，通過匹配的連續(xù)顆粒計算出顆粒速度，其詳細(xì)計算方法可參看文獻(xiàn)[9]建立的計算模型．

顆粒的平均亮度：

?(1)

顆粒的中心位置：

? ??(2)

表3?設(shè)備參數(shù)

Tab.3?Device parameters

高速攝像鏡頭連續(xù)激光 FPS曝光時間/s拍攝照片數(shù)分辨率光圈最大輸出功率/W波長/mm 50001/30000300019.53f/2.8D8532

1.4?光學(xué)測量裝置及圖形處理方法

本文對于煤粉單顆粒溫度的測量采用的是雙色法．由于煤粉顆粒著火溫度在3000K以下，這里使用了維恩公式代替普朗克輻射公式，產(chǎn)生的誤差可忽略不計：

?(3)

式中：為輻射強(qiáng)度對應(yīng)的波長；為輻射強(qiáng)度對應(yīng)的溫度；()為煤粉的發(fā)射率；1和2為經(jīng)驗參數(shù)．

通過將同一物體在同一位置的兩種波長下的光輻射強(qiáng)度進(jìn)行比值，就可以得到物體的溫度，如公式(4)所示．

?(4)

高速相機(jī)接受到的數(shù)據(jù)值與光路特性和被拍攝物體有關(guān)．對單個CMOS感光單元，其所接受到的總輻射強(qiáng)度為入射光強(qiáng)度對波長和時間的積分，本文在此進(jìn)行了簡化，取特定曝光時間下相機(jī)輸出數(shù)據(jù)、、值分別為700nm波長輻射強(qiáng)度()、546nm波長輻射強(qiáng)度()、435nm波長輻射強(qiáng)度()的函數(shù)，通過黑體爐標(biāo)定來確定輸出數(shù)據(jù)與輻射強(qiáng)度的關(guān)系．在實際拍攝的煤粉顆粒著火圖像中，由于值信噪比較低，因此選取了和值進(jìn)行比值，這里對煤粉顆粒做灰體假設(shè)，從而得到溫度的計算公式：

?(5)

通過黑體爐的標(biāo)定，可以建立、、與(，)、(，)、(，)的對應(yīng)曲線，其中r、g為響應(yīng)比例系數(shù)，帶入公式中，可以求出顆粒的溫度．

2?結(jié)果與討論

2.1?煤粉顆粒在爐膛內(nèi)速度變化

在實驗過程中為了保證平面火焰層的穩(wěn)定和燃燒器內(nèi)環(huán)境溫度場的均勻，對于燃燒器的一次風(fēng)和二次風(fēng)的流量進(jìn)行了控制．煤粉顆粒是由一次風(fēng)N2攜帶通入到燃燒器內(nèi)，其一次風(fēng)的流量為0.3L/min，平均流速為1.72m/s．燃燒器的二次風(fēng)，即燃料側(cè)和氧化劑側(cè)的總進(jìn)氣量是30L/min，其熱態(tài)下的流速可以達(dá)到1～2m/s．通過高速攝像連續(xù)捕捉煤粉顆粒圖像，應(yīng)用PTV(particle tracking velocimetry)算法[9]，計算得到每個顆粒的速度．在此基礎(chǔ)上，通過分層統(tǒng)計獲取沿爐膛高度分布煤粉顆粒平均速度，見圖3．

圖3?顆粒在爐膛內(nèi)的速度

2.2?連續(xù)顆粒著火過程圖像捕捉

從煤粉顆粒進(jìn)入到爐膛內(nèi)開始受熱，到煤焦燃燒，整個煤粉的著火過程主要發(fā)生在燃燒器上方0～60mm的范圍內(nèi)．因此在實驗中每隔10mm作為一個拍攝區(qū)域，設(shè)置了6個拍攝位置，保證了拍攝區(qū)域的重疊和拍攝過程的完整．

在爐膛加熱溫度1800K下，對神華煙煤在燃燒器上方不同位置進(jìn)行了連續(xù)拍攝，每張圖片時間間隔為0.2ms．通過對顆粒著火過程的連續(xù)圖片分析，可以劃分出顆粒的加熱階段，脫揮發(fā)分階段和煤焦的氧化階段的3個階段，如圖4所示．選取圖4中煤粉顆粒著火各階段的典型圖片進(jìn)行分析，如圖5所示．

圖4?顆粒著火燃燒過程示意

在煤粉顆粒進(jìn)入爐膛0～15ms時，顆粒圖像主要呈綠色，這是由于顆粒對連續(xù)激光進(jìn)行反射產(chǎn)生的，說明顆粒自身并未著火，因此這一階段主要是煤粉的受熱過程．而在顆粒進(jìn)入爐膛15ms后，可以清晰地觀測到顆粒周圍逐漸出現(xiàn)暗紅色的包覆火焰，但是顆粒的中心位置依然較暗，且被連續(xù)激光照射為綠色．這表明此時煤粉顆粒析出的揮發(fā)分開始著火，這種揮發(fā)分首先發(fā)生著火的現(xiàn)象屬于均相著火．

隨著揮發(fā)分火焰的燃燒，在17～20ms時，火焰尺寸開始逐漸變小，亮度變暗．顆粒中心位置處亮度依然較暗，呈現(xiàn)成綠色，這表明煤粉的脫揮發(fā)分的過程逐漸結(jié)束，外圍揮發(fā)分燃燒完全．在20ms時，煤粉顆粒逐漸變亮，且中心位置處的亮度最強(qiáng)．由上述過程可知，煤焦顆粒在脫揮發(fā)分過程中不斷受熱，外圍揮發(fā)分劇烈燃燒．在揮發(fā)分燃燒完后，進(jìn)而發(fā)生煤焦的氧化燃燒．煤焦的燃燒過程主要呈現(xiàn)為亮白色，并且顆粒中心位置處的亮度最強(qiáng)，其顆粒尺寸較小，這和揮發(fā)分火焰的燃燒現(xiàn)象有很大的區(qū)別，這對于區(qū)分脫揮發(fā)過程和煤焦的燃燒過程有很大的幫助．

2.3?顆粒著火過程溫度變化統(tǒng)計

本文以高速攝像圖片為基礎(chǔ)，對煤粉顆粒進(jìn)行灰體假設(shè)，用雙色法原理計算了顆粒溫度場的分布．但是在揮發(fā)分燃燒過程中，其輻射特性與揮發(fā)分厚度、碳煙濃度等有關(guān)，不屬于物體表面輻射，無法使用雙色法進(jìn)行溫度分析．因此本文主要給出了煤焦氧化過程中的溫度場分布以及溫度變化情況．如圖6所示，選取了未過曝的(亮度值＜255)煤焦顆粒著火燃燒的連續(xù)圖像．利用雙色法對圖6中的顆粒圖像進(jìn)行計算處理，分別得到了每幅圖中顆粒的溫度場分布，并統(tǒng)計得到顆粒最高溫度變化圖和顆粒尺寸變化，如圖7所示．通過數(shù)據(jù)可知煤焦顆粒的溫度隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸增加，最高溫度可以達(dá)到1800K左右．而顆粒的尺寸則是隨著著火進(jìn)行逐漸增加，最后達(dá)到一個較為穩(wěn)定的值．

圖5?煤粉顆粒著火過程連續(xù)捕捉圖片(單位：ms)

圖6?煤焦顆粒著火燃燒連續(xù)圖片(1～10按時間順序排列)

圖7?煤粉顆粒溫度和尺寸的變化情況

對捕捉到的每一幅照片中的顆粒進(jìn)行了雙色法計算得到溫度場分布，如圖8所示．通過溫度場的分布可以發(fā)現(xiàn)在煤焦顆粒氧化的初始階段溫度分布并不均勻，有高溫區(qū)的存在．這說明煤焦顆粒的著火是以局部著火的形式進(jìn)行，隨著時間的推移，高溫區(qū)逐漸向四周傳播熱量，最后整個顆粒發(fā)生著火燃燒，此時溫度分布趨于均勻．

圖8?煤焦顆粒著火過程溫度分布

3?結(jié)?語

本文通過激光輔助高速測量，應(yīng)用自行開發(fā)的顆粒識別、匹配、跟蹤算法，在平面火焰燃燒器上對單煤粉顆粒的燃燒過程進(jìn)行了連續(xù)測量，獲取了神華煙煤顆粒在燃燒過程中的尺寸、形貌、溫度和著火延遲特性．實驗結(jié)果表明，環(huán)境溫度1800K、空氣氣氛下，粒徑分布為74～98μm的神華煙煤煤粉為均相著火．煤粉顆粒釋放的揮發(fā)分首先發(fā)生著火，形成暗紅色球形包覆火焰；待揮發(fā)分消耗后，煤焦顆粒開始異相著火，并從其表面發(fā)出亮白色光；溫度分布進(jìn)一步證明煤焦顆粒燃燒是非均勻的．

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Experimental Study on the Ignition Characteristics of Single Coal Particles Using Laser-assisted High-speed Camera

Lu Ke1，Li Jing1，Wang Yusheng1，Huang Xiaohong1，Luo Wei2，Liu Zhaohui1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion，School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430205，China)

The ignition characteristics of single pulverized coal particles were investigated using a Hencken burner. A laser-assisted high-speed camera was used to image the ignition process，after which the size，shape，temperature，and ignition delay time of the pulverized coal were examined in detail. Shenhua bituminous coal with particle diameter of 74—98 μm underwent homogeneous ignition under an ambient temperature of 1 800 K. The volatiles of the pulverized coal were released and ignited to form a spherical coating flame. When these volatiles were completely consumed，heterogeneous ignition of char began to occur，representing the formation of luminous intensity emitted from the particle surface. The temperature distribution of coal particles demonstrates that combustion on the char surface was non-uniform.

single coal particle；ignition characteristics；flat flame burner；optical diagnosis

TK16

A

1006-8740(2019)02-0169-06

2018-05-04．

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFB0605300)．

盧?科（1992—??），男，碩士研究生，look111@hust.edu.cn.

栗?晶，男，博士，講師，jingli@hust.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201805004