板-板電極結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電等離子體輔助煤炭池火燃燒特性研究①

龔 鵬

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

黨的二十大明確提出,能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和推動力,加速新型能源體系構(gòu)建與轉(zhuǎn)型對我國現(xiàn)代化能源建設(shè)與風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。煤炭是我國能源生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比最大的能源品種,預(yù)計(jì)2030年我國標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放量將達(dá)到45億噸[2]?！案幻骸⒇氂?、少氣”的能源結(jié)構(gòu)使得煤炭消費(fèi)占比高,煤炭減排壓力大[3]。目前距離2030年碳達(dá)峰不足10年時(shí)間,且我國碳達(dá)峰與碳中和的間隔時(shí)間僅為30年,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家,戰(zhàn)略時(shí)間緊迫[4]。為完成我國在2030年比2010年碳排放下降45%的碳中和目標(biāo),以煤炭為代表的高效能源利用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的高效碳排放途徑[5]。等離子體技術(shù)是一種極具發(fā)展前景的新技術(shù),通過低溫等離子體特殊的電、熱、光及化學(xué)活性使氣體分子發(fā)生大量的物理化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生數(shù)量龐大、種類繁多的高能活性粒子,影響燃燒過程中化學(xué)反應(yīng)的平衡,最終實(shí)現(xiàn)讓煤炭充分、高效、快速燃燒目的[6]。等離子體助燃技術(shù)屬于學(xué)科交叉融合技術(shù),與正常燃燒相比,等離子體助燃通過在特殊氣體氛圍下,通過提升氧氣輸運(yùn)等方式,提高燃燒問題、加快燃燒速率從而拓展燃燒極限[7]。等離子體助燃技術(shù)的興起與發(fā)展為清潔煤燃燒技術(shù)提供了廣闊的視野與路線[8]。介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)具有在裝置中搭建簡易、放電穩(wěn)定能在大氣壓下產(chǎn)生穩(wěn)定彌散的等離子體而廣泛應(yīng)用于等離子體技術(shù)中[9]。

國外學(xué)者S D Fedorovich等[10]利用等離子體煤氣化技術(shù),通過發(fā)射光譜診斷分析等離子體氣化產(chǎn)物,結(jié)果表明:合成氣體的可燃成分中只檢測到CO,煤炭燃燒效率得到增加。Gorokhovski等[11]構(gòu)建等離子燃料系統(tǒng)用于輔助煤粉燃燒,提升了煤粉燃燒效率?？傮w上,國內(nèi)外學(xué)者雖然逐漸開始重視并發(fā)展等離子體煤炭助燃技術(shù),但針對煤炭宏觀的助燃效果實(shí)驗(yàn)研究較少。

國內(nèi)學(xué)者王衛(wèi)東等[12]結(jié)合試驗(yàn)和建模,利用煤的液化固體產(chǎn)物(MLS)來提升燃燒效果等,來闡明轉(zhuǎn)化過程中的主要潛在機(jī)制和化學(xué)反應(yīng),驗(yàn)證等離子體轉(zhuǎn)化作用的效果;張磊[13]研究了微波等離子體輔助煤粉的燃燒,測定了助燃過程中產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)在無煙煤的點(diǎn)火階段,通過微波誘導(dǎo)焦炭放電產(chǎn)生的等離子體有助于產(chǎn)生更多的揮發(fā)分,使點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短,并且無煙煤的最大燃燒溫度明顯上升。

建立板-板電極放電燃燒裝置,研究了不同電極間距、施加脈沖電壓幅值對放電特性的影響與不同電壓等級下的燃燒速率和溫度變化差異,對比了等離子體介入前后板-板電極燃燒裝置煤炭的燃燒狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示,實(shí)驗(yàn)平臺由DBD助燃裝置、放電數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、質(zhì)量測量系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng)圖

DBD助燃裝置以氧化鋁陶瓷管作為放電燃燒腔體,頂部與底部覆蓋孔徑為3.0mm,厚度1.5mm的不銹鋼304多孔篩網(wǎng),作為高壓電極與接地電極。

外施激勵源選取高頻交流電源CTP-2000K,設(shè)置固定頻率10kHz;放電數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)由Tektronix P6015A高壓探頭,Tektronix P2220低壓探頭和Tektronix 2024C數(shù)字示波器組成;質(zhì)量及溫度測量系統(tǒng)中,采用B型WRR熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集,采用JJ1523BC質(zhì)量分析天秤(精度0.001g)對質(zhì)量衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動采集。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)研究激勵源參數(shù)和燃燒裝置參數(shù)對放電特性和燃燒特性影響。

1.2.1 放電特性研究

通過控制變量在恒定激勵源參數(shù)時(shí)調(diào)整燃燒裝置參數(shù),在恒定燃燒裝置參數(shù)時(shí)調(diào)整激勵源參數(shù),開展放電特性的研究。

外施激勵源參數(shù)調(diào)節(jié)范圍為32kV-40kV,調(diào)節(jié)跨度為2kV,頻率固定10kHz;燃燒裝置參數(shù)內(nèi)徑×外徑恒為40mm×50mm,內(nèi)裝置高度以5mm為跨度進(jìn)行調(diào)節(jié),分別為20mm,25mm,30mm,35mm和40mm。

外施電壓和電流波形分別通過高壓探頭和低壓探頭采集。放電功率采用瞬時(shí)功率法,裝置兩端電壓為U,采集電阻R兩端電壓為U1放電功率P為:

1.2.2 燃燒特性研究

通過煤炭燃燒狀態(tài)不同放電狀態(tài)的質(zhì)量變化與溫度變化對煤炭燃燒特性進(jìn)行表征,質(zhì)量測量為不間斷實(shí)時(shí)采集;溫度檢測為電極上方20mm處,燃燒裝置參數(shù)內(nèi)徑×外徑為40mm×50mm、高度30mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 放電特性

為實(shí)現(xiàn)燃燒裝置的穩(wěn)定放電,實(shí)驗(yàn)匹配激勵源電學(xué)參數(shù)。當(dāng)輸出電壓范圍32kV-40kV,電源頻率恒定10kHz時(shí),能在不同燃燒裝置參數(shù)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放電,產(chǎn)生彌散的DBD等離子體。

設(shè)置煤炭初始質(zhì)量為20g,氧化鋁陶瓷管為內(nèi)徑×外徑為40mm×50mm,高度40mm,加熱2min煤炭燃燒呈穩(wěn)定狀態(tài)后開始進(jìn)行放電處理。

圖2為以2kV為跨度進(jìn)行調(diào)節(jié),在32kV-40kV電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的電壓電流波形。由圖可知,當(dāng)外施激勵源電壓變大時(shí),電場變強(qiáng)使電子與中性粒子之間的碰撞更劇烈,放電電流脈沖的峰-峰值也變大。

圖2 不同放電參數(shù)下的電流波形

圖3是不同外施激勵源電壓下,放電功率的變化。當(dāng)電壓從32kV提升至40kV,放電功率隨之從19.9W升高至70.46W,放電強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。在煤炭燃燒進(jìn)程中,隨著電壓的提升,電場強(qiáng)度提升,電子和中性粒子碰撞變多,電子密度變大,進(jìn)而使得放電電流和功率變大。

圖3 不同放電參數(shù)下的功率變化

圖4對比了恒定電壓38kV,內(nèi)徑×外徑為40mm×50mm在不同燃燒裝置參數(shù)下的電壓電流波形。燃燒裝置參數(shù)選取在20mm,30mm和40mm三個(gè)電極間距參數(shù)。燃燒裝置參數(shù)變化主要影響煤炭堆放與在燃燒裝置的占比以及放電間隙。

圖4 不同燃燒裝置參數(shù)下的電流波形

當(dāng)放電間隙較小時(shí),電子在放電空間內(nèi)的平均自由程較短,電子有效碰撞較低,放電過程偏弱;當(dāng)放電間隙增大時(shí),煤炭介質(zhì)表面的電荷與放電空間內(nèi)形成的反向電場增強(qiáng),削弱了放電過程,回路電流降低。燃燒裝置電極間距為30mm時(shí)絲狀放電通道穩(wěn)定,電流幅值較大放電劇烈。

圖5是不同燃燒裝置參數(shù)下的功率變化情況,放電功率呈現(xiàn)出先增大后減低的趨勢,當(dāng)裝置電極間距為30mm時(shí)候放電功率出現(xiàn)最大值為47.37W。

在煤炭獨(dú)特燃燒環(huán)境下,放電的氣體組分與阻擋介質(zhì)材料是固定的,燃燒裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)與放電間隙的距離決定了放電間隙的擊穿電壓大小。煤炭在電極間距大的燃燒裝置中放電氣隙間距大,在電極間距小的燃燒裝置中放電氣隙間距小。

實(shí)驗(yàn)中燃燒裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)始終為大氣壓,在放電間隙變化過程中,當(dāng)電極間距為30mm時(shí),放電間隙的距離值對放電空間內(nèi)的粒子碰撞最有利,使擊穿電壓最小,此時(shí)為放電電流的峰-峰值與放電功率最大值。

圖5 不同燃燒裝置參數(shù)下的功率變化

當(dāng)電極間距為20mm和25mm時(shí),電子與粒子碰撞次數(shù)增加,但電子的自由行程減少,電子有效碰撞游離較少,產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)減少,放電電流和放電功率較小。當(dāng)電極間距為至35mm和40mm時(shí),電子與粒子碰撞次數(shù)減少,產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)減少,放電電流和放電功率也減小。初始質(zhì)量20g的煤炭在電極間距30mm裝置中,DBD等離子體與火焰等離子體耦合較好,放電電流幅值和功率較大。

2.2 燃燒特性

煤炭燃燒特性的表征主要通過兩大參數(shù):質(zhì)量變化及溫度變化,通過改變電學(xué)參數(shù),觀察煤炭質(zhì)量衰減和溫度升高變化。圖6為調(diào)節(jié)放電參數(shù)煤炭質(zhì)量衰減變化,當(dāng)煤炭燃燒至8g時(shí)所需時(shí)間。從圖中池火燃燒狀態(tài)下的煤炭在有無等離子體的介入情況下差異明顯。在放電燃燒狀態(tài)下,隨著外施電壓的提升,煤炭質(zhì)量衰減速率逐步提升。

圖6 不同放電參數(shù)下質(zhì)量衰減變化

等離子體輔助煤炭燃燒的作用原理主要體現(xiàn)在兩方面:①提升燃燒反應(yīng)氧氣輸運(yùn);②降低熱解反應(yīng)的鍵能。

高溫燃燒的煤炭在水蒸氣蒸發(fā)后會形成典型的多孔結(jié)構(gòu)粒子,這種結(jié)構(gòu)可以減少反應(yīng)阻力并增大反應(yīng)表面積,多孔結(jié)構(gòu)粒子在揮發(fā)分和焦炭燃燒階段進(jìn)一步形成碳晶格結(jié)構(gòu),形狀類似苯環(huán)。自然池火燃燒狀態(tài)下的煤炭,在燃燒前期的水蒸氣蒸發(fā)階段會消耗大量氧氣,因而在燃燒后期的焦炭階段通常會缺乏足夠的氧氣完成充分燃燒。等離子體在電場的作用下會形成離子風(fēng),加強(qiáng)氧氣的輸運(yùn)作用[14],氧氣分子通過擴(kuò)散和物理、化學(xué)吸附進(jìn)入碳晶格表面,提升煤炭燃燒速率。

煤炭被加熱到一定溫度后開始熱解生成自由基,其橋鍵如-CH2- ,-O-CH2- ,-O-等,這些自由基與電子碰撞加劇提升放電強(qiáng)度。煤炭燃燒需要使自由基的橋鍵進(jìn)一步裂解以推進(jìn)燃燒反應(yīng)進(jìn)程,等離子體可以降低反應(yīng)所需鍵能,提升反應(yīng)速率,拓展燃燒極限。

圖7 32kV,36kV,40kV質(zhì)量衰減變化率

圖7為質(zhì)量衰減變化率,通過采用三次多項(xiàng)式對質(zhì)量衰減趨勢進(jìn)行擬合。從圖中可知隨著外施電壓提高,池火燃燒狀態(tài)煤炭衰減變化率隨之提高。32kV,36kV,40kV前7min的平均質(zhì)量衰減變化率分別為2.1mg/s,3.5mg/s,4.9mg/s。

圖8為煤炭在不同電學(xué)參數(shù)下的溫度變化情況,設(shè)置未放電對照組與在等離子介入后的煤炭燃燒狀態(tài)對比。由圖可知和未放電的燃燒狀態(tài)相比,等離子體介入后煤炭池火燃燒狀態(tài)下最大燃燒溫度顯著提升,燃燒極限得到拓展。在燃燒初始階段,等離子體氣動效應(yīng)明顯溫度迅速上升,并且隨著電壓的增大,溫度的提升速率變快,第一次達(dá)到最高溫度點(diǎn)所需的時(shí)間也降低。

表1對比了施加不同電壓上升到最高溫度所需時(shí)間。

圖8 32kV,34kV,36kV,40kV與沒有等離子體

介入時(shí)池火燃燒狀態(tài)下溫度變化

選取20min燃燒時(shí)刻,未放電時(shí)自然狀態(tài)池火燃燒的煤炭溫度全程變化較小,在632s時(shí)達(dá)到最高溫度792℃,最終溫度上下浮動在780℃左右;在等離子體介入后,燃燒溫度增幅效果顯著,激勵源電壓越高,最高溫度越大且達(dá)到最高溫度消耗的時(shí)間越短;36kV與40kV在燃燒后期的溫度變化曲線較為一致,說明等離子體助燃效果接近飽和。

表1 不同放電參數(shù)下最大溫度上升時(shí)間

圖9為分析了前12min的溫度變化率,板-板電極裝置的氣密性較好,在穩(wěn)定放電燃燒狀態(tài)下,能始終維持不錯(cuò)的助燃效果。由質(zhì)量及溫度變化表征可以看出,等離子體助燃效果作用最佳階段為前20分鐘,后續(xù)助燃效果存在一定的飽和現(xiàn)象。

圖9 不同放電參數(shù)下溫度變化率

圖10對比了施加32kV電壓激勵下煤炭在不同時(shí)刻的燃燒狀態(tài),以及32kV,36kV和40kV電壓激勵下煤炭燃燒的火焰形貌。從圖中可以看出,等離子體介入前后煤炭的池火燃燒狀態(tài)明顯變化,放電燃燒時(shí)煤炭效果明顯更佳;隨著燃燒時(shí)間推進(jìn),煤炭燃燒范圍擴(kuò)大,火焰更明亮。從不同激勵源電壓下的煤炭池火燃燒的火焰形貌可以直觀看出,電壓激勵越高,助燃效果越明顯。

(a)

(b)

3 結(jié) 論

1) 煤炭燃燒裝置參數(shù)和煤炭堆放占比影響放電功率的變化;提升激勵源電壓,放電功率變大,放電更加穩(wěn)定。

2) 提升激勵源電壓可有效提升煤炭的燃燒速率,質(zhì)量衰減變快和溫度上升時(shí)間縮短,最大溫度提升。

3) 等離子體助燃煤炭拓展煤炭的燃燒極限,主要通過提升氧氣輸運(yùn)作用和降低初始鍵能來助燃。