无焰富氧燃烧新模式下煤粉燃烧特性及反应区结构研究

Flameless Oxy-coal combustion is next generation oxy-coal combustion technology with the combination of advanced flameless combustion and conventional oxy-coal combustion technologies. Its inherent feature is to adopt high speed oxygen jet to induce intensive hot flue gas internal recirculation to preheat the fuel mixture above its auto-ignition temperature and to significantly dilute the oxidant, and to form invisible flame in the furnace with uniform temperature and heat flux distributions. The combustion behavior of pulverized coal particles under high temperature and low oxygen concentration environments is drastically different that of the first generation oxy-coal combustion. The aim of the project to investigate the pulverized coal combustion characteristics and reaction zone structure under the novel flameless oxy-coal combustion mode. The laboratory-scale optically accessed pulverized coal combustion facility with high temperature co-flow under well-controlled thermal environments is adopted to investigate the auto-ignition temperature of coal particles and its ignition regimes. The chemical effect of CO2 on the char combustion rate and particle temperature is investigated to elucidate the char combustion mechanism under the environments of high temperatures, low oxygen concentrations and high concentrations of CO2 and vapor. The planar laser-induced fluorescence(PLIF) diagnostic technique is used to detect the OH radical concentration to reflect the reaction zone structure and combustion stability mechanism, and the operating parameters region to establish flameless oxy-coal combustion mode is determined. The numerical model with the coupling of coal ignition, char combustion and enhanced radiative heat transfer is used to predict the pulverized coal combustion characteristics under flameless oxy-coal combustion mode. The results will provide the fundamental understanding of next generation oxy-coal combustion technology.

将无焰燃烧与富氧燃烧两种燃烧方式相结合而形成的无焰富氧燃烧是新一代富氧燃烧技术，其特征是空分装置分离的纯氧高速喷入燃烧室，形成强烈的烟气内循环以预热燃料和稀释氧化剂，无明显火焰锋面，温度更均匀。煤粉颗粒在高温低氧、高浓度CO2气氛下的燃烧行为与第一代富氧煤粉燃烧明显不同。本项目提出研究“无焰富氧燃烧新模式下煤粉燃烧特性及反应区结构”，采用可控热氛围的透光式高温携带流煤粉燃烧实验装置，系统地研究高温低氧气氛下煤粉颗粒的自着火温度、着火模式及转换机理、高CO2和水蒸气浓度下炭粒的燃烧机理以及CO2化学效应对炭粒燃烧速率和颗粒温度的影响。采用PLIF激光测量技术揭示无焰富氧燃烧模式下煤粉燃烧反应区结构及燃烧稳定性机制，确定无焰富氧燃烧模式的参数范围。建立无焰富氧燃烧模式下煤粉着火、燃烧和辐射传热相耦合的数值模拟方法，全面地预测煤粉燃烧特性及反应区结构，为新一代富氧煤粉燃烧技术的发展提供理论支撑。

将无焰燃烧与富氧燃烧两种燃烧方式相结合而形成的无焰富氧燃烧是新一代富氧燃烧技术，煤粉颗粒在高温低氧、高浓度CO2气氛下的燃烧行为与第一代富氧煤粉燃烧明显不同。本项目 “无焰富氧燃烧新模式下煤粉燃烧特性及反应区结构”采用实验研究与数值模拟相结合的研究方法，系统深入地研究高温低氧、高浓度CO2气氛下煤粉颗粒的着火特性与着火模式、高CO2 和水蒸气浓度下炭粒的燃烧反应机理、无焰富氧煤粉燃烧的反应区结构以及MILD燃烧模式，建立无焰富氧燃烧模式下煤粉着火、燃烧和热质传递相耦合的数学模型及数值模拟方法，全面地预测煤粉颗粒的着火与燃烧特性，为新一代富氧煤粉燃烧技术的发展提供理论支撑。在Hencken燃烧器平面扩散火焰煤粉燃烧实验系统上，采用光纤光谱仪和CMOS相机获得了不同燃烧气氛（O2/CO2、O2/N2）、热协流温度（1273K～1873K）、氧气浓度（5%～30%）下准东煤粉颗粒的着火行为和燃烧特性。结果表明，无论O2/N2气氛还是O2/CO2气氛下，随着热协流温度或氧气浓度的增加，煤粉颗粒的着火温度减小，其着火延迟距离和着火时间也随之减小。在相同的热协流温度和氧气浓度下，O2/CO2气氛下煤粉颗粒着火时间比O2/N2气氛下延长了0.5~3.5 ms，O2/CO2气氛下的颗粒平均温度比O2/N2气氛下低51～185 K。提出了一种利用煤粉颗粒温度波动系数并结合燃烧火焰图像，可定量确定不同燃烧气氛、热协流温度和氧气浓度下MILD煤粉燃烧和MILD富氧煤粉燃烧模式的方法。采用OH-PLIF技术测量了神木西烟煤煤粉燃烧火焰中的OH自由基浓度，获得了不同燃烧气氛、热协流温度和氧气浓度条件下OH自由基的轴向和径向分布规律，得到了不同燃烧条件下神木西烟煤煤粉颗粒的着火模式和燃烧反应区结构。全面考虑了煤粉热解与挥发分燃烧、炭粒表面CO空间反应、炭粒表面氧化还原反应以及热质传递等全过程，建立了无焰富氧燃烧模式下煤粉着火、挥发分燃烧、炭粒燃烧和热质传递相耦合的数学模型和数值模拟方法，详细预报并分离CO2不同热物理化学效应和水蒸气浓度对高温低氧条件下MILD富氧煤粉燃烧的影响机理。