全尺度湍流脉动作用下煤粉瞬态燃烧和气化过程的机理研究

煤的燃烧和气化大都通过湍流燃烧方式实现，深刻理解全尺度湍流脉动与煤燃烧/气化间的相互作用机理对改进模型、提高燃烧效率具有重要意义。本课题采用一维湍流模型对气-固两相无旋湍流射流火焰进行瞬态数值模拟，模型可在Kolmogorov网格精度下直接计算二维瞬态湍流信息，能够考虑详细的化学反应机理，并包含一种颗粒-涡团作用算法，用于描述煤燃烧、气化过程同全尺度湍流脉动（包括Kolmogorov尺度）间的耦合作用。作为验证手段，以一维粉煤燃烧炉为研究对象，基于高速摄像技术获得粉煤湍流射流火焰的瞬态特性，包括着火点和火焰长度的统计分布，并采用常规方法测试火焰区的平均温度和主要组分。在数值模型和实验验证基础上，对瞬态结果、平均流场的预测值和测试值进行比较和分析，改进模型，探寻不同尺度下湍流脉动同煤粉燃烧/气化间的作用机理，并最终应用到对湍流射流煤燃烧/气化火焰的研究和工业实践中。

本课题搭建了Hencken型平面火焰试验台系统，在大量调试和实验观察的基础上研究了不同气流条件和煤粉条件下瞬态煤粉射流的着火特性。采用ODT方法和颗粒-涡团作用模型，在Lagrangian坐标系下模拟了煤粉的瞬态气化过程。基本完成了计划书中所述的所有研究内容，得到的主要结论如下：.1）煤粉射流Re数不同造成煤粉射流火焰形态较大的差异。较低Re数的贫煤煤粉射流在较高煤粉浓度下先后发生外层单颗粒着火燃烧和内层颗粒群着火燃烧。较高Re数下的贫煤煤粉射流因湍流气流强烈的吹扫作用使得挥发分很快在热环境中消耗而难以形成群燃火焰，高温颗粒容易与环境中O2接触而发生异相着火，呈现出暗红色气流火焰。 .2）群燃火焰在挥发分聚集到一定程度后产生，是颗粒群燃烧的特有现象。群燃火焰的辐射传热作用能够加快火焰周围未燃颗粒挥发分的析出和着火过程。煤种挥发分含量的增加和有效聚集更有利于群燃火焰的出现，较高挥发分含量、适当的风粉当量比（也即适当的射流Re数和给粉速率）是煤粉射流出现“群燃火焰”的必要条件.3）煤粉浓度的增加对煤粉射流着火过程有先促进后抑制的作用，对低雷诺数煤粉射流更加明显。随着煤粉浓度的增加，煤粉射流热容量增大效应和析出挥发分增多效应这两方面的竞争作用导致了这一现象，着火距离在煤粉浓度为0.8 kg/Nm3附近达到最小值。.4）一次风和二次风中的O2浓度的增加能够促进煤粉射流的着火过程，且对低雷诺数的煤粉射流更为明显。主要原因是O2浓度的增加导致更高的火焰温度和能够更快地形成可燃混合物。但高Re数的煤粉射流因湍流强烈的宏观输送作用，O2浓度对煤粉射流着火过程的影响并不明显。.5）随着射流Re数的增加，尽管颗粒停留时间减小，但湍流强度增加对加热速率以及挥发分析出的强化作用占主导，使得煤粉气流的着火距离减小.6）采用ODT模型对煤气化火焰区域进行数值模拟，在Kolmogorov尺度下分析了湍流涡团对煤气化反应以及颗粒运动的影响。结果表明，大尺寸涡团能够显著改变火焰的结构，并诱发局部小尺度涡团的生成。煤的脱挥发分区域集中在射流中心，而焦炭气化反应则对称分布在轴线两侧，并与高温区相吻合。颗粒粒径决定湍流-气化过程作用的尺度范围，粒径较小的煤颗粒容易受到气体温度和速度脉动的影响，从而改变其运动轨迹和气化反应进程。