“揭秘氧浓度对煤燃烧的多重效应：深入解析煤颗粒脱挥发与燃烧行为”
华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室向军教授团队研究成果，以“Effects of oxygen concentration on devolatilization and combustion behavior of coal particles: A multi-parameter study”为题发表在“Combustion and Flame”期刊上。
研究背景
在一些发展中国家中，煤炭占据了能源结构的主导地位，提供了超过60%的能源需求。作为许多发展中国家的主要能源，煤炭的高效清洁利用对环境保护和能源利用效率至关重要。研究团队通过集中光热实验平台，利用平面激光诱导荧光(PLIF)、高速摄影和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等先进诊断技术，深入探讨了氧气浓度变化对煤炭燃烧特性的作用。特别是，研究分析了挥发分释放、火焰稳定性、污染物排放以及煤炭结构在燃烧过程中的变化，旨在揭示氧气浓度和煤炭等级如何影响脱挥发分和挥发分燃烧机制。研究团队重点研究了煤炭燃烧过程中氧气浓度对不同等级煤炭(如褐煤、次烟煤和烟煤)脱挥发分和挥发分燃烧行为的影响。
实验装置及方法
1. 煤炭样品的准备：
使用三种典型煤炭，褐煤(lignite coal, LC)、次烟煤(sub-bituminous coal, SBC)及烟煤(bituminous coal, BC)，磨成粉末并筛选至74-105微米粒度。所有样品在实验前干燥，然后压制成圆柱形煤粒。
2. 集中光热实验平台：
实验在配备有聚焦卤素钨灯、熔融石英反应器、气体控制单元和光度成像系统的实验平台上进行。煤炭颗粒通过卤素灯加热，氧气浓度通过质量流量控制器精确控制。
3. 炭结构表征：
分析了在不同时间点的炭样品，包括原始煤和燃烧过程中的不同阶段。使用FT-IR技术检查炭的化学结构。
4. OH自由基和多环芳烃平面激光诱导荧光(PLIF)：
使用频率倍增染料激光器激发OH自由基和多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)。通过特定波长的激光激发并使用合适的滤光片收集荧光信号，最终在装有图像增强器(EyeiTS-D-Hi-QE Blue, 中智科仪)的高速相机上成像。对OH-PLIF图像处理以表征挥发分火焰中的OH强度。通过图像分析确定火焰前沿位置和煤炭颗粒尺寸。
图1 (a)集中光热实验平台示意图; (b)OH-PLIF与PAHs测量实验装置
实验结果和讨论
1. 煤挥发分在不同浓度氧气下的燃烧特性
图2展示了煤挥发分在不同浓度氧气下的燃烧演变。煤的点火延迟时间是通过明显出现的OH-PLIF信号确定的。随着氧气浓度的增加，不同煤种的点火延迟时间(t_ign)减少，表明点火更容易。
挥发分燃烧期间，OH自由基的浓度和挥发分火焰持续时间(t_vol)随氧气浓度的增加而增加，但在氧气浓度分别高于30%、40%时，BC、LC的t_vol变化不大。然而，对于BC，它比其他两种煤有更长的t_vol，并且随着氧气浓度的增加，t_vol增加。挥发分燃烧反应是放热的，其反应速率直接决定了热量的释放，这影响了挥发分的释放量和释放速率，因此挥发分燃烧速率被认为是燃烧过程的关键。反应速率由O2和挥发分混合物的反应活性控制，这在本工作中是由氧气对挥发分的作用机制决定的。
图2 LC, SBC, BC颗粒在21-50% 氧气条件下挥发性燃烧过程的典型图像
图3-5展示了在不同氧气浓度下，三种不同等级煤炭挥发分燃烧过程中的燃烧图像、在线OH-PLIF图像、离线OH-PLIF图像(1至2环PAHs荧光图像)和3至5环PAHs荧光图像。
图3 氧浓度对LC中间活性基团形成特性的影响，以(a)21%和(b)50% O2浓度为例
图4 氧浓度对SBC中间活性基团形成特性的影响，以(a)21%和(b)50% O2浓度为例
图5 氧浓度对BC中间活性基团形成特性的影响，以(a)21%和(b)50% O2浓度为例
2. 不同氧气浓度下OH形成特性
随着氧气浓度的增加，点火阶段的OH浓度增加，这有助于减少点火延迟时间。在氧气浓度达到40%以上时，对于某些煤炭类型，OH浓度的增加趋势趋于平稳，这可能与挥发分释放量达到一定值后不再显著增加有关。OH自由基的浓度增加是由氧气和挥发分反应活性的提高驱动的，这增强了H+O2 → OH+O反应的速率。
3. 不同氧气浓度下烟尘形成特性
随着氧气浓度的增加，煤粒挥发分火焰的亮度增加，表明烟尘负荷增加。高氧气浓度下，由于火焰温度和氧气可用性的增加，烟尘的形成和氧化机制之间的竞争加剧。烟尘的增加可能会通过辐射热传递降低火焰温度，并消耗OH自由基，从而影响燃烧过程。
4. 不同氧气浓度下PAHs形成特性
点火后，3至5环PAHs的荧光强度显著增加，表明高温促进了PAHs的生成和释放。PAHs的生成可能会消耗OH自由基，抑制H+O2 → OH+O反应，从而影响燃烧速率。
总结
本研究强调了氧气浓度对煤炭燃烧过程中挥发分释放、OH自由基形成、PAHs和烟尘生成的影响。研究发现，氧气浓度的增加促进了点火过程，但当达到一定水平后，其对燃烧特性的影响趋于稳定。此外，PAHs和烟尘的生成对OH自由基的浓度有显著影响，这可能会抑制燃烧过程。这些发现对于优化燃烧条件、提高燃烧效率和减少污染物排放具有重要意义。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2022.112557
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