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作为燃烧中的热辐射最后一个主题

下面介绍讲解热辐射

对煤粉射流着火的作用的一个初步探讨

这是我们在锅炉原理

和燃烧技术课程中学习到的理论

我们使用空气去把煤粉粒子送入炉膛中

因此射流是煤粉粒子和空气的混合物

在煤粉被送到炉膛以后

煤粉粒子被加热

在粒子被送入炉膛以后

温度的升高过程的加热机制是什么

我们考虑这个问题来看看

在教科书中

我们学到的煤粉粒子加热热量

主要是来自高温烟气的对流换热过程

这个是对于煤粉燃烧过程的分析的传统的

基本的结论

我们来看看另一个结论

如果我们计算火焰和水冷壁之间的换热量

它主要不是对流换热的机理

而是辐射换热的机理

超过90%的从火焰传递到水冷壁的热量

来自于辐射

在我读硕士的时候

我就注意到这两个结论之间的冲突

对于粒子的受热过程

我们看见主要的热量是来自于对流换热

但是我们计算火焰和水冷壁之间的换热过程

我们可以看到热量是主要来自辐射换热过程

对于同时发生在锅炉里的过程

我们有着不同的判断

大家看看这是不是存在矛盾呢？

经验告诉我们

对于燃烧特性相同的燃料

大容量的锅炉

比小容量的锅炉的燃烧稳定性好明显要好一些

湖南金竹山电厂是一家老的火力发电厂

我曾经与他们厂的总工讨论过这个问题

他告诉我

金竹山电厂燃用无烟煤 很难燃烧

以前金竹山电厂机组容量小

锅炉小的时候经常灭火放炮

后来陆续上了一些容量大一些的机组

灭火放炮的次数就明显少了很多

虽然大容量锅炉内的燃烧温度更高一些

但所引起的对流换热强度的增加

就能带来这样明显的效果似乎理由不充分

增加一次风煤粉射流的速度

应该可以增加烟气回流卷吸收带进的热量

但实际上却更容易吹熄火焰

这与对流换热是火焰稳定的

主要换热机制的解释也是矛盾的

我尝试去理解这两个结论之间的区别

第一个是对流换热

这是计算对流换热过程的常见的公式

α是对流换热系数

通常我们使用这个公式来计算流换热系数

这里Nu数接近于2 d p是粒子的直径

大家可以看到如果粒子的直径很小

那么表示对流换热系数和对流换热量就会增加

与粒子的直径成反比的变化

当达到一个临界直径时

来自对流换热的贡献比要来自辐射的贡献更大

教科书上就是这么推导的

并且得到烟气对流加热是煤粉射流卷吸过程中

煤粉粒子温度升高的主要的热量来源

我觉得这里的问题可能是

到底应该怎么处理对流换热系数

当煤粉粒子无限减小时

对流换热系数和强度究竟能不能趋于无穷大

细究起来这并不是一个简单的问题

在这种情况下

煤粉粒子的周围的气体分子

可能从连续的流体过度到非连续的流体

进入稀薄气体动力学研究的范畴

根据稀薄气体动力学

Knudsen数是一个重要的无量纲数

定义分子平均自由程与流动特征长度的比值

物理学里频繁的用到无量纲参数

我们前面讲述一维系统辐射传递理论解时

定义过无量纲热通量和无量纲的温度

在讲述粒子辐射特性时

我们定义过尺寸参数都是类似的概念

当我们研究的对象的尺度

小到与分子平均自由程可以比拟时

离散气体间断分子效应就会出现

研究气溶胶粒子

尺寸为微米级或者更小时就遇到这种情况

粒子在流体中流动时

粒子的直径可以作为流动的特征长度

如果粒子的直径变得越来越小

它将会和分子的平均自由程相当

在这种情况下

对流换热的计算方法将会改变

如果我们尝试去检验这个计算的正确性

我们可以看到

我们需要关注粒子直径的变化

需要与分子平均自由程相比较去考虑

这是关键

这里给出了根据Kn数的流动分区

如果Kn数很小

那么表明粒子的直径

远远大于分子的平均自由程

在这种情况下气体流动是连续的流动

我们可以使用连续流体力学的理论

来计算对流换热系数

但是如果Kn数变的很大

那么表明粒子的直径

相对于分子平均自由程变得很小

在这种情况下它是自由分子流动

自由分子流动指的是我们

需要处理单个气体分子的运动

它不是连续的流动

单个分子的运动

特别是气体分子与粒子之间的碰撞

及其能量交换

是一个个离散事件

不能用连续流体力学的原理来分析

这是稀薄气体动力学

和连续流体力学之间的差别

根据炉膛烟气分子参数以及炉膛温度和压力

来计算分子平均自由程

可以知道炉内烟气分子平均自由程

大约处在0.3到1.0微米中间

与小的煤粉粒子处在同一数量级

此时炉膛烟气对于煤粉粒子来说

已经不是完全的连续流体

所以传统的对流换热的计算存在一定的误差

我曾经指导一名硕士生

将煤粉气流表示为连续流

和自由分子流之间的过渡模式

改进对流换热的计算方法

自由分子流动的换热过程

是由不同分子之间的碰撞来决定的

自由分子流的热通量

为温度差除以一个特征长度

假设其可以近似为

用连续热通量表示的温度梯度

则可以导出气体分子流有效换热系数α2

基于连续流的对流换热系数α1

还是按照传统的处理方法来处理

在这种情况下

我们就提出了自由分子流动

和连续流动相结合的

分别由这两个对流换热系数计算出

烟气对于煤粉粒子的综合对流换热系数α3

我们已经讲过对流换热

这里我给出辐射换热方程

首先是工业应用中的方程

这是火焰和粒子之间 火焰和水冷壁之间的

辐射换热的工程计算方法

它是正确的吗 可能不是

如果我们去掉括号就会变成第二个方程

根据我们这门课程

辐射换热正确计算方法是第三个方程式

根据第三个方程式

右边第一项是火焰向煤粉粒子发射

用火焰温度T f和火焰发射率ε f来计算

并被粒子吸收的辐射能量

再乘以粒子吸收率εp计算得到

右边第二项是粒子发射出去 散失的能量

用粒子温度T p和粒子发射率ε p来计算

注意粒子的吸收率等于粒子的发射率

大家看看

能不能从第三个方程通过提取公因子

推导出第二个方程呢

无论如何做不到啊

第三个方程右边第一项中的火焰发射率εf

在第二项中没有

是提不出去的

因此

所谓燃烧火焰系统发射率εf是一个模糊的概念

甚至是不科学的概念

当然很难确定

把公因子提出来

就得到这里的炉内火焰

对粒子的辐射加热量的计算式

式中出现了一个0.25的系数

表示煤粉射流从燃烧器喷射进入炉膛时

射流面对的火焰辐射

仅仅在四分之一的整个的立体空间角的范围内

忽略散射的火焰辐射率计算式在这里给出

这是一个粗略的计算式

是想简单地显示火焰发射率

是由锅炉的尺寸决定的

不同容量的锅炉有不同的尺寸

火焰的发射率是不同的

大容量锅炉就比小容量锅炉具有

更大的火焰辐射率

这是在相同的

基本相当的火焰的吸收系数

或者是锅炉中的粒子的浓度条件下

实际上

含散射的火焰辐射率是不能这样简单计算的

火焰对粒子的辐射加热作用

需要在实际的燃烧系统条件下

通过求解三维空间的辐射传递方程而分析

这是我们分析的一个静止的

也可以说是一个瞬态的煤粉粒子

与周围烟气进行能量交换的条件

由于单一直径dp煤粉粒子均匀弥散在烟气中

所形成的直径为dc的球形粒子群

粒子群处于温度Tw为1373K的烟气包围中

辐射空间温度Te为1573K

辐射以及对流换热使得煤粉粒子群升高

温度 热解 燃烧

只考虑烟气对于粒子的对流加热

不考虑粒子本身的变化

比较不同粒径的粒子在传统计算方法

以及本方法计算下得到的温升的差值

结果是什么呢

对于粒径为2微米的煤粉粒子

图示给出了传统对流换热模式

和综合对流换热模式

就是这里给出的换热模式

粒子温升过程中的差异

最大可能达到160 K

对于90微米粒径的煤粉粒子

传统对流换热模式和综合对流换热模式下

图示给出的粒子温升过程中的差异

最大约为15K 减小了10倍

对于250微米粒径的煤粉粒子

传统对流换热模式和综合对流换热模式下

粒子温升过程中的差异可以忽略

最大约为1.6K 再减小10倍

粒子越大 温度上升越来越缓慢 时间越来越长

从以上结果可以看出

当粒子的直径较小时

两种计算方法所显示的计算结果相差较大

说明连续流体换热模式

不适应煤粉小粒子的对流加热分析

当粒子的直径较大时

两种计算方法所显示的计算结果相差不大

连续流体换热模式是适用的

一个重要的结论

非常小的粒子并不存在无限大的烟气

对粒子的对流换热系数

随着粒子加热时间的推移

粒子温度迅速上升

同时在对粒子加热的对流换热量

和辐射换热量的比值中

对流换热量的比重先下降后上升

结果是什么呢

这是对流换热和总换热热通量的比值

它是接近10%到20%

这是一个很小的一个比例

这是我们从分析中得到的第二个主要的结论

辐射对粒子升温作用的初步结论

在对流和辐射加热的煤粉加热升温过程中

对流换热占据了较小比重

本模型在一定的计算条件下

对流换热的比重在10％到20%左右

实际煤粉燃烧锅炉中

因为煤粉射流卷吸烟气

对流换热热量的比例还要高一些

可能达到20%到30％

但是肯定不是对流加热起主导作用

在煤粉加热过程中

对流换热的比重

随着煤粉粒子直径的增加而增加

辐射换热的比重随着粒子直径的增加而减小

在辐射空间尺寸增加时

即锅炉炉膛的尺寸增加时

炉膛火焰黑度加大

对流换热所占的比例明显下降

辐射所占的比例上升

大容量锅炉火焰较强的辐射能力

是其稳燃能力较强的重要保障

最后我们结合火焰传播速度的概念

讨论火焰稳定的问题

如图所示

燃料气流从左向右流动

右端点火后 火焰从右向左传播

如果火焰是稳定的

那么向左的火焰传播速度

等于向右的气体流动速度

在流动中就出现一个看起来在空间停滞的

驻止着火点

这里我们给出了

常见可燃气体火焰传播速度的正常值

对于这些气体火焰传播速度在1米每秒左右

当然这是在标准状态下

大家可以记住这些值的量级

燃料空气混合物的初始温度升高后

火焰传播速度加快

这是因为

化学反应的速度随着温度的上升明显加快

即使温度升高300度

火焰传播速度也在几米每秒的数量级的水平

火焰传播速度随着过剩空气系数的变化

有一个最大值

这个最大值对应最强烈的燃烧过程

有点像锅炉热效率的曲线

其实这两者之间的控制机理还是相似的

可燃气体浓度极限是燃烧学中的基本概念

其中最高火焰传播速度

对应最佳的燃烧条件

这些概念和知识是燃烧学范畴的

因为跟热辐射相关

所以在这里提出来给大家参考

学过锅炉的都知道

煤粉气流喷射到炉膛中的速度是10到20米每秒

远远大于所有可燃气体的火焰传播速度的

几米每秒的量级

实际锅炉和工业炉膛中

燃料和空气喷嘴喷进炉膛的气流的速度

必须提高

这是因为锅炉容量越来越大

需要在短时间内消耗越来越多的燃料

单位时间内喷射进入炉膛的燃料量越来越大

燃料射流必须采用较高的喷射速度

因为我们不可能想象所有的燃料

在刚喷射进入炉膛的时候就剧烈的燃烧

燃烧器和燃烧室炉壁是无法承受的

我们需要将燃料喷射到越来越大的炉膛空间的

中间区域进行燃烧

以形成均匀的燃烧热辐射分布

壁面局部高温

这也是控制氮氧化物排放水平的要求

但是我们刚刚看到

火焰只能在低的空气流动速度下才能保持稳定

抽烟的人都知道

在大风的室外

你想用打火机点燃一支香烟不容易

因为打火机火焰容易被吹熄

只有用手形成一个避风区 遮住风

火焰才能不被吹熄

这就是一个典型的低速的环境

一方面燃料及空气

必须以较高的速度喷射进入炉膛

另一方面

而燃烧火焰必须在低速的气流中才能稳定

这是一对矛盾

这是我们在处理燃烧现象中

所面对的一个基本矛盾

那么解决方法是什么呢

在燃料必须以高流速喷入燃烧室的条件下

如何构造局部的低速环境

使火焰能够稳定存在

是解决着火问题的关键

这实际上也是着火和燃尽这一对矛盾的体现

我们来看湍流边界层中煤粉火焰的传播

这是湍流射流的一般结构

由于气流的粘性和动量交换

射流的中的气流和煤粉粒子的速度

将会因为卷吸周围环境中的

高温静止气体而减小

因此出现了湍流边界层

其中气体和粒子的速度逐渐下降

被卷吸进入湍流边界层的煤粉粒子

相对初期进入炉膛的初始速度而言

是降低了速度

因而增加了在相同运动距离上的停留时间

吸收辐射加热明显增加

温度升高 挥发份释放 着火燃烧

因此这是我们在分析火焰的稳燃机理中的

第一个要点

除此以外在边界层的低速区

提供了有利于低火焰传播速度的低速环境

这是火焰稳燃的局部环境

湍流边界层中回流卷吸对稳燃的第二个要点是

提供了适合于火焰传播的低速流动区域

使得火焰稳定能够存在

否则高速射流中的气体

或者固体燃料就没有火焰稳定的条件

这样我们就给出了

湍流煤粉射流火焰的稳定的不同解释

在教科书中这种解释和我们讲到的不一样

教科书中的要点是

烟气回流卷吸提供了煤粉粒子加热升温的

主要热量来源

煤粉粒子因此升温着火 稳定火焰

大家可以看看教科书

可以对比我们对于这个过程的不同解释

总结一下湍流边界层对煤粉射流着火的作用

被卷吸进入湍流边界层中的粒子

降低了运动速度 增加了停留时间

有利于吸收更多的辐射加热

湍流边界层中

从主流速度减至零的速度梯度的存在

提供了传播速度较低的火焰稳定存在的条件

而回流卷吸高温烟气对煤粉粒子的对流加热

对着火的作用的传统解释

可能既不是煤粉粒子加热的主要机制

也就不是煤粉射流火焰稳定的主要控制机理

我们现在需要在实验和理论两个方面

对这个初步结论进行进一步严格的科学论证

希望未来彻底弄清楚煤粉射流稳定的物理机制

最后简要概括本章课程的主要结论

燃烧火焰中热辐射研究

是燃烧学研究的三个基本科学问题之一

燃烧火焰中的热辐射必须考虑

其准确计算

应该基于非灰性的辐射特性和相应的分析方法

辐射 流动和化学反应三者之间的耦合

是目前燃烧学的研究前沿

需要进一步深入研究

将有利于燃烧学认识的深化和发展

谢谢大家