龚 鹏

(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

党的二十大明确提出,能源是国民经济发展的重要物质基础和推动力,加速新型能源体系构建与转型对我国现代化能源建设与风险应对具有重要的战略意义[1]。煤炭是我国能源生产消费结构中占比最大的能源品种,预计2030年我国标准煤的碳排放量将达到45亿吨[2]。“富煤、贫油、少气”的能源结构使得煤炭消费占比高,煤炭减排压力大[3]。目前距离2030年碳达峰不足10年时间,且我国碳达峰与碳中和的间隔时间仅为30年,远远低于欧美发达国家,战略时间紧迫[4]。为完成我国在2030年比2010年碳排放下降45%的碳中和目标,以煤炭为代表的高效能源利用技术是实现碳中和战略目标的高效碳排放途径[5]。等离子体技术是一种极具发展前景的新技术,通过低温等离子体特殊的电、热、光及化学活性使气体分子发生大量的物理化学反应,产生数量庞大、种类繁多的高能活性粒子,影响燃烧过程中化学反应的平衡,最终实现让煤炭充分、高效、快速燃烧目的[6]。等离子体助燃技术属于学科交叉融合技术,与正常燃烧相比,等离子体助燃通过在特殊气体氛围下,通过提升氧气输运等方式,提高燃烧问题、加快燃烧速率从而拓展燃烧极限[7]。等离子体助燃技术的兴起与发展为清洁煤燃烧技术提供了广阔的视野与路线[8]。介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)具有在装置中搭建简易、放电稳定能在大气压下产生稳定弥散的等离子体而广泛应用于等离子体技术中[9]。

国外学者S D Fedorovich等[10]利用等离子体煤气化技术,通过发射光谱诊断分析等离子体气化产物,结果表明:合成气体的可燃成分中只检测到CO,煤炭燃烧效率得到增加。Gorokhovski等[11]构建等离子燃料系统用于辅助煤粉燃烧,提升了煤粉燃烧效率。总体上,国内外学者虽然逐渐开始重视并发展等离子体煤炭助燃技术,但针对煤炭宏观的助燃效果实验研究较少。

国内学者王卫东等[12]结合试验和建模,利用煤的液化固体产物(MLS)来提升燃烧效果等,来阐明转化过程中的主要潜在机制和化学反应,验证等离子体转化作用的效果;张磊[13]研究了微波等离子体辅助煤粉的燃烧,测定了助燃过程中产物的分子结构并进行仿真验证,发现在无烟煤的点火阶段,通过微波诱导焦炭放电产生的等离子体有助于产生更多的挥发分,使点火延迟时间缩短,并且无烟煤的最大燃烧温度明显上升。

建立板-板电极放电燃烧装置,研究了不同电极间距、施加脉冲电压幅值对放电特性的影响与不同电压等级下的燃烧速率和温度变化差异,对比了等离子体介入前后板-板电极燃烧装置煤炭的燃烧状态。

1 实验概述

1.1 实验装置

实验装置及测量系统示意图如图1所示,实验平台由DBD助燃装置、放电数据测量系统、质量测量系统和温度测量系统构成。

图1 实验装置及测量系统图

DBD助燃装置以氧化铝陶瓷管作为放电燃烧腔体,顶部与底部覆盖孔径为3.0mm,厚度1.5mm的不锈钢304多孔筛网,作为高压电极与接地电极。

外施激励源选取高频交流电源CTP-2000K,设置固定频率10kHz;放电数据测量系统由Tektronix P6015A高压探头,Tektronix P2220低压探头和Tektronix 2024C数字示波器组成;质量及温度测量系统中,采用B型WRR热电偶进行实时温度采集,采用JJ1523BC质量分析天秤(精度0.001g)对质量衰减数据进行实时自动采集。

1.2 实验设计

实验研究激励源参数和燃烧装置参数对放电特性和燃烧特性影响。

1.2.1 放电特性研究

通过控制变量在恒定激励源参数时调整燃烧装置参数,在恒定燃烧装置参数时调整激励源参数,开展放电特性的研究。

外施激励源参数调节范围为32kV-40kV,调节跨度为2kV,频率固定10kHz;燃烧装置参数内径×外径恒为40mm×50mm,内装置高度以5mm为跨度进行调节,分别为20mm,25mm,30mm,35mm和40mm。

外施电压和电流波形分别通过高压探头和低压探头采集。放电功率采用瞬时功率法,装置两端电压为U,采集电阻R两端电压为U1放电功率P为:

1.2.2 燃烧特性研究

通过煤炭燃烧状态不同放电状态的质量变化与温度变化对煤炭燃烧特性进行表征,质量测量为不间断实时采集;温度检测为电极上方20mm处,燃烧装置参数内径×外径为40mm×50mm、高度30mm。

2 结果与分析

2.1 放电特性

为实现燃烧装置的稳定放电,实验匹配激励源电学参数。当输出电压范围32kV-40kV,电源频率恒定10kHz时,能在不同燃烧装置参数下实现稳定放电,产生弥散的DBD等离子体。

设置煤炭初始质量为20g,氧化铝陶瓷管为内径×外径为40mm×50mm,高度40mm,加热2min煤炭燃烧呈稳定状态后开始进行放电处理。

图2为以2kV为跨度进行调节,在32kV-40kV电压调节范围内的电压电流波形。由图可知,当外施激励源电压变大时,电场变强使电子与中性粒子之间的碰撞更剧烈,放电电流脉冲的峰-峰值也变大。

图2 不同放电参数下的电流波形

图3是不同外施激励源电压下,放电功率的变化。当电压从32kV提升至40kV,放电功率随之从19.9W升高至70.46W,放电强度不断增强。在煤炭燃烧进程中,随着电压的提升,电场强度提升,电子和中性粒子碰撞变多,电子密度变大,进而使得放电电流和功率变大。

图3 不同放电参数下的功率变化

图4对比了恒定电压38kV,内径×外径为40mm×50mm在不同燃烧装置参数下的电压电流波形。燃烧装置参数选取在20mm,30mm和40mm三个电极间距参数。燃烧装置参数变化主要影响煤炭堆放与在燃烧装置的占比以及放电间隙。

图4 不同燃烧装置参数下的电流波形

当放电间隙较小时,电子在放电空间内的平均自由程较短,电子有效碰撞较低,放电过程偏弱;当放电间隙增大时,煤炭介质表面的电荷与放电空间内形成的反向电场增强,削弱了放电过程,回路电流降低。燃烧装置电极间距为30mm时丝状放电通道稳定,电流幅值较大放电剧烈。

图5是不同燃烧装置参数下的功率变化情况,放电功率呈现出先增大后减低的趋势,当装置电极间距为30mm时候放电功率出现最大值为47.37W。

在煤炭独特燃烧环境下,放电的气体组分与阻挡介质材料是固定的,燃烧装置内气体压强与放电间隙的距离决定了放电间隙的击穿电压大小。煤炭在电极间距大的燃烧装置中放电气隙间距大,在电极间距小的燃烧装置中放电气隙间距小。

实验中燃烧装置内气体压强始终为大气压,在放电间隙变化过程中,当电极间距为30mm时,放电间隙的距离值对放电空间内的粒子碰撞最有利,使击穿电压最小,此时为放电电流的峰-峰值与放电功率最大值。

图5 不同燃烧装置参数下的功率变化

当电极间距为20mm和25mm时,电子与粒子碰撞次数增加,但电子的自由行程减少,电子有效碰撞游离较少,产生的带电质点减少,放电电流和放电功率较小。当电极间距为至35mm和40mm时,电子与粒子碰撞次数减少,产生的带电质点减少,放电电流和放电功率也减小。初始质量20g的煤炭在电极间距30mm装置中,DBD等离子体与火焰等离子体耦合较好,放电电流幅值和功率较大。

2.2 燃烧特性

煤炭燃烧特性的表征主要通过两大参数:质量变化及温度变化,通过改变电学参数,观察煤炭质量衰减和温度升高变化。图6为调节放电参数煤炭质量衰减变化,当煤炭燃烧至8g时所需时间。从图中池火燃烧状态下的煤炭在有无等离子体的介入情况下差异明显。在放电燃烧状态下,随着外施电压的提升,煤炭质量衰减速率逐步提升。

图6 不同放电参数下质量衰减变化

等离子体辅助煤炭燃烧的作用原理主要体现在两方面:①提升燃烧反应氧气输运;②降低热解反应的键能。

高温燃烧的煤炭在水蒸气蒸发后会形成典型的多孔结构粒子,这种结构可以减少反应阻力并增大反应表面积,多孔结构粒子在挥发分和焦炭燃烧阶段进一步形成碳晶格结构,形状类似苯环。自然池火燃烧状态下的煤炭,在燃烧前期的水蒸气蒸发阶段会消耗大量氧气,因而在燃烧后期的焦炭阶段通常会缺乏足够的氧气完成充分燃烧。等离子体在电场的作用下会形成离子风,加强氧气的输运作用[14],氧气分子通过扩散和物理、化学吸附进入碳晶格表面,提升煤炭燃烧速率。

煤炭被加热到一定温度后开始热解生成自由基,其桥键如-CH2- ,-O-CH2- ,-O-等,这些自由基与电子碰撞加剧提升放电强度。煤炭燃烧需要使自由基的桥键进一步裂解以推进燃烧反应进程,等离子体可以降低反应所需键能,提升反应速率,拓展燃烧极限。

图7 32kV,36kV,40kV质量衰减变化率

图7为质量衰减变化率,通过采用三次多项式对质量衰减趋势进行拟合。从图中可知随着外施电压提高,池火燃烧状态煤炭衰减变化率随之提高。32kV,36kV,40kV前7min的平均质量衰减变化率分别为2.1mg/s,3.5mg/s,4.9mg/s。

图8为煤炭在不同电学参数下的温度变化情况,设置未放电对照组与在等离子介入后的煤炭燃烧状态对比。由图可知和未放电的燃烧状态相比,等离子体介入后煤炭池火燃烧状态下最大燃烧温度显著提升,燃烧极限得到拓展。在燃烧初始阶段,等离子体气动效应明显温度迅速上升,并且随着电压的增大,温度的提升速率变快,第一次达到最高温度点所需的时间也降低。

表1对比了施加不同电压上升到最高温度所需时间。

图8 32kV,34kV,36kV,40kV与没有等离子体

介入时池火燃烧状态下温度变化

选取20min燃烧时刻,未放电时自然状态池火燃烧的煤炭温度全程变化较小,在632s时达到最高温度792℃,最终温度上下浮动在780℃左右;在等离子体介入后,燃烧温度增幅效果显著,激励源电压越高,最高温度越大且达到最高温度消耗的时间越短;36kV与40kV在燃烧后期的温度变化曲线较为一致,说明等离子体助燃效果接近饱和。

表1 不同放电参数下最大温度上升时间

图9为分析了前12min的温度变化率,板-板电极装置的气密性较好,在稳定放电燃烧状态下,能始终维持不错的助燃效果。由质量及温度变化表征可以看出,等离子体助燃效果作用最佳阶段为前20分钟,后续助燃效果存在一定的饱和现象。

图9 不同放电参数下温度变化率

图10对比了施加32kV电压激励下煤炭在不同时刻的燃烧状态,以及32kV,36kV和40kV电压激励下煤炭燃烧的火焰形貌。从图中可以看出,等离子体介入前后煤炭的池火燃烧状态明显变化,放电燃烧时煤炭效果明显更佳;随着燃烧时间推进,煤炭燃烧范围扩大,火焰更明亮。从不同激励源电压下的煤炭池火燃烧的火焰形貌可以直观看出,电压激励越高,助燃效果越明显。

(a)

(b)

3 结 论

1) 煤炭燃烧装置参数和煤炭堆放占比影响放电功率的变化;提升激励源电压,放电功率变大,放电更加稳定。

2) 提升激励源电压可有效提升煤炭的燃烧速率,质量衰减变快和温度上升时间缩短,最大温度提升。

3) 等离子体助燃煤炭拓展煤炭的燃烧极限,主要通过提升氧气输运作用和降低初始键能来助燃。