準東煤燃燒顆粒表面溫度測量試驗研究

蔡傳琦， 呂為智

(1. 五彩灣發(fā)電有限責任公司， 新疆昌吉 831799；2. 上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

準東煤作為一種低階煤，具有堿金屬含量高的特點。直接燃用準東煤會使鍋爐屏式過熱器產(chǎn)生嚴重結(jié)渣、沾污等問題，影響鍋爐安全運行，這些問題限制了準東煤的大規(guī)模應用[1-3]。因此，對準東煤的著火過程、燃燒顆粒表面溫度等特點進行研究，有利于深入全面了解準東煤特性，具有重要意義。

研究煤粉燃燒特性的方法主要有熱天平法、攜帶流反應器法、管式爐法等，目前通過這些方法已經(jīng)得到了很多有價值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。但是，通過這些方法很難直觀捕捉煤粉顆粒在燃燒時的形態(tài)、溫度。同時，煤粉顆粒在燃燒過程中，溫度是評價煤粉顆粒燃燒劇烈程度及燃燒特性的非常直觀的指標。因此，測量出燃燒時的煤粉顆粒表面溫度非常重要。

劉威等[4]利用高溫鉬絲電熱爐和攝像系統(tǒng)對高堿準東煤在不同氣氛下的燃燒特性進行研究，發(fā)現(xiàn)準東煤的堿含量較高、揮發(fā)分含量較高、灰分含量較低，因此具有極易燃燒、燃燒過程劇烈并伴有明亮火光、極易燃盡等特點。YUAN Y等[5]基于Hencken燃燒器，使用增強電荷耦合器件(ICCD)等設備對在1 200～1 800 K內(nèi)不同氣氛中燃燒的高灰熔點褐煤、高灰熔點煙煤、低灰熔點煙煤，進行顆粒表面溫度測量，并在此基礎上分析環(huán)境溫度、供氧量及煤階對點火延遲特性的影響，最終建立了燃燒瞬態(tài)模型?？讘c恩[6]利用McKenna平面火焰燃燒器與彩色攝像機搭建測溫平臺，利用黑體爐與標準光源進行標定，結(jié)合雙色測溫法并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡統(tǒng)計計算煤粉燃燒溫度隨高度的變化，發(fā)現(xiàn)在煤粉燃燒過程中，隨著距燃燒器噴口距離的增大，顆粒表面溫度整體先上升后以一定速率下降。綜合來看，上述研究基于對煤粉顆粒表面溫度的測量及變化來定性表征煤粉顆粒燃燒特性，但是未深入揭示煤粉顆粒燃燒特性與煤質(zhì)特性之間的關聯(lián)性。

準東煤作為一種高堿煤，其燃燒后的沾污結(jié)焦現(xiàn)象較為嚴重。為了表征準東煤在燃燒過程中的顆粒表面溫度變化及其燃燒特性，筆者采用McKenna平面火焰燃燒器與彩色攝像機搭建煤粉測溫平臺，燃用準東煤、褐煤、煙煤，基于雙色測溫法對試驗煤樣的顆粒表面溫度進行測量與定性分析，通過對不同煤種的煤質(zhì)特性及顆粒表面溫度進行對比分析，對準東煤的燃燒特性進行深入表征和揭示。

1 試驗設備及過程

1.1 燃料特性

準東煤的煤階介于褐煤與煙煤之間，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，準東煤的揮發(fā)分含量與褐煤相近，發(fā)熱量與煙煤相近。為了表征準東煤的燃燒特性，選取褐煤及煙煤與典型的準東煤進行試驗對比。通過對大量煤種的基本成分進行分析，最終選用煙煤1、煙煤2及褐煤與準東煤進行對比試驗。4種煤樣的工業(yè)分析、元素分析和低位發(fā)熱量見表1。煙煤1與準東煤的低位發(fā)熱量及灰分含量的差異較大，其他成分含量較為相近；煙煤2、褐煤均與準東煤的灰分含量有差異，而其他成分含量較為相近。

按照GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》進行制灰，利用TOPEX微波消解儀對灰分進行消解，并利用Prodigy型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP)進行煤灰成分分析，得到的結(jié)果見表2。

表2 煤灰成分分析結(jié)果 %

由表1和表2可得：準東煤的灰分含量較低、揮發(fā)分含量較高、硫含量較低；對于Na2O、CaO、MgO，準東煤的含量都遠高于煙煤1、煙煤2及褐煤，而對于SiO2，煙煤1、煙煤2及褐煤的含量均高于準東煤。因此，準東煤是灰分含量低、硫含量低、揮發(fā)分含量高、堿及堿土金屬含量高的煤種。

1.2 測溫原理

輻射測溫的原理是根據(jù)被測物體熱輻射的亮度或輻射能與波長和溫度之間的函數(shù)關系，計算出被測物體的溫度[7-8]。雙色測溫法的原理是基于固體的熱輻射，火焰中存在的炭黑通過明亮的火焰向外輻射固體輻射波。由固體輻射波規(guī)律，粒子的溫度可以等同于周圍燃燒場的溫度，根據(jù)熱輻射理論可以推導得到輻射強度與燃燒場溫度的關系[9]。雙色測溫法測量來自相同表面在2種波長下的發(fā)射輻射流[10]，測量基于灰體假設，對于溫度測量的表面，發(fā)射率與波長是相互獨立的。在高溫儀器的工作波長下，雙色測溫法需要測出燃燒過程中火焰的固體粒子輻射光，從3種基色中選擇2個波段進行研究，再從圖像中得到各自的輻射強度。

采用雙色測溫法測量煤粉燃燒時的顆粒表面溫度，通過拍攝燃燒火焰瞬時圖像，利用光輻射理論和計算機圖像處理技術計算出整個溫度場，系統(tǒng)由McKenna平面火焰燃燒器、成像系統(tǒng)(鏡頭)、彩色攝像機、圖像采集和分析軟件組成，架構(gòu)見圖1[11]。

圖1 測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

燃燒測溫試驗采用McKenna平面火焰燃燒器輔助提供穩(wěn)定、非預混火焰；采用型號為WP-1×150遠心鏡頭；采用型號為BOBCAT 2.0 B1411 Specifications的彩色攝像機，分辨率為1 392×1 040，傳感器型號為ICX-267；采用型號為HFY-203B的黑體爐。

1.3 試驗方法

測溫平臺由McKenna平面火焰標準燃燒器、配氣系統(tǒng)、煤粉螺旋給料裝置、燃燒器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)組成。煤粉燃燒系統(tǒng)見圖2。

圖2 煤粉燃燒系統(tǒng)

首先采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練對測溫平臺進行標定，對黑體爐進行拍攝并采集圖像，黑體爐溫度由1 073 K升至1 473 K，共采集140張圖像作為訓練數(shù)據(jù)，根據(jù)彩色攝像機拍攝黑體爐獲得的r、g通道灰度作為輸入，對應溫度作為輸出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡學習140組訓練數(shù)據(jù)后，通過圖像灰度預測輸出溫度，最終結(jié)果的相對誤差大部分可控制在1.5%內(nèi)，因此所建立的模型具有一定可靠性。

試驗煤種為準東煤、煙煤1、煙煤2及褐煤，4種煤樣均經(jīng)過研磨、篩分并去除外水，控制顆粒粒徑小于100 μm；甲烷按化學當量比為1進行配氣，體積流量設定為1 L/min；預混空氣體積流量為9.525 L/min，送煤空氣體積流量為4.5 L/min。

試驗開始時，先開啟甲烷與空氣的氣體閥門，將經(jīng)過預混后的甲烷和空氣輸送入帶中心管的燃燒器表面，用點火器點燃預混氣體，在燃燒器表面形成穩(wěn)定的平面火焰，為煤粉燃燒提供高溫環(huán)境；煤粉自下而上由螺旋給料裝置伴隨一定量空氣輸送至燃燒器，被甲烷點燃后迅速燃燒；彩色攝像機中心與燃燒器中心正對，同時保證相機視場最低端與燃燒器噴口表面平面重合，待燃燒穩(wěn)定后開始拍攝，每種煤樣分別采集約1 500張圖像[12]。

2 結(jié)果與分析

試驗采集到4種煤樣的燃燒煤粉顆粒軌跡圖，每張圖像的分辨率都為1 392×1 040，對應視野內(nèi)煤粉燃燒區(qū)域截面尺寸為120 mm×90 mm。得到4種煤樣的圖像后，采用標定訓練過的BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行處理。測溫平臺暴露在大氣環(huán)境下，煤粉燃燒過程中散熱量大，為了保證測得的溫度是顆粒燃燒表面溫度而不是顆粒群或者火焰的溫度，需要適度控制給煤量，因此會采集到一些無顆粒燃燒的圖像。算法中對圖像進行預處理，設定一張圖像內(nèi)平均灰度低于5時認為無顆粒燃燒，同時將這張圖像剔除。每種煤樣選取典型的3張溫度分布圖像進行展示，具體見圖3～圖6。

由圖3～圖6可得：燃燒過程中的顆粒明顯有3層溫度區(qū)域，并且由內(nèi)向外溫度逐漸降低：軌跡中心溫度最高，可達1 340 K以上，認為該溫度為煤粉顆粒燃燒的溫度，煤粉顆粒周圍為含炭黑的煤粉火焰溫度，約為1 240 K。

圖3 準東煤顆粒軌跡溫度分布

圖4 煙煤1顆粒軌跡溫度分布

圖5 煙煤2顆粒軌跡溫度分布

圖6 褐煤顆粒軌跡溫度分布

為了更直接地表征煤樣顆粒表面溫度沿高度的分布特性，對4種煤樣所采集的數(shù)據(jù)進行溫度處理，處理數(shù)據(jù)將每一行像素的溫度取平均值(當像素灰度≤5時，不進行溫度計算)，得到顆粒表面溫度沿燃燒器噴口高度的分布見圖7。

圖7 4種煤樣顆粒表面溫度沿燃燒器噴口高度的分布

4種煤樣的最高溫度及其對應的高度見表3。

表3 4種煤樣顆粒表面最高溫度參數(shù)

測溫平臺搭建在開闊的環(huán)境中，外界的擾動對試驗影響很大，因此得到各種煤樣的顆粒表面溫度都偏低。4種煤樣顆粒表面溫度曲線變化趨勢相似，沿高度整體呈先上升后下降最后小幅波動并有略微上升的趨勢。

在0～3 mm，4種煤樣均出現(xiàn)顆粒表面最高溫度。這是因為燃燒器噴口附近的甲烷氣體燃燒溫度較高，氣體環(huán)境溫度帶動煤粉顆粒燃燒，并對煤粉顆粒有加熱升溫作用，煤粉受熱伴隨揮發(fā)分析出并著火燃燒。因此，大部分顆粒在距燃燒器噴口3 mm內(nèi)就發(fā)生劇烈燃燒。在3～20 mm，4種煤樣的顆粒表面溫度逐漸下降。這說明隨著高度的增加，揮發(fā)分進一步析出燃燒，并且外界甲烷的加熱作用使煤粉顆粒著火，但此時顆粒距燃燒器噴口有一定的距離，甲烷氣體燃燒作用減弱、散熱作用加強，因此顆粒表面溫度出現(xiàn)下降趨勢。在20～90 mm，4種煤樣的顆粒表面溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，并且伴有小幅波動和略微上升趨勢。這說明煤粉燃燒放熱和向環(huán)境散熱已趨于穩(wěn)定，煤粉顆粒燃燒程度已減弱，顆粒表面溫度分別穩(wěn)定在某個溫度附近；隨著高度的增加，一部分未完全燃盡的煤粉顆粒在燃燒器噴口持續(xù)受熱，其固定碳會在此區(qū)間完全燃盡，導致溫度有小幅上升的趨勢。

準東煤、煙煤1比煙煤2、褐煤的固定碳含量更高(見表1)，燃盡過程中釋放的熱量會更多，因此準東煤和煙煤1在溫度曲線尾部有較為明顯的上升。

在試驗過程中，準東煤的燃燒明顯比其他3種煤樣的燃燒更為劇烈，火光呈白色且最為明亮，而煙煤2的燃燒最溫和，火光呈暗黃色。通過分析得到，4種煤樣按照顆粒表面溫度由高到低依次為準東煤、褐煤、煙煤1、煙煤2，說明低灰分、高堿及堿土金屬的準東煤顆粒表面溫度最高。

通過對比表1、表2和表3中的數(shù)據(jù)，可以得到：與煙煤1相比，準東煤灰中Na2O質(zhì)量分數(shù)高9.24倍、CaO質(zhì)量分數(shù)高10.17倍，而準東煤的顆粒表面最高溫度比煙煤1高5.29%；與煙煤2相比，準東煤灰中Na2O質(zhì)量分數(shù)高1.7倍、CaO質(zhì)量分數(shù)高8.96倍，而準東煤的顆粒表面最高溫度比煙煤2高7.15%；與褐煤相比，準東煤灰中Na2O質(zhì)量分數(shù)高91.41%、CaO質(zhì)量分數(shù)高5.81倍，而準東煤的顆粒表面最高溫度比褐煤高5.29%。這些數(shù)據(jù)表明灰分含量低、發(fā)熱量高、揮發(fā)分含量高、堿金屬含量高的準東煤的燃燒溫度相對較高。

3 結(jié)語

(1) 4種煤樣的顆粒表面溫度變化趨勢相似，都是沿高度先上升后下降最后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)波動同時有小幅上升的趨勢，并且4種煤樣的顆粒表面最高溫度都出現(xiàn)在距離燃燒器噴口2 mm處。

(2) 準東煤的燃燒明顯比煙煤1、煙煤2、褐煤的燃燒更劇烈，燃燒過程中的火光最明亮；煙煤2的燃燒過程最溫和，火光呈暗黃色。4種煤樣按照顆粒表面溫度由高到低依次為準東煤、褐煤、煙煤1、煙煤2。由于準東煤是灰分含量低、堿及堿土金屬含量高的煤，燃燒時顆粒表面溫度最高。