煤粉氣流著火機理及最佳煤粉濃度的分析

魏小林

(1.中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學工程科學學院，北京100049)

煤炭一直是我國最重要的一次能源，是工業(yè)用能的壓艙石，預計未來幾十年也會占能源消耗的50%以上，因此煤炭高效清潔利用得到國家的高度重視.我國大部分煤炭通過煤粉燃燒所消耗，但燃燒用煤的煤質與國外有較大差別，經常燃用灰分高、揮發(fā)分較低的煤，著火穩(wěn)定性差(特別是對于小容量鍋爐)，而發(fā)達國家多燃用煙煤、褐煤等高揮發(fā)分煤.雖然國外從20 世紀60 年代起就在煤粉燃燒基礎研究方面做出了系統(tǒng)性的開創(chuàng)成果[1-2]，但是我國從70 年代起在煤粉穩(wěn)燃技術方面也做出了自己獨特性的系列成果[3-4].在目前“雙碳”背景下，火電機組深度調峰運行是消除電源側與電網(wǎng)側雙隨機擾動、提高可再生能源消納率的有效措施，煤粉穩(wěn)燃技術是火電機組深度調峰的重要支撐.

周懷春等[5]總結了國內主要大學和中科院等在煤粉穩(wěn)燃技術方面的研發(fā)歷程，分析了國內大量的專利技術，認為我國從80 年代開始的煤粉穩(wěn)燃技術可以歸為兩類：一類是借鑒國外旋流燃燒器[6]，以煙氣回流為主要技術特征，體現(xiàn)在1985 年4 月1 日開始申請的徐旭常等國內很多學者的專利內容上[7]，包括預熱室和各種鈍體燃燒器，其原理是通過強化高溫煙氣回流，實現(xiàn)煤粉氣流的快速加熱和著火；另一類借鑒國外的WR、PM 燃燒器和W 型火焰鍋爐旋風分離式燃燒器等[8]，以煤粉濃淡分離為主要技術特征，體現(xiàn)在1989 年1 月14 日開始申請的徐通模等國內很多學者專利內容上[9]，包括應用于直流或旋流燃燒器上的多種煤粉分離方式，其原理是將一次風分離為濃淡兩股煤粉氣流，首先實現(xiàn)濃煤粉氣流的著火；并在四角切圓煤粉鍋爐上采用水平濃淡燃燒技術時，強調充分發(fā)揮向火側高濃度煤粉氣流的著火優(yōu)勢[10].國內學者多年的研究與實踐表明[11-13]，煙氣回流強化了煤粉的預加熱過程，而濃煤粉氣流也有自身的著火優(yōu)勢，兩者的有機結合才是煤粉穩(wěn)定著火的關鍵.

徐旭常等[14]在總結煤粉預燃室及火焰穩(wěn)定船的作用時，強調在煤粉燃燒過程中，合理組織氣流，形成局部的高煤粉濃度、高溫和合適氧濃度的區(qū)域，成為穩(wěn)定的著火有利區(qū)，是保證煤粉穩(wěn)定燃燒的關鍵.可見，上述兩類煤粉穩(wěn)燃技術的基本原理均與此理論觀點相符.由于在濃煤粉氣流中，空氣質量流率相對下降，因此在有利于煤粉著火的局部高溫區(qū)，煤粉與空氣的質量比是很重要的參數(shù)，因其直接代表了高溫區(qū)的煤氧比，從而尋找所謂的“最佳煤粉濃度”變得重要起來.雖然煤粉濃淡燃燒的研究與應用已經較多，但是在氧燃料燃燒、高溫空氣燃燒和燃煤電站靈活性改造時的煤粉穩(wěn)燃等領域，仍然需要高濃度煤粉燃燒研究的基礎支撐.

煤粉揮發(fā)分含量越高，著火所需的空氣量也越多，因此高揮發(fā)分煤的最佳煤粉濃度較低.國外最早開展了煤粉氣流的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯縖15]，并實際測量得到了最佳煤粉濃度[16-17].國內閻維平和徐明厚等較早開展了高濃度煤粉的燃燒研究[18-19]，許多學者得到了不同揮發(fā)分煤粉的最佳濃度[18-23].一般在實驗測量中認為煤粉氣流燃燒過程中對應于爐內最高火焰溫度[18]或者最短著火距離[19]的煤粉濃度為最佳煤粉濃度.

由于在常溫條件下煤粉很難著火，因此煤粉氣流著火的關鍵是一次風射流通過高溫熱煙氣的熱對流和輻射加熱(實際鍋爐中后者的影響較小)，使得煤粉氣流溫度升高到煤粉的著火溫度，這時煤粉所需的著火熱等于著火區(qū)域供給的熱量.傳統(tǒng)認為煤粉氣流的著火溫度和著火熱不但與煤粉氣流本身的特性(煤粉揮發(fā)分與水分、灰分含量、濃度與細度、粒徑分布以及煤粉氣流初始溫度、一次風率、風速等)相關[16]，同時其著火的供給熱也受到爐內加熱方式與條件的影響.此外，由于煤粉燃燒時間較長，因此一般認為煤粉氣流的火焰鋒面十分厚，其內的溫度梯度相當小，火焰鋒面向新鮮煤粉與一次風混合物的導熱及輻射很弱.由于氣體預混燃料著火時，火焰鋒面很薄，其內溫度梯度相當大，燃料氣流的預熱主要來自于火焰區(qū)的導熱[24]，因此傳統(tǒng)認為煤粉氣流著火機理與氣體燃料預混著火燃燒機理完全不同.

另一方面，在氣體燃料預混燃燒時存在一個在當量比附近的燃料濃度，這時對應最大的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?由于氣體預混燃料通過火焰鋒面的導熱即可加熱至著火狀態(tài)[24]，因此氣體預混燃料在常溫下即可點燃.如果燃料的初始溫度提高，雖然層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，但是對應最大速度的燃料濃度幾乎不會發(fā)生變化，因此層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛槿剂系闹鹋c燃燒基本特性受到廣泛重視.在模擬煤粉氣流燃燒時，Smoot 等[15]建立的一維分區(qū)模型，較早通過分區(qū)考慮了煤粉氣流燃燒時預熱區(qū)、火焰區(qū)和后燃區(qū)的不同輻射傳熱方式.由于氣體-顆?；旌衔锎嬖诒ǖ娘L險，因此近年來仍有不少工作研究了粉料氣流的層流火焰?zhèn)鞑栴}[25-26]，基于分區(qū)模型建立了計算預混粉料氣流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒?

本文在深入分析煤粉氣流著火過程時，發(fā)現(xiàn)煤粉氣流著火機理本質上與氣體燃料有著類似之處.煤粉氣流著火過程仍存在著明顯的火焰面，著火前釋放的揮發(fā)分相當于為著火準備足夠的預混可燃物，這些可燃物著火燃燒后也會通過導熱進一步預熱煤粉(除爐內高溫火焰外在加熱外)，使得煤粉氣流快速升溫，并達到著火條件.

本文在以上研究與理論分析基礎上，借鑒氣體層流預混燃燒的分區(qū)著火機理，從層流煤粉燃燒火焰分析入手，提出以揮發(fā)分和少量焦炭燃燒熱量作為著火供給熱來評估煤粉氣流著火狀況的新思路，同時將不同區(qū)域的熱量衡算進行解耦，探究煤粉濃度對于煤粉氣流著火影響的基本特性，從而得到煤粉著火的分區(qū)機理.將煤粉氣流的著火規(guī)律主要看作由其自身特性(濃度、溫度、細度、速度、揮發(fā)分含量等)所決定，較大地簡化了前人對于煤粉氣流復雜著火過程的描述.在此基礎上，還預測得到了煤粉最佳濃度，并提出著火供給熱參量概念，可以用來對比分析不同濃度煤粉氣流的著火特性.

1 煤粉燃燒的過程

為了研究煤粉氣流的著火機理，先從實際鍋爐的煤粉燃燒模擬結果了解煤粉氣流的基本著火過程.圖1 和圖2 為國內一臺300 MW 四角布置煤粉鍋爐的數(shù)值模擬結果(B 層一次風截面)，燃燒器采用了水平濃淡燃燒器，煤種為神華煙煤.從這些爐內速度場、溫度場和濃度場的結果看，煤粉氣流進入爐內0.5 m 左右的距離后(對應實際鍋爐煤粉氣流剛進入爐內存在0.3～0.5 m 的“黑龍”)，很快就在一次風射流外圍實現(xiàn)穩(wěn)定著火，當射流進入爐內3 m 左右后，煤粉射流基本實現(xiàn)了內外完全著火.從這些煤粉氣流根部著火段的模擬結果來看，圍繞煤粉射流，存在明顯的溫度和CO、CO2濃度快速上升，以及O2突然下降的局部區(qū)域，這就是煤粉氣流著火的核心區(qū)，即煤粉著火火焰.

圖1 四角布置煤粉鍋爐的速度場和溫度場Fig.1 Velocity field and temperature field of pulverized coal in tangential corner fired boiler

圖2 四角布置煤粉鍋爐的濃度場Fig.2 Concentration distribution of pulverized coal in tangential corner fired boiler

在實際鍋爐煤粉氣流的著火過程中，煤粉進入爐內后，受到氣流外圍的對流和輻射加熱，開始升溫并釋放揮發(fā)分，達到煤粉氣流著火溫度后，即發(fā)生已釋放揮發(fā)分和少量焦炭的著火燃燒反應.由于存在這種高速反應、快速升溫的放熱過程，因此形成了穩(wěn)定的煤粉燃燒火焰面.Horton 等[27]在測量層流預混煤粉火焰時，發(fā)現(xiàn)煤粉氣流存在厚度只有10 mm 左右的火焰面.雖然煤粉燃燒屬于典型的湍流燃燒，但是當討論局部區(qū)域的微小火焰時，煤粉顆粒燃燒可以形成明顯的火焰[28]，因此層流燃燒的火焰面模型仍可以在此適用[29].

由于分析實際鍋爐的煤粉加熱過程是比較復雜的，因此下文先從層流預混煤粉的預熱和著火過程進行分析.

2 煤粉氣流著火理論分析

2.1 理論基礎

許多研究者對于粉料氣流著火進行過穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的理論分析[15,25-26].一般可以將煤粉氣流的著火過程分為預熱區(qū)、火焰區(qū)和燃盡區(qū)[15]，圖3 描述了一種典型的煤粉氣流著火過程.

圖3 煤粉氣流的著火過程Fig.3 Ignition process of pulverized coal flow

綜合分析這些模型，結合已有實驗研究和數(shù)值模擬的結果，本文提出以下主要觀點：

(1) 一般煤粉氣流預熱區(qū)的長度較長(～m 量級)，雖然煤粉燃盡的時間比氣體燃料長很多，但是根據(jù)實驗研究和數(shù)值模擬[15,28]以及以上大型鍋爐的數(shù)值模擬結果，煤粉氣流著火和主要燃燒過程卻很短，可以認為存在很薄的1～10 mm 量級厚度的著火火焰區(qū)(氣體燃料的火焰面厚度更薄，一般為0.1～1 mm)，因此在分析煤粉著火過程時，照樣可以借鑒氣體預混燃料著火過程火焰的分析理論.雖然此假設對于煤粉燃盡過程的研究是不夠的，但是對于煤粉氣流的著火過程分析是基本可靠的.

(2) 煤粉氣流的預熱可以分為兩個過程(見圖4)，在一次預熱區(qū)內煤粉氣流依靠爐內對流和輻射加熱，達到通常講的煤粉氣流著火溫度；對于實際煤粉鍋爐，此時的加熱方式主要來自于煤粉射流外圍的對流加熱[30]，因此可以稱此著火熱量為“外在供給著火熱”.離開一次預熱區(qū)后，煤粉氣流進入火焰區(qū)，為了與煤粉氣流一次預熱區(qū)加以區(qū)分，這里稱火焰預熱區(qū)為煤粉氣流著火的二次預熱區(qū)，即火焰區(qū)可以分為兩個子過程：二次預熱區(qū)和著火反應區(qū)[24].在二次預熱區(qū)內不發(fā)生反應，只接受來自后面相鄰反應區(qū)的熱傳導加熱，此熱量由于直接來自煤粉氣流著火后的自身熱量，可以稱該著火熱量為“內在供給著火熱”(前人在煤粉氣流著火機理分析中，很少有人關注此熱量).內在供給著火熱使得煤粉氣流在二次預熱區(qū)進一步加熱，達到煤粉顆粒的著火溫度，此溫度與通常講的煤粉單顆粒著火溫度非常接近，這時在反應區(qū)內將發(fā)生已釋放揮發(fā)分和少量焦炭的快速著火燃燒過程，從而與二次預熱區(qū)共同形成煤粉氣流著火過程的火焰鋒面.

圖4 煤粉氣流著火過程的分區(qū)模型Fig.4 Zonal model of ignition of pulverized coal flow

(3) 在實際煤粉燃燒過程中，煤粉氣流被加熱的方式主要為對流和輻射，從理論上進行煤粉加熱過程的定量化分析是比較困難的，因此可以主要關注煤粉氣流本身被加熱的程度，其主要參數(shù)為煤粉加熱過程的時間和終溫，因為這兩者才是影響揮發(fā)分釋放和煤粉著火的核心要素.煤粉加熱的時間和終溫(其實就相當于升溫速率)決定了煤粉氣流在加熱過程中揮發(fā)分的釋放量，同時也決定了是否達到了煤粉氣流的著火溫度.由于單顆粒煤粉著火時，煤粉釋放的揮發(fā)分熱量很少，無法形成像煤粉氣流著火過程的火焰鋒面，繼而向前傳導熱量，進一步加熱煤粉，因此單顆粒著火的熱量基本來自于外在熱.研究表明，單顆粒煤粉的著火溫度通常比煤粉氣流的著火溫度大300 ℃左右[16]，因此以上分析中一次預熱溫度和二次預熱溫度的差別正好解釋了此問題.可見，已有文獻中得到的大量單顆粒煤粉著火溫度和非均相著火數(shù)據(jù)，可以在實際鍋爐煤粉氣流著火機理的研究中被采用，因為該溫度相當于煤粉氣流二次預熱區(qū)的出口 溫度.

(4) 以上理論簡單認為煤粉氣流經過二次預熱后，達到單顆粒煤粉著火條件即實現(xiàn)了煤粉氣流的著火，將煤粉氣流的著火機理只作為煤粉氣流的“本身特征”進行分析，從而實現(xiàn)了煤粉氣流著火機理與氣體預混燃料著火機理的基本統(tǒng)一.該理論放棄了前人認為的煤粉氣流著火與各種燃燒設備運行工況和燃燒器等具體因素的復雜關聯(lián)性，將煤粉氣流著火機理簡單化地類同于氣體預混燃料著火機理.顯然這種認識還只是初步的嘗試，需要不斷深入探究.

2.2 煤粉氣流著火過程的理論模型

在以上理論分析基礎上，建立煤粉氣流預熱與反應區(qū)的著火模型，并假設如下：

(1) 在進行理論分析時，先避免分析實際復雜的煤粉加熱著火過程，認為煤粉氣流著火燃燒前，首先在一次預熱區(qū)通過傳熱進行升溫，并逐漸釋放出揮發(fā)分，為著火準備充足的易燃物質；然后進入著火反應區(qū)，火焰區(qū)與一般的氣體火焰有所類似，可分為二次預熱區(qū)和反應區(qū)，在二次預熱區(qū)內通過導熱達到最終的著火溫度.當煤粉氣流達到一定溫度時在反應區(qū)內開始著火燃燒，煤粉氣流火焰特性主要由升溫速率以及當?shù)氐囊厌尫艙]發(fā)分和可燃焦炭量等決定.

(2) 借鑒 Spalding 的氣體層流預混燃燒理 論[24]，假設在一次預熱區(qū)釋放的揮發(fā)分與空氣已經充分混合，在火焰的二次預熱區(qū)幾乎不存在燃燒反應，沒有熱量釋放，主要靠反應區(qū)的熱量通過熱傳導，進一步加熱煤粉氣流中的可燃(主要是已釋放的揮發(fā)分)混合物，而在反應區(qū)發(fā)生快速的氣體反應(也可能有少量焦炭氧化反應發(fā)生，即發(fā)生非均相著火)，釋放出大量的熱量，使得煤粉氣流快速升溫，從而維持煤粉氣流的持續(xù)燃燒和焦炭燃盡.

(3) 煤粉氣流中的焦炭燃盡時間(空間量級～ 10 m；時間量級～1 s)較長，雖然反應區(qū)也比通常的氣體火焰長得多，但是本文主要探討煤粉氣流的著火機理，對于焦炭燃盡過程不做分析，從而主要考慮著火區(qū)附近的燃燒反應.同時，為獲得主要的煤粉氣流著火特性，將過程分析進行簡化，不考慮顆粒和氣流的溫差以及它們之間的傳熱問題.

(4) 煤粉氣流的熱平衡方程可以寫為

式中：ΔQa,p為煤粉顆粒和空氣流被加熱的總熱量，方程右側4 項分別為煤粉氣流由于對流、輻射、燃燒和外在(如電熱等)加熱獲得的熱量.由于與一次預熱區(qū)的加熱長度(實際煤粉氣流著火前距噴口300～500 mm)相比，二次預熱區(qū)的火焰厚度很薄(1～10 mm)，因此假設一次預熱區(qū)加熱量主要來自對流和輻射，而二次預熱區(qū)的加熱量主要來自火焰本身反應區(qū)的導熱.反應區(qū)的熱量主要來自釋放的揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒放熱，同時考慮其對于二次預熱區(qū)的向前熱傳導熱量，但暫不考慮火焰反應區(qū)的輻射換熱.從而將不同區(qū)域的加熱方式分別考慮，實現(xiàn)了熱量衡算的解耦.

3 層流預混煤粉氣流的著火分析

3.1 層流預混煤粉火焰

通常的氣體火焰是一個以亞音速、自維持傳播的局部燃燒區(qū)域[24].假定火焰是一維的而且未燃氣體以垂直于火焰面的方向流向火焰，這個流動速度就是火焰?zhèn)鞑ニ俣萀S .在分析煤粉氣流的著火問題時，為了簡化問題并探討著火的本質特征，如前所述，本文將層流預混煤粉氣流的著火問題類比為氣體層流火焰.由于煤粉火焰著火段的快速反應區(qū)同樣很薄，因此該區(qū)域的溫度梯度和組分濃度梯度仍然很大，從而可以將自由基組分通過熱擴散，將熱量通過熱傳導，快速傳遞到預熱區(qū)，為火焰的持續(xù)發(fā)生提供物質和能量源.

以下為煤粉氣流火焰的分區(qū)能量平衡方程：

3.1.1 一次預熱區(qū)

在進行理論分析時并不去求解火焰微元控制體的組分和能量微分方程，而只是將控制體作為一個整體來考慮其物質和能量平衡.在一次預熱區(qū)內，將煤粉氣流的進出口和擴張邊界作為控制體的邊界(見圖4)，假設擴張邊界不與煤粉氣流有物質和能量的交換，可以得到簡單的質量和能量平衡方程(推導過程見附錄1).

一次預熱區(qū)內煤粉隨著溫度的升高，逐漸釋放出揮發(fā)分，是煤粉著火的關鍵因素.將揮發(fā)分的釋放方程進行積分，即可得到一次預熱區(qū)內煤粉揮發(fā)分的釋放量(具體見附錄2).

3.1.2 著火反應區(qū)

在二次預熱區(qū)內，進入控制體的物質流與上面一次預熱區(qū)的相同.在能量平衡分析時，將煤粉分為已經釋放的揮發(fā)分和殘余的焦炭，離開一次預熱區(qū)的能量即為進入二次預熱區(qū)控制體的能量，該能量加上反應區(qū)通過熱傳導進入二次預熱區(qū)的能量，即為離開二次預熱區(qū)的能量.由于反應區(qū)的熱傳導計算需要已知反應區(qū)厚度等數(shù)據(jù)，準確計算有一定困難，因此本文假設二次預熱區(qū)的煤粉氣流終溫為單顆粒煤粉的著火溫度Ti,p(作為已知值)，這樣可以給出二次預熱區(qū)的能量平衡方程：

式中：方程右側中方括號各項分別代表空氣、揮發(fā)分和焦炭的影響.一般在層流預混火焰反應區(qū)內，離開二次預熱區(qū)的溫度可以視為預混氣初溫和反應后氣體溫度的平均值[24]，本文借鑒此假設來確定一次預熱區(qū)出口溫度(即上式中的Tu)和反應區(qū)出口溫度(即bT)的關系，因此并不直接求解公式(4).

計算反應區(qū)出口溫度時，將二次預熱區(qū)與反應區(qū)作為一個控制體考慮，反應區(qū)釋熱量只考慮已經析出揮發(fā)分的燃燒放熱量(此處針對下文方法驗證中煙煤的計算，暫不考慮少量焦炭燃燒釋放的能量)，從而整個控制體的能量平衡方程為

式(5)與二次預熱區(qū)能量方程的差別在于右側第一項的溫度為著火反應區(qū)出口溫度Tb.揮發(fā)分燃燒釋放熱量采用式(6)計算：

式中：Var為煤粉工業(yè)分析的揮發(fā)分質量份額；FC,ar為煤粉工業(yè)分析的焦炭質量份額；Qnet,ar為煤粉的低位發(fā)熱量；每kg 碳的熱值為32 800 kJ.

3.2 層流預混煤粉火焰的計算

具體計算過程如下：

(1) 在計算時，假設煤粉火焰二次預熱區(qū)的出口溫度等于煤粉單顆粒的著火溫度，因此可以采用文獻中不同煤種大量單顆粒測量的著火溫度作為“真正”的煤粉氣流著火溫度.在計算揮發(fā)分釋放量時，將煤粒的終溫作為已知值，認為是一次預熱區(qū)出口溫度(先采用預估值)，預熱區(qū)的加熱時間先根據(jù)煤粉氣流的速度進行預估.

(2) 將經過一次預熱區(qū)后揮發(fā)分的釋放量確定好后，即可計算揮發(fā)分燃燒的熱量，先假設已經釋放揮發(fā)分發(fā)生快速燃燒，形成類似于氣體燃料的層流預混火焰，按照其放熱量得到火焰反應區(qū)出口的溫度預估值.然后借鑒Spalding 的氣體層流預混火焰，假設二次預熱區(qū)出口的溫度(即單顆粒煤粉的著火溫度Ti,p)等于火焰反應區(qū)出口和二次預熱區(qū)進口溫度的平均值，這樣就可以計算得到二次預熱區(qū)進口溫度，也就是一次預熱區(qū)出口溫度.

(3) 采用新的預熱區(qū)出口溫度，重新計算揮發(fā)分釋放量，不斷迭代，直到計算的一次預熱溫度、煤粉氣流加熱時間等與預估值一致，即可得到符合著火條件的工況參數(shù)(包括煤粉濃度、不同區(qū)域溫度等)，從而可以預測出最佳煤粉濃度等.

3.3 層流預混煤粉火焰計算結果的驗證

在具體應用以上理論分析方法時，本文選擇了Csaba 測量層流煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r的經典實驗裝置作為研究對象[1,19]，建立能量與熱量平衡方程，研究煤粉氣流著火機理及最佳煤粉濃度.Csaba 采用的燃燒室上部是一個高0.84 m、半角3°、進口直徑0.05 m 的隔熱圓錐體，下部是一個相連的耐火磚砌成的燃燒室.實驗時調節(jié)煤粉氣流速度和濃度，使得火焰前沿保持在距圓錐體進口0.6 m 處，在此位置，布置有火焰觀察孔，對應的直徑為0.1 m.在此位置之上，布置有4 個測量壁面溫度的熱電偶，在此之下，布置有7 個火焰溫度測點.火焰?zhèn)鞑ニ俣葥Q算為直徑0.1 m 處(即距圓錐體進口0.6 m 高度處位置)時煤粉氣流所對應的速度.實驗用煤的收到基揮發(fā)分33%、水分3%、灰分13%，理論空氣量為6.9 m3/kg，低位熱值為6 300×4.186 8 kJ/kg，按比表面積平均的粒徑為56μm.

Csaba 的實驗裝置不存在熱氣流的回流區(qū)，因此煤粉著火前的主要加熱源為火焰區(qū)的輻射熱，實際燃燒過程的煤粉氣流加熱方式當然也可以來源于熱對流和熱氣流的混合等，但本文暫不涉及其計算.將該輻射熱假設為煤粉氣流直接吸收的火焰輻射熱加上穿過煤粉氣流到達隔熱圓錐體后發(fā)射進入煤粉氣流的輻射熱，與Csaba[1,19]采用的輻射計算方法有所不同.從火焰進入煤粉一次預熱區(qū)的輻射熱表達為

式中：εf為火焰黑度，取為0.9；εb為隔熱圓錐體的壁面黑度，取為0.8；k 為煤粉的輻射吸收減弱系數(shù)，用式(9)計算[31]：

式中：GP為煤粉顆粒的質量濃度，kg/m3；dP為顆粒直徑；ρP為顆粒密度.

煤粉氣流著火前的區(qū)域(從燃燒室頂部到0.6 m處)圍成了一個圓臺(上下圓面直徑為 0.05 m 和0.1 m)，可以計算得到其整個包壁輻射的平均射線行程(L＝3.6 V/S)僅為0.006 95 m.

計算時預熱區(qū)和火焰區(qū)需要相互迭代計算，通過火焰區(qū)熱平衡方程(5)預測得到進口溫度(Tu)，針對一次預熱區(qū)，即可通過公式(2)算得煤粉氣流的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?uu).

圖5 給出了煤粉燃燒的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣壤碚撚嬎阒蹬c實驗值的對比，兩者的基本趨勢基本一致，特別是對于高煤粉濃度的工況.在較低煤粉濃度時雖然火焰?zhèn)鞑ニ俣扔休^大的實驗結果，但是數(shù)據(jù)也存在較大的波動性.可以看出，在煤粉質量濃度為0.32 kg(煤)/kg(空氣)(這時對應燃燒室進口單位體積的煤粉質量濃度為0.4 kg/m3)時，計算得到的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?1.02 m/s).

圖5 煤粉燃燒的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.5 Laminar flame velocity of pulverized coal combustion

圖6 給出了煤粉火焰的溫度實驗值(圖中表示為黑色圓點)以及理論預測得到的著火反應區(qū)溫度，其中Tu為一次預熱區(qū)煤粉氣流出口溫度，Tb為反應區(qū)氣流出口溫度.隨著煤粉濃度的提高，預熱區(qū)的煤粉氣流溫度有所減小，但最大減小幅度不超過100 K；同樣，揮發(fā)分燃燒后，反應區(qū)的出口溫度有所上升，但最大上升幅度也不超過100 K.實驗結果(參見圖6)表明，火焰在煤粉質量濃度為0.48 kg(煤)/kg(空氣)(對應燃燒室進口的煤粉質量濃度為0.6 kg/m3)時，火焰溫度達到最大值(1 785 K).從圖5 的計算結果看，這時火焰的傳播速度(0.99 m/s)也接近于最大.可以看出，煤粉氣流的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰溫度有很好的相關性，最大的火焰速度基本對應著最高的火焰溫度.

4 實際煤粉氣流的著火分析

4.1 已有分析

國內外已有不少研究結果關于煤粉氣流著火的最佳煤粉濃度研究.一般認為，一次風中的氧是煤中揮發(fā)分著火和燃燒所需要的，根據(jù)此假設，作者推導出煤粉氣流的最佳煤粉濃度與煤的揮發(fā)分含量和揮發(fā)分熱值的乘積呈反比[22]：

式(10)反映了最佳煤粉濃度與揮發(fā)分燃燒釋放的熱量有著密切的關系.王學斌等[23]總結了西安交大的實驗結果，表明最佳煤粉濃度隨著煤質發(fā)熱量與揮發(fā)分乘積的增大而降低，并擬合出一經驗公式，與式(10)結果定性上是一致的.

表1 給出了根據(jù)公式(10)計算得到的最佳煤粉濃度，并與文獻實驗結果[18]進行了對照(一次風溫分別為20 ℃和300 ℃).可以看出理論公式(10)僅考慮了煤粉氣流中揮發(fā)分的著火需求，得到的最佳煤粉濃度隨煤的揮發(fā)分減少而增加，其基本趨勢是正確的.但是對于高揮發(fā)分煙煤，理論值比實驗值小；對于低揮發(fā)分無煙煤，理論值又明顯偏大.可見，采用煤粉氣流中的氧氣主要用于煤粉揮發(fā)分燃燒需求的假設，得到的最佳煤粉濃度與實際燃燒過程是不完全相符的.

表1 最佳煤粉濃度計算值與實驗值(kg(煤)/kg(空氣))Tab.1 Calculated and experimental data of optimal pulverized coal concentrations

這是由于現(xiàn)有的理論在解釋最佳煤粉濃度的存在機理時，僅考慮了全部揮發(fā)分用于煤著火熱的假設，沒有考慮對于高揮發(fā)分煤，可能僅需要部分揮發(fā)分燃燒即可實現(xiàn)煤粉氣流穩(wěn)定著火.另一方面，在實際煤粉燃燒的高加熱速率(104～105K/s)過程中，煤粉著火的機理往往是兩者結合的聯(lián)合著火模式[16]，因此在分析低揮發(fā)分煤的著火問題時，除考慮揮發(fā)分的均相著火外，還需要考慮焦炭的非均相著火.

4.2 實際煤粉氣流著火的最佳煤粉濃度

閻維平等[21]采用煤粉氣流著火熱量供需平衡的原理，對存在最佳煤粉濃度的機理進行了分析，認為煤粉氣流著火所需熱量與著火區(qū)供熱量相等、火焰溫度水平最高時對應的煤粉濃度為最佳濃度，同時認為空氣所提供的氧氣需要足夠滿足揮發(fā)分著火及焦炭初期燃燒的需要.

盛昌棟等[32]在管式爐上研究了煤粉氣流著火方式與煤粉濃度的關系，結果表明，當煤粉濃度由高向低變化時，煤粉氣流的著火方式由均相著火向多相著火過渡，少量焦炭也參與著火燃燒；煤的揮發(fā)分含量越高，發(fā)生著火機理過渡的煤粉濃度越大.可見煤粉濃度變化時會影響焦炭的燃燒份額，從而影響煤粉氣流的著火機制.

這里將前文的理論推廣至實際煤粉氣流的著火火焰，仍然假設煤粉氣流著火存在一次預熱區(qū)和火焰區(qū)，其中二次預熱區(qū)出口的溫度(即單顆粒煤粉的著火溫度Ti,p)等于火焰反應區(qū)出口和二次預熱區(qū)進口溫度的平均值.當煤種確定后，著火溫度Ti,p即為確定值，從而可以認為煤粉著火難易主要由揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒放熱量決定.

根據(jù)以上理論計算和文獻中的研究，對于煙煤煤粉，本文假設煤粉氣流著火時大約40%的揮發(fā)分和約1%的焦炭已經發(fā)生反應，可以作為著火的判斷條件；對于低揮發(fā)分煤，由于著火溫度更高，假設大部分釋放的揮發(fā)分和大約5%的焦炭發(fā)生氧化.以下計算根據(jù)不同煤種設定了不同的揮發(fā)分和焦炭燃燒份額.

若煤粉氣流中每千克空氣的煤粉質量濃度為μ，假設煤粉氣流中空氣剛好滿足煤粉已釋放揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒所需，則有

式中：揮發(fā)分燃燒所需的理論空氣量V0,v采用可燃基的煤粉理論空氣量進行估算；εch為著火燃燒的少量焦炭質量份額；V0,ch為煤粉中固定碳燃燒所需的理論空氣量，按純碳計算：

這樣最佳煤粉濃度即為

對于高揮發(fā)分煤，可以忽略焦炭燃燒對于著火的影響，顯然最佳煤粉濃度與揮發(fā)分燃燒所需的理論空氣量呈反比.由于燃料的發(fā)熱量大體與理論空氣量成正比(處于3.63～3.95 MJ/m3范圍)[30]，這時式(13)仍反映了最佳煤粉濃度與揮發(fā)分燃燒釋放熱量呈反比，只是對應的不是全部揮發(fā)分.而對于低揮發(fā)分煤，少量焦炭著火提供的熱量就與揮發(fā)分相當了，這時著火熱量將來自于幾乎全部的揮發(fā)分和5%左右的焦炭燃燒熱.

圖7 給出采用式(13)預測的最佳煤粉濃度值，并與國內外文獻中的實驗值進行了比較.可以看出大多數(shù)的數(shù)據(jù)誤差在15%以內，少數(shù)在30%以內，該方法比較廣泛地適用于不同的煤種，基本是可靠的.

圖7 最佳煤粉濃度預測值與實驗值的比較Fig.7 Comparison of calculated and experimental data of optimal pulverized coal concentrations

4.3 煤粉濃度變化的影響和著火熱

(1) 最小煤粉濃度

由于一次風中的空氣量一般不會大于煤粉燃燒當量比下的空氣量(因為還需要有二次風、三次風等)，因此當煤粉氣流中每千克空氣的煤粉質量濃度為μ時，可以假設煤粉氣流中空氣剛好滿足全部煤粉的燃燒所需(因為這時剛好符合煤粉-空氣的當量比條件)，則有

其中燃燒所需的理論空氣量為V0,ar，從而可以定義煤粉氣流著火的最小煤粉濃度為

(2) 著火供給熱

一般煤粉氣流著火熱量被定義為將1 kg 空氣和μkg 煤粉加熱到著火溫度所需吸收的熱量[21]，采用該方法得到的著火熱將隨煤粉濃度μ線性增加，因此需要精確計算供給熱量然后才能獲得最佳煤粉濃度，這對于實際鍋爐燃燒過程是比較困難的.

考慮到煤粉氣流的內在著火供給熱主要來源于火焰反應區(qū)，本文提出將煤粉氣流的著火熱重新定義為特定煤種單位質量煤粉氣流可以供給的內在著火燃燒熱，即

式(16)右側括號中兩項分別為煤粉氣流著火時揮發(fā)分和少量焦炭燃燒所提供的著火熱(其中右側分母中除以2 代表只有一半燃燒熱供給了煤粉氣流的預熱熱量).可以看出，當煤粉濃度μ 增加時，μ/(1＋μ)雖然也有所增加，但是不會線性增加.式(16)分母中若考慮了煤粉氣流的比熱，顯然該式表示的含義即為著火燃燒熱釋放后所能夠提供的煤粉氣流升溫程度(即火焰區(qū)進出口溫差)，顯然該值越大，則煤粉氣流越容易著火，因為這時煤粉氣流的燃燒溫度將處于更高水平，從而對應最佳煤粉濃度.所以，當煤種確定后，上述內在著火供給熱是判斷煤粉氣流著火狀況的核心因素.

(3) 著火供給熱參量

在分析最佳煤粉濃度的存在原因時，為了比較不同煤粉濃度下的著火供給熱大小，理想化地認為煤粉氣流的揮發(fā)分析出量(vm)和焦炭著火燃燒質量份額(εch)均為定值(假設其都對應最佳煤粉濃度時的值)，從而煤粉濃度變化對于著火的影響特性就可以簡單地由式(17)決定

這時著火供給熱參量達到最大.在最佳煤粉濃度下著火時，由于空氣已經被揮發(fā)分和少量焦炭的著火燃燒完全耗盡，再繼續(xù)增加煤粉濃度，將不會提供更多的燃燒熱，因此當煤粉濃度大于μopt時，式(17)就成為

由于這時分子μopt不變，顯然隨著煤粉濃度的增加，將不斷下降，從而使得在最佳煤粉濃度下處于最大值.

(4) 最大煤粉濃度

為了討論煤粉濃度變化對于著火機制的影響，采用以下方法估計煤粉氣流的最大煤粉濃度，從而確定煤粉濃度潛在的最大變化范圍.

最小煤粉濃度由式(15)確定后，可以假設存在一個最大煤粉濃度，這時煤粉氣流的著火供給熱參量與最小煤粉濃度下的值相等，這是因為煤粉濃度大于最佳濃度后再繼續(xù)增加煤粉濃度，著火供給熱將不斷減少，在最大煤粉濃度時，與最小煤粉濃度時相比，兩者均對應相同的最低著火熱，因此最大煤粉濃度將滿足：

因此最大煤粉濃度可以采用式(21)確定：

(5) 算例

針對Csaba 實驗所用煙煤，根據(jù)式(15)和式(21)可以計算得到最小、最大煤粉濃度為0.112 kg(煤)/ kg(空氣)和4.20 kg(煤)/kg(空氣).圖8 給出了著火供給熱參量隨煤粉濃度的變化規(guī)律，可以看出該曲線描述了最佳煤粉濃度的存在原因.在實際煤粉火焰中，鍋爐還要送二次風和三次風，即實際一次風氣流的最小煤粉濃度要比理論值大得多；另外，考慮到煤粉氣流的輸送，一般最大的煤粉濃度最多為3～5 kg(煤)/kg(空氣)，因此圖中的最小、最大煤粉濃度數(shù)據(jù)只是理論上的，實際的煤粉濃度變化范圍比圖中要窄些.

值得注意的是，雖然圖8 在理論上解釋了煤粉氣流存在最佳煤粉濃度的原因，但是在針對Csaba 實驗所用煙煤的著火燃燒研究中，發(fā)現(xiàn)當煤粉濃度為μopt時，揮發(fā)分釋放率約40%；但當煤粉濃度為μmin時，揮發(fā)分實際釋放率將增加至90%以上；而當煤粉濃度為μmax時，揮發(fā)分釋放率將小于10%.可見，在實際的煤粉氣流著火中，當煤粉濃度降低時，為了實現(xiàn)穩(wěn)定著火，煤粉氣流將“自適應”地使得煤粉預熱的時間適當延長，并使對應的一次預熱區(qū)出口溫度上升，從而煤粉釋放揮發(fā)分的份額將增加；直到對應最小煤粉濃度(μmin)時，煤粉氣流中幾乎所有的揮發(fā)分均釋放出來用于煤粉著火，這時煤粉氣流的著火將被推遲.當煤粉濃度增加時，將出現(xiàn)相反的情況，揮發(fā)分釋放份額將不斷減小.有趣的是，對于確定的煤種，雖然這時煤粉濃度發(fā)生大幅變化，但是μ/ (1 +μ)值幾乎保持為一個常量，這也間接說明對于確定的煤種，其著火供給熱參量()是不變的，從而對于濃淡煤粉燃燒器設計帶來方便.當然，著火供給熱參量對于不同煤種，特別是低揮發(fā)分煤，由于這時少量焦炭著火燃燒增加的著火熱變得重要，其適用性還需要深入分析.

圖8 煤粉氣流著火供給熱參量隨煤粉濃度的變化特性Fig.8 Various heat supply parameters of pulverized coal flow ignition with pulverized coal concentrations

5 結論

本文借鑒氣體層流預混燃燒的分區(qū)著火機理，從層流煤粉燃燒火焰分析入手，將煤粉氣流著火過程分為一次、二次預熱區(qū)和著火反應區(qū)，對于不同區(qū)域的熱量衡算進行了解耦計算.煤粉氣流在一次預熱區(qū)主要受到來自爐內的對流和輻射(外在著火供給熱)，二次預熱區(qū)主要接受后面著火反應區(qū)的導熱(內在著火供給熱)，反應區(qū)的熱量主要來自于已經釋放揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒熱.本文認為二次預熱區(qū)的出口溫度為煤粉氣流的真實著火溫度，其接近于煤粉單顆粒的著火溫度(該溫度根據(jù)文獻數(shù)據(jù)很容易確定)；并提出將煤粉氣流單位質量獲得的著火反應熱作為核心參數(shù)分析不同煤粉濃度時的著火特性，從而闡明了煤粉氣流分區(qū)著火機理，獲得了不同濃度影響煤粉氣流著火的基本特性，并比較準確地預測出最佳煤粉濃度.最后，提出描述煤粉濃度變化時的著火供給熱參量概念，將煤粉濃度影響著火特性的規(guī)律表達為

這對于實際高濃度煤粉燃燒器的設計，帶來較大的方便.

致 謝

作者感謝德國RECOM 公司韓曉海博士提供了300 MW 鍋爐燃燒的數(shù)值模擬結果.感謝研究生張樂宇、黃俊欽和孫岑等在模擬結果分析和制圖、排版和修訂等方面的協(xié)助，以及與徐通模教授和李森研究員的有益討論.

符號表：

Ab—反應區(qū)氣流出口面積，m2；

A0—一次預熱區(qū)煤粉氣流進口面積，m2；

Ai—二次預熱區(qū)煤粉氣流出口面積，m2；

Au—一次預熱區(qū)煤粉氣流出口面積，m2；

Av—揮發(fā)分釋放時阿累尼烏斯反應速率常數(shù)中的頻率因子，s-1；

cp,a—煤粉氣流中空氣定壓比熱，kJ/(kg·K)；

cp,c—煤粉氣流中煤粉定壓比熱，kJ/(kg·K)；

cp,g—揮發(fā)分燃燒后熱煙氣定壓比熱，kJ/(kg·K)；

dp—顆粒直徑，m；

Ev—揮發(fā)分釋放的活化能，kJ/kmol；

FC,ar—煤粉工業(yè)分析的收到基焦炭質量份額；

Gp—煤粉顆粒單位體積的質量濃度，kg/m3；

k—煤粉的輻射吸收減弱系數(shù)；

L—煤粉氣流吸收輻射的平均射線行程，m；

mv—煤粉揮發(fā)分釋放的質量份額；

qign—單位質量煤粉氣流可以供給的著火燃燒熱，kJ/kg；

Q—實際快速加熱條件下煤粉揮發(fā)分釋放量與工業(yè)分析揮發(fā)分量間的質量關系常數(shù)；

Qcom—煤粉氣流中揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒放熱量，kJ/kg；

Qcon—進入煤粉氣流的對流加熱量，kJ/kg；

Qex—進入煤粉氣流的其它外在加熱量，kJ/kg；

Qnet,ar—煤粉的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；

Qrad—進入煤粉氣流的輻射加熱量，kJ/kg；

Qv—揮發(fā)分發(fā)熱量，kJ/kg；

R—通用氣體常數(shù)，8.314 kJ/(kmol·K)；

t—從過程開始的時間，s；

T—絕對溫度，K；

Tb—反應區(qū)氣流出口溫度，K；

T0—一次預熱區(qū)煤粉氣流進口溫度，K；

Ti,p—單顆粒煤粉的著火溫度，K；

Tu—一次預熱區(qū)煤粉氣流出口溫度，K；

ub—反應區(qū)氣流出口速度，m/s；

u0—一次預熱區(qū)煤粉氣流進口速度，m/s；

ui—二次預熱區(qū)煤粉氣流出口速度，m/s；

uu—一次預熱區(qū)煤粉氣流出口速度，m/s；

V—在時間t 內煤粉顆粒失重釋放出的揮發(fā)分的質量百分數(shù)(占煤粉的質量分數(shù)，下同)，%；

V∞—揮發(fā)分在實際反應器內可以釋放揮發(fā)分的最大質量百分數(shù)，%；

Var—煤粉工業(yè)分析的收到基揮發(fā)分質量百分數(shù)，%；

Vc—在實際反應器內，由工業(yè)分析得出的焦炭仍能釋放(殘留在焦炭中)的揮發(fā)分質量份額；

Vp—工業(yè)分析的煤釋放揮發(fā)分的質量百分數(shù)，%；

V0,ar—煤粉燃燒所需的理論空氣量，kg/kg；

V0,ch—煤粉中固定碳燃燒所需的理論空氣量，kg/kg；

V0,v—揮發(fā)分燃燒所需的理論空氣量，kg/kg；

εb—隔熱圓錐體的壁面黑度，文中取0.8；

εf—火焰黑度，文中取0.9；

εch—參與煤粉氣流著火燃燒的少量焦炭質量份額；

μ—煤粉氣流中每千克空氣中煤粉的質量濃度，kg(煤)/kg(空氣)；

μopt—最佳煤粉濃度，kg(煤)/kg(空氣)；

ρb—反應區(qū)出口熱氣流的密度，kg/m3；

ρ0—一次預熱區(qū)煤粉氣流中空氣的進口密度，kg/m3；

ρp—顆粒密度，kg/m3；

ρu—二次預熱區(qū)煤粉氣流中氣體的出口密度，kg/m3；

σ—黑體輻射常數(shù)(斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù))，5.67×10 W/(m2·K4).

附錄A 煤粉氣流一次預熱區(qū)的質量平衡與 能量平衡計算

文中圖4 給出煤粉氣流著火過程的分區(qū)模型.對于質量平衡，進入控制體的質量流率為

式中：u0為煤粉質量濃度，表示煤粉氣流中單位質量空氣所攜帶的煤粉質量；A0為煤粉氣流進口面積.

離開一次預熱區(qū)控制體的質量流率為

式中：Au為煤粉氣流出口面積.雖然這時揮發(fā)分釋放會造成氣體質量份額增加和顆粒物質量份額減少，但是為了能量方程的計算簡便，仍然認為離開控制體時煤粉氣流中的煤粉質量濃度為μ0.

對于能量平衡，考慮到進出口溫度和氣流比熱的變化，進入控制體的能量流：

式中：ca,p和cp,c分別為空氣和煤粉的比熱，計算時空氣比熱隨溫度升高，而煤粉比熱可作為已釋放揮發(fā)分和焦炭的混合物比熱，也隨溫度有所增加.

離開一次預熱區(qū)控制體的能量流：

這樣可以給出以下能量平衡方程

正文中能量平衡方程(2)左側只給出輻射加熱項表達式，沒有考慮對流加熱項.

附錄B 煤粉氣流預熱區(qū)內揮發(fā)分的釋放計算

將預熱區(qū)內煤粉的熱解考慮為一步簡單反應[2]，揮發(fā)分的釋放方程為

式中：V 為在熱解時間t 內煤粉顆粒因失重釋放出的揮發(fā)分的質量百分數(shù)(占煤粉的質量百分數(shù))；T 為煤粉顆粒的終溫；V∞為煤中揮發(fā)分在反應器內快速升溫時可以釋放出的最大揮發(fā)分質量百分數(shù)，用式(B2)表示[1-2]

式中：Vp為工業(yè)分析的煤釋放揮發(fā)分的質量百分數(shù)，考慮到在實際反應器內由工業(yè)分析得出的揮發(fā)分無法全部釋放，有一小部分仍將殘留在焦炭中；Vc為這部分焦炭仍能釋放的揮發(fā)分的質量分數(shù)(占揮發(fā)分的質量)，對于非膨脹性煤Vc可取為0.15[1-2]；考慮到在實際反應器的快速加熱條件下，Q 為煤粉揮發(fā)分釋放量與工業(yè)分析揮發(fā)分量的質量比關系，對于一般的煙煤，Q 取值為1.26～1.44[1]，而對于無煙煤或貧煤，此值要小一些.

將揮發(fā)分的釋放方程進行積分，即可得到一次預熱區(qū)內煤粉揮發(fā)分的釋放量：

其中揮發(fā)分釋放速率為