李國棟， 張廷堯， 曾柱楷， 周月桂

(1.上海交通大學(xué) 中英國際低碳學(xué)院，上海 201306；2.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，熱能工程研究所，上海 200240)

低氧稀釋(Moderate and Intense Low Oxygen Dilution, MILD)燃燒是一種能夠同時提高燃燒效率和降低NOx排放的新型燃燒模式[1]。該技術(shù)通過提高氧化劑射流或燃料射流的速度使爐膛內(nèi)形成強烈的煙氣內(nèi)循環(huán)，燃料和氧化劑被回流的高溫?zé)煔飧叨认♂?，燃燒反?yīng)區(qū)擴大，燃燒反應(yīng)速率減小，爐膛內(nèi)峰值溫度降低，溫度分布更加均勻[2]。MILD富氧燃燒技術(shù)是將MILD燃燒技術(shù)與富氧燃燒技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠提高燃燒效率，降低NOx等污染物的排放水平，還有利于CO2的捕集和封存，是新一代的富氧煤粉燃燒技術(shù)[3]。

目前，許多學(xué)者開展了MILD燃燒和富氧燃燒特性的研究。Abtahizadeh等[4-5]研究了預(yù)熱氧化劑和利用N2稀釋燃料對CH4層流燃燒的影響，結(jié)果表明預(yù)熱氧化劑和利用N2稀釋燃料均有利于提高反應(yīng)區(qū)溫度分布的均勻性，在氧氣體積分數(shù)為3.6%、氧化劑預(yù)熱溫度為1 530 K、燃料稀釋度為83%的條件下，實現(xiàn)了CH4層流MILD燃燒。Dally等[6]研究了不同氧氣質(zhì)量分數(shù)(3%～9%)條件下CH4與H2混合燃燒的火焰結(jié)構(gòu)，在射流雷諾數(shù)相同的條件下，隨著氧氣質(zhì)量分數(shù)的減小，著火距離增大，火焰趨于透明，溫度分布更加均勻。Li等[7]研究了天然氣、液化石油氣和乙烯在O2/N2和O2/CO2氣氛下的MILD燃燒特性，結(jié)果表明相比O2/N2氣氛，O2/CO2氣氛下燃料燃燒的反應(yīng)區(qū)更大，溫度分布更加均勻。相比氣體燃料，煤粉燃燒涉及氣-固兩相流反應(yīng)，燃燒過程更加復(fù)雜。Rezaei等[8]對比了猶他Skyline煙煤和伊利諾伊斯6號煙煤在O2/CO2氣氛下湍流擴散燃燒的煤粉著火特性和火焰穩(wěn)定性，結(jié)果表明2種成分相似的同階煤，由于化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同，其著火特性和火焰穩(wěn)定性也不同，當(dāng)二次風(fēng)預(yù)熱至420 ℃時，伊利諾伊斯6號煙煤的火焰穩(wěn)定性明顯優(yōu)于猶他Skyline煙煤。Shaddix等[9]研究了O2/N2和O2/CO2下氧氣體積分數(shù)對匹斯堡煙煤著火時間和揮發(fā)分釋放的影響，結(jié)果表明與O2/N2氣氛相比，煤粉顆粒在O2/CO2氣氛下的著火時間更長，揮發(fā)分釋放速率更慢，在相同氣氛下隨著O2體積分數(shù)增大，煤粉顆粒的揮發(fā)分釋放速率加快，著火時間變短。Zhang等[10]設(shè)計了帶有預(yù)熱室的煤粉燃燒器，通過回流的高溫?zé)煔忸A(yù)熱可燃混合物，實現(xiàn)了無煙煤的MILD燃燒。Saha等[11]通過實驗研究了射流雷諾數(shù)對褐煤煤粉在MILD燃燒模式下?lián)]發(fā)分釋放和焦炭反應(yīng)的影響，結(jié)果表明高雷諾數(shù)下?lián)]發(fā)分釋放速率更快，但焦炭整體消耗速率減小，有利于實現(xiàn)煤粉的MILD燃燒。Yuan等[12]研究了褐煤和煙煤煤粉顆粒的著火模式，結(jié)果表明在高溫低氧條件下煙煤發(fā)生均相著火，其著火特征時間比褐煤短2～4 ms。

上述研究表明，煤種對MILD燃燒模式下煤粉著火和燃燒特性具有重要影響。筆者選取不同揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤，在平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)上研究了3種煤的煤粉在低氧稀釋條件、O2/CO2氣氛中的著火和燃燒特性，獲取并分析了不同燃燒條件下煤粉火焰形態(tài)、著火距離、煤粉顆粒溫度和顆粒溫度波動系數(shù)，并利用顆粒溫度波動系數(shù)來評價煤粉燃燒時顆粒溫度分布的均勻性，進而判斷不同煤種的煤粉實現(xiàn)MILD燃燒的難易程度，為MILD富氧燃燒技術(shù)的開發(fā)和數(shù)值模型的驗證提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)和測量方法

1.1 平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)

圖1為平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)示意圖，主要包括Hencken燃燒器、給粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。CO和少量用于穩(wěn)燃的CH4從燃料腔通入毛細管，其中CH4的體積流量恒定為0.2 L/min，O2和CO2在氧化劑腔混合后通入其余蜂窩孔，在燃燒器出口形成均勻穩(wěn)定的平面擴散火焰。一次風(fēng)攜帶煤粉從中心管噴出，在一定溫度和氧氣體積分數(shù)的熱協(xié)流環(huán)境中燃燒。燃燒器出口裝有光學(xué)石英玻璃罩以避免外部空氣對火焰的干擾，同時便于火焰光學(xué)測量。Hencken燃燒器的結(jié)構(gòu)和尺寸見文獻[13]。通過調(diào)節(jié)熱協(xié)流氣體流量，為煤粉燃燒提供溫度為1 473～1 873 K、氧氣體積分數(shù)φ(O2)為5%～20%的熱協(xié)流環(huán)境。表1為各實驗工況的氣體體積流量。在通入煤粉前先對燃燒器出口軸向高度上的熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)進行測量，結(jié)果如圖2所示。測量結(jié)果表明，燃燒器出口軸向高度1～20 cm內(nèi)氧氣體積分數(shù)波動小于1%，溫降小于120 K，可以認為氧氣體積分數(shù)和溫度分布比較均勻，能夠為中心煤粉射流的燃燒提供穩(wěn)定的燃燒環(huán)境。

圖1 平面火焰煤粉燃燒實驗系統(tǒng)示意圖

(a)溫度分布

表1 實驗工況

所選3種煤的工業(yè)分析見表2。其中，神木西煙煤的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)最高，為21.44%，長平貧煤的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)為8.60%，揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)最低的是濟源無煙煤，為4.56%。煤粉粒徑為63～75 μm，給粉速率為0.1 g/min，煤粉顆粒被體積流量為0.4 L/min的CO2攜帶并經(jīng)中心管噴出，氣流速度為1.6 m/s。

表2 不同煤種的工業(yè)分析

1.2 顆粒溫度計算方法

根據(jù)普朗克定律，物體在溫度為T、波長為λ時的輻射強度I(λ,T)為：

(1)

式中：ε(λ)為物體的單色輻射率；h為普朗克常數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)；c為光速。

當(dāng)物體溫度為800～2 000 K，波長為300～1 000 nm時，由于ehc/λkT遠大于1，普朗克定律可簡化為維恩定律：

(2)

假設(shè)煤粉顆粒為灰體[14]，在同一溫度下根據(jù)式(2)取2個不同波長(λ1和λ2)對應(yīng)的輻射強度的比值，整理后可以計算出煤粉顆粒的溫度：

(3)

式中：c2為第二輻射常數(shù)。

實驗前采用標準黑體爐對Avaspec-ULS2048XL型光纖光譜儀進行標定，標定后采用雙色法計算得到的顆粒溫度最大標準誤差為86 K，相對誤差為4.6%，大部分測點的顆粒溫度相對誤差小于2.5%，標定后的光纖光譜儀能很好地用于測量煤粉顆粒溫度。實驗中采用光纖光譜儀測量煤粉燃燒火焰的輻射光譜，并利用雙色法計算得到煤粉顆粒溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤粉燃燒火焰圖像

采用CMOS相機拍攝了不同工況下煤粉燃燒火焰圖像。為了更清晰地捕捉煤粉火焰，CMOS相機曝光時間、光圈值和感光度分別設(shè)置為1/100 s、14和500。圖3給出了熱協(xié)流溫度為1 673 K、氧氣體積分數(shù)為5%～20%條件下的煤粉燃燒火焰圖像。一次風(fēng)攜帶煤粉從中心管射出后形成穩(wěn)定燃燒的煤粉火焰。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，對于同一煤種的煤粉燃燒，當(dāng)氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%時，煤粉火焰長度增加5 cm左右，根據(jù)阿倫尼烏斯定律可知，這是由于在較低氧氣體積分數(shù)條件下煤粉燃燒反應(yīng)速率減小，燃盡時間增加。隨著氧氣體積分數(shù)的減小，煤粉火焰亮度減弱。當(dāng)氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%時，神木西煙煤煤粉火焰從亮黃色變?yōu)榘导t色，燃燒反應(yīng)速率變慢，火焰亮度減弱。對于不同煤種，由于高揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)有助于煤粉燃盡，隨著揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大，煤粉火焰長度變短。在1 673 K熱協(xié)流溫度、5%氧氣體積分數(shù)條件下，神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤的火焰長度依次為24 cm、35 cm和40 cm。

5%φ(O2)

2.2 煤粉著火距離

將實驗中煤粉火焰中心軸線處光強值達到光強峰值20%時的位置定義為煤粉顆粒的著火位置[15]，并由此計算出煤粉著火距離。為了減小煤粉火焰波動對實驗結(jié)果的影響，每組工況連續(xù)拍攝100張煤粉火焰圖像，使用Matlab軟件轉(zhuǎn)化為灰度圖像后，計算得到煤粉在O2/N2和O2/CO2氣氛下的著火距離，分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

(a)O2/N2氣氛

對于同一煤種，由于在低氧稀釋條件下氧氣擴散速率減小，煤粉異相反應(yīng)受到抑制，煤粉著火距離隨著氧氣體積分數(shù)的減小而變長。以神木西煙煤煤粉在O2/CO2氣氛中的燃燒為例，熱協(xié)流溫度為1 673 K時，隨著氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%，煤粉著火距離從2.48 cm增加至2.95 cm；隨著熱協(xié)流溫度的升高，煤粉著火距離變短，在5%氧氣體積分數(shù)條件下，隨著熱協(xié)流溫度從1 473 K提高至1 873 K，神木西煙煤煤粉著火距離從3.93 cm縮短至2.01 cm，這是因為隨著熱協(xié)流溫度的升高，熱協(xié)流對煤粉的加熱速率也增大，有助于促進煤粉著火。

對于不同煤種，在O2/N2氣氛下，3種煤的煤粉著火距離從長至短依次為濟源無煙煤、長平貧煤和神木西煙煤，說明在O2/N2氣氛下著火延遲距離隨著揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大而減小，揮發(fā)分有助于促進煤粉著火。在O2/CO2氣氛下，由于O2在CO2中的質(zhì)量擴散系數(shù)比在N2中低約20%～25%[16-17]，所以O(shè)2/CO2氣氛抑制了氧氣向煤粉顆粒表面擴散，3種煤的煤粉著火距離均有所增加，神木西煙煤的著火距離增幅約為0.50～1.10 cm，而長平貧煤著火距離增幅約為0.05～0.70 cm，導(dǎo)致當(dāng)熱協(xié)流溫度為1 473 K和1 673 K、氧氣體積分數(shù)為5%～20%以及熱協(xié)流溫度為1 873 K、氧氣體積分數(shù)為5%～10%時，神木西煙煤的煤粉著火距離大于長平貧煤。這主要是因為CO2的密度和摩爾熱容顯著高于N2，且揮發(fā)分在CO2中的質(zhì)量擴散系數(shù)較在N2中更低，相比于O2/N2氣氛，在O2/CO2氣氛下?lián)]發(fā)分的釋放和擴散速率較慢，所以在O2/CO2氣氛下?lián)]發(fā)分對著火的影響減弱，且煤粉揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)越高減弱幅度越大，神木西煙煤由于揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)高達21.44%，顯著高于長平貧煤，所以著火距離增幅較大。在熱協(xié)流溫度為1 873 K、氧氣體積分數(shù)從10%增大至20%時，神木西煙煤煤粉著火距離由1.56 cm減小至0.89 cm，此時神木西煙煤的煤粉著火距離變?yōu)樽疃?，這是因為高揮發(fā)分煙煤在高溫、高氧氣體積分數(shù)條件下均相反應(yīng)速率增大，著火距離大幅縮短[12]。

2.3 煤粉顆粒溫度

圖5為熱協(xié)流溫度為1 673 K、氧氣體積分數(shù)為20%條件下燃燒器出口軸向高度上煤粉顆粒溫度分布。由圖5可知，煤粉顆粒溫度在經(jīng)歷快速上升后，逐漸平穩(wěn)而后緩慢下降。在燃燒器出口軸向高度9～15 mm內(nèi)長平貧煤煤粉顆粒溫度比神木西煙煤高，主要是因為長平貧煤的固定碳質(zhì)量分數(shù)比神木西煙煤高，且揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)也相對較低，長平貧煤煤粉顆粒燃盡速率相對較慢，火焰更長；而神木西煙煤固定碳質(zhì)量分數(shù)低，燃盡時間和火焰長度較短。所以在距離燃燒器出口9～15 mm內(nèi)，神木西煙煤燃燒時的煤粉顆粒溫度下降較快。在相同位置處長平貧煤燃燒時的煤粉顆粒溫度下降較緩，因此比神木西煙煤煤粉顆粒溫度高。

圖5 1 673 K時20%氧氣體積分數(shù)條件下煤粉顆粒溫度分布

以煤粉火焰沿程14個測點的顆粒溫度平均值為煤粉顆粒平均溫度，圖6給出了3種煤的煤粉顆粒平均溫度隨熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)的變化。對于同一煤種，煤粉顆粒平均溫度隨著熱協(xié)流溫度的升高和氧氣體積分數(shù)的增大而升高，主要是因為熱協(xié)流溫度升高和氧氣體積分數(shù)增大加快了反應(yīng)速率，使熱量更快釋放從而提高了煤粉顆粒平均溫度。對于不同煤種，神木西煙煤的煤粉顆粒平均溫度最高，其次是長平貧煤，濟源無煙煤的煤粉顆粒平均溫度最低，這主要是由于煤發(fā)熱量的影響。神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤的發(fā)熱量依次為23.137 MJ/kg、25.004 MJ/kg和20.362 MJ/kg。由于濟源無煙煤的發(fā)熱量最低，所以其煤粉顆粒平均溫度最低；長平貧煤的發(fā)熱量略高于神木西煙煤，但是由于神木西煙煤揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較高，燃燒速率和熱量釋放較快，所以神木西煙煤煤粉顆粒平均溫度較高。當(dāng)熱協(xié)流溫度為1 473 K時，神木西煙煤與濟源無煙煤的煤粉顆粒平均溫度差異較大，兩者溫差為90～130 K。而隨著熱協(xié)流溫度的提高，不同煤種之間的顆粒平均溫度差異逐漸減小，當(dāng)熱協(xié)流溫度升高至1 873 K時，顆粒平均溫度相差僅為14～80 K。這說明通過提高煤粉燃燒所處的環(huán)境溫度可以提高低發(fā)熱量煤在燃燒過程中的整體溫度，在一定程度上能夠彌補煤粉因發(fā)熱量低而造成的燃燒特性差的缺陷。

圖6 不同熱協(xié)流條件下煤粉顆粒平均溫度

2.4 煤粉顆粒溫度波動系數(shù)

采用燃燒器出口沿程煤粉顆粒溫度波動系數(shù)σ來評價煤粉燃燒溫度空間分布的均勻性[18]，其定義為：

(4)

煤粉顆粒溫度波動系數(shù)越小，表示燃燒溫度分布越均勻。

圖7給出了不同熱協(xié)流條件下煤粉顆粒溫度波動系數(shù)。對于同一煤種，在相同熱協(xié)流溫度下，隨著氧氣體積分數(shù)的減小，煤粉顆粒溫度波動系數(shù)逐漸減小，在熱協(xié)流溫度為1 673 K條件下，當(dāng)氧氣體積分數(shù)從20%減小至5%時，神木西煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)從3.6%減小至2.4%，長平貧煤從6.2%減小至5.1%，濟源無煙煤從6.6%減小至5.8%，這說明低氧稀釋條件下煤粉火焰沿程顆粒溫度波動較小，燃燒溫度分布更加均勻。在相同熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)條件下，隨著煤粉揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大，煤粉顆粒溫度波動系數(shù)逐漸減小，在熱協(xié)流溫度為1 473 K、5%氧氣體積分數(shù)條件下，神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)分別為2.0%、6.4%和6.5%。與濟源無煙煤相比，神木西煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)減小了70%，說明煤種的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)增大有助于提升煤粉顆粒溫度分布的均勻性，從而有利于實現(xiàn)煤粉的MILD燃燒。

圖7 不同熱協(xié)流條件下煤粉顆粒溫度波動系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)在相同熱協(xié)流溫度下，隨著氧氣體積分數(shù)的減小，煤粉燃燒反應(yīng)速率減小，火焰長度增加，火焰亮度減弱。隨著煤粉揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大，煤粉顆粒燃盡時間和煤粉火焰長度縮短。

(2)在熱協(xié)流溫度為1 473～1 673 K、氧氣體積分數(shù)為5%～20%以及熱協(xié)流溫度為1 873 K、氧氣體積分數(shù)為5%～10%條件下，O2/CO2氣氛下煤粉的著火距離從長至短依次為：濟源無煙煤、神木西煙煤和長平貧煤。當(dāng)熱協(xié)流溫度為1 873 K，氧氣體積分數(shù)為20%時，神木西煙煤的煤粉著火距離最短。

(3)在相同熱協(xié)流條件下，煤粉顆粒平均溫度從高至低依次為神木西煙煤、長平貧煤和濟源無煙煤。隨著熱協(xié)流溫度升高，濟源無煙煤與神木西煙煤的煤粉顆粒平均溫度差值縮小，高溫條件下有助于彌補煤粉因發(fā)熱量低而造成的燃燒特性差的缺陷。

(4)在相同熱協(xié)流溫度和氧氣體積分數(shù)條件下，隨著揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的增大，煤粉燃燒的顆粒溫度分布更加均勻，顆粒溫度波動系數(shù)從高至低依次為濟源無煙煤、長平貧煤和神木西煙煤。在低氧稀釋條件下，神木西煙煤的煤粉顆粒溫度波動系數(shù)比濟源無煙煤低70%。揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較高的神木西煙煤更易于實現(xiàn)煤粉的MILD燃燒。