鄭樹，王巖，李登科，趙晨，張軒銘，才偉光，陸強

(1.華北電力大學 新能源發(fā)電國家工程研究中心，北京，102206；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京，102206)

隨著全球環(huán)保意識的逐漸增強，我國提出“碳達峰、碳中和”號召，煤炭資源的清潔高效利用和尋找替代燃料已成為當今重要研究方向。高爐噴吹是煉鋼的主要方式，其燃料以一定比例混合的無煙煤與煙煤[1-3]。無煙煤的固定碳含量高，煙煤的揮發(fā)分含量高，兩者以一定比例摻混得到的混合燃料具有易燃燒、高熱值的優(yōu)點[4-5]。然而，這種混合燃料在燃燒過程中排放的大量二氧化碳阻礙我國綠色、可持續(xù)發(fā)展[6-7]。生物炭作為一種綠色可再生能源，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域[8-10]，不僅具有較高的揮發(fā)分含量，而且?guī)缀谓Y構疏松，在揮發(fā)分含量相同的情況下，生物炭比煙煤的著火溫度更低。因此，將生物炭等質(zhì)量替代煙煤并與無煙煤進行混合，這是一種極具潛力的減排方案[11-15]。

近年來，國內(nèi)外開展了大量關于將生物炭替代煤炭用于燃燒的實驗[16-18]。鄭偉成等[19]研究了生物炭用于高爐噴吹的可行性，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈、無花果和樺木等生物炭具有與煤粉幾乎相同的固定碳含量和熱值，且燃燒反應性更好。譚洪等[20]發(fā)現(xiàn)相比于農(nóng)作物類生物炭，木質(zhì)類生物炭具有更高的熱值。TOLOUE 等[21]發(fā)現(xiàn)在500 ℃下制備的樺木炭的固定碳含量與噴吹煤粉最接近。因此，生物炭替代部分煤炭作為高爐噴吹燃料理論上完全可行，且木質(zhì)類生物炭比農(nóng)作物類生物炭具有更好的燃燒特性。

在生物炭與無煙煤共燃過程中，氧氣體積分數(shù)、生物炭的顆粒形狀和摻混質(zhì)量比等因素對混合燃料的燃燒特性都有重要影響。WANG 等[22]發(fā)現(xiàn)與球形顆粒相比，圓柱形顆粒的燃燒時間更短，且混合顆粒物在燃燒過程中整體溫度模擬結果比計算值高18 K，即存在協(xié)同效應。WIJAYANTA等[23]基于數(shù)值模擬方法，研究了氧氣體積分數(shù)對橡木炭在高爐回旋管內(nèi)燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)氧氣體積分數(shù)從23%增加到27%，橡木炭的燃燒效果提升。劉竹林等[24]基于差熱分析法，研究了花生殼炭、玉米秸稈炭分別與無煙煤以不同質(zhì)量比混合的噴吹燃料的燃燒性能，發(fā)現(xiàn)當上述2種生物炭分別與煤粉的質(zhì)量比為3:7時，混合燃料的著火點更低，燃燒性能顯著提高。

目前，關于生物炭用于高爐噴吹性能影響的研究多集中在采用熱重分析法來研究整個燃燒過程，缺乏關鍵的各燃燒階段溫度場分析。圖像測溫法是一種非接觸測溫方法，不破壞火焰結構，僅依據(jù)火焰自身輻射信息，能夠得到實時溫度場[25-26]。生物炭在與無煙煤混合燃燒過程中存在協(xié)同效應[27]，通過圖像測溫法得到的實時溫度場能夠提供更充分的數(shù)據(jù)?；诖?，本文首先將松木炭與無煙煤以不同質(zhì)量比摻混得到混合燃料顆粒，同時用煙煤替換松木炭作對比；然后，基于圖像測溫法測量混合燃料顆粒的燃燒溫度場、平均溫度和燃燒時間；最后，對比不同質(zhì)量比的混合燃料顆粒的燃燒特性，得到了松木炭與無煙煤的最佳摻混質(zhì)量比。

1 實驗裝置及方法

1.1 混合燃料顆粒

在500 ℃熱解溫度下，得到的松木炭中的氧元素基本被脫除，且具有較高熱值和一定的揮發(fā)分含量，與無煙煤和煙煤均有較大不同[28]。因此，選取松木作為本次燃燒實驗制備松木炭的原料，并在500 ℃熱解溫度下通過快速熱解法得到松木炭。其制備過程為：將松木切分為邊長為1 cm 的立方塊，在惰性氣氛(熱解管內(nèi)充滿高純度氮氣)下將松木塊加熱至500 ℃并保持20 min，得到松木炭。

選取松木炭、山西陽泉無煙煤、靈石煙煤作為研究對象，3 種物質(zhì)的工業(yè)分析和熱值如表1所示。與煙煤相比，松木炭具有水分含量高，灰分含量低，揮發(fā)分與固定碳較高的特點。為研究松木炭與無煙煤混合的最佳配比，首先將松木炭、煙煤和無煙煤分別研磨成粒徑在1 mm以下的固體粉末；其次，將松木炭和煙煤以30%、50%和70%的質(zhì)量比例分別與無煙煤混合放入模具中，以5 MPa 壓力壓制成直徑和高度均為1 cm 的圓柱形混合燃料顆粒；最后，將混合燃料顆粒在室溫下干燥定形，其中煙煤和無煙煤制得的混合燃料顆粒作為對照組。

表1 松木炭、煙煤、無煙煤工業(yè)分析和熱值Table 1 Proximate analysis and calorific value of pine char,bituminous coal and anthracite coal

1.2 圖像測溫系統(tǒng)和原理

混合燃料顆粒燃燒圖像測溫系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由熱電偶、本生燈和CMOS 相機組成。熱電偶為K 型熱電偶，用于測量混合燃料顆粒燃燒有效溫度，最高測溫可達1 300 ℃，響應時間為2.1 s。本生燈內(nèi)燃料為氣態(tài)丁烷，燃燒時丁烷流量為0.936 L/min，火焰為無光高溫火焰。將混合燃料顆粒放置于本生燈500 ℃的燃燒火焰內(nèi)，用于模擬高爐內(nèi)高溫環(huán)境。CMOS 相機用于采集混合燃料顆粒燃燒發(fā)射的輻射信息。

圖1 測溫系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of temperature measurement system

圖像測溫系統(tǒng)能夠檢測到紅(R)、綠(G)、藍(B)三通道的輻射信號，輻射信號經(jīng)過模數(shù)轉換輸出為響應值。響應值不僅與研究對象輻射信息有關，還與曝光時間、量程等相機參數(shù)有關，無法用于溫度計算。因此，需要標定響應值，得到實際輻射強度。

根據(jù)普朗克定律，物體在波長λ處發(fā)射的輻射強度取決于物體的發(fā)射率ε(λ)和溫度T：

式中：λ為波長，m；I(λ，T)為實際光譜輻射強度，W/m3；ε(λ)為光譜發(fā)射率；C1=3.742×10-16W·m2，為第一輻射常數(shù)；C2=1.438 8×10-2m·K，為第二輻射常數(shù)；Ib(λ，T)為黑體光譜輻射強度。

基于式(1)，采用黑體爐對CMOS 相機進行標定，圖2所示為IR和IG黑體輻射強度隨R和G響應值的變化曲線，將圖像測溫系統(tǒng)測得的溫度和發(fā)射率與黑體爐的設定值進行比較，結果如表2所示。溫度和發(fā)射率的最大相對誤差分別為0.28%和2%，因此，標定準確可靠。由于火焰圖像采集的數(shù)據(jù)受環(huán)境因素影響，響應值存在測量誤差，因此，選取R 通道亮度為30～255 的像素點，取其平均溫度定義為有效溫度。

圖2 CMOS相機標定曲線Fig.2 CMOS calibration curve

根據(jù)灰體假設[29]，并基于雙色法測溫原理，混合燃料顆粒表面溫度計算公式為

式中：T為混合燃料顆粒表面溫度，K；λR=6.1×10-7m；λG=5.35×10-7m；IR(λR，T)和IG(λG，T)分別為R和G通道實際光譜輻射強度。

2 實驗結果

2.1 混合燃料顆粒燃燒特性

2.1.1 松木炭與無煙煤摻混燃燒速率

圖3所示為無煙煤與松木炭以不同質(zhì)量比摻混得到的混合燃料顆粒在丁烷火焰下燃燒的時間流程圖。在點火過程中，混合燃料顆粒被迅速置于本生燈火焰中心均勻受熱；在揮發(fā)分燃燒階段，混合燃料顆粒在火焰中加熱，揮發(fā)性物質(zhì)釋放并被點燃，在遠離顆粒表面的地方形成了明亮的火焰層；在焦炭燃燒階段，混合燃料顆粒上方的火焰全部熄滅，而顆粒發(fā)出明亮的光，燃燒即將結束時，炭表面逐漸變暗。

不同松木炭摻混比下混合燃燒顆粒各階段燃燒時間如表3所示。由表3可知：松木炭摻混比例為30%、50%與70%時，混合燃料顆粒的揮發(fā)分燃燒時間分別為82、51 和53 s，這是因為松木炭的著火點低，揮發(fā)分含量高，增大松木炭的摻混比例可促進無煙煤燃燒，提高燃燒速率。

表3 不同松木炭摻混比下混合燃燒顆粒各階段燃燒特征Table3 Burning characteristics of mixed combustion pellets at different pine charcoal blending ratios for each stage of combustion

對于混合燃料顆粒的焦炭燃燒時間，當松木炭的摻混比例為70%，松木炭先與氧氣接觸，從而使無煙煤燃燒時的氧氣體積分數(shù)減少，但松木炭揮發(fā)分含量高，從而提高了無煙煤燃燒速率。當松木炭的摻混比例為30%時，揮發(fā)分含量較低，但松木炭含量少，無煙煤燃燒時仍有充足氧氣，此時松木炭和無煙煤燃燒協(xié)同作用促進了無煙煤燃燒。

2.1.2 煙煤與無煙煤摻混燃燒速率

圖4所示為無煙煤與煙煤以不同質(zhì)量比摻混得到的混合燃料顆粒在丁烷火焰下燃燒的時間流程圖。不同煙煤摻混比下混合燃料顆粒各階段燃燒時間如表4所示。在煙煤摻混比例為30%時，混合燃料灰分含量低、有利于燃燒，因此，煙煤的揮發(fā)分可以有效促進無煙煤燃燒。在煙煤摻混比例為50%時，在揮發(fā)分燃燒階段，較低的揮發(fā)分含量和較高的灰分含量導致?lián)]發(fā)分熱解析出困難，揮發(fā)分燃燒時間增加；在焦炭燃燒階段，較高的灰分阻礙了燃燒，此時無煙煤的揮發(fā)分與灰分對燃燒的消極作用最強。

圖4 不同煙煤摻混比混合燃料顆粒著火燃燒的時序圖Fig.4 Timing diagram of ignition and combustion of mixed fuel particles with different blending ratios of bituminous coal

表4 不同煙煤摻混比下混合燃燒顆粒各階段燃燒特征Table 4 Combustion characteristics of various stages of mixed combustion pellets with different blending ratios of bituminous coal

煙煤摻混比例為70%時，揮發(fā)分快速且充分燃燒也加快了焦炭燃燒，使整體燃燒時間較短。因此，在焦炭燃燒階段，對比相同摻混比的松木炭，摻混煙煤的混合燃料顆粒的焦炭燃燒時間更長，這表明松木炭疏松的幾何結構在增大燃燒速率方面比煙煤更具優(yōu)勢，且煙煤中較高的灰分覆蓋了顆粒表面，抑制了燃燒，降低反應區(qū)域的氧氣體積分數(shù)，摻混煙煤的燃燒速率均比摻混松木炭的低。

2.2 混合燃料顆粒的燃燒溫度分布變化

2.2.1 松木炭與無煙煤摻混燃燒溫度分布

不同松木炭摻混比的混合燃料顆粒在各個階段的燃燒溫度分布如圖5所示。松木炭的摻混比例為30%、50%和70%時，混合燃料顆粒在揮發(fā)分燃燒階段的最高溫度分別為1 263、1 252 和1 236 K。顯然，隨著松木炭摻混比例增加，揮發(fā)分燃燒階段的最高溫度逐漸降低，其主要原因是松木炭含有較高的水分。在松木炭的摻混比例為30%時，混合燃料顆粒的整體燃燒速率最小，但最高溫度與平均溫度相差最小，燃燒最穩(wěn)定，松木炭與無煙煤的協(xié)同效應較好。

圖5 不同階段松木炭與無煙煤混合燃料顆粒燃燒溫度云圖Fig.5 Cloud diagram of combustion temperature of pine charcoal and anthracite blended fuel pellets at different stages of combustion

2.2.2 煙煤與無煙煤摻混燃燒溫度分布

不同煙煤摻混比的混合燃料顆粒在各個階段的燃燒溫度分布如圖6所示。煙煤摻混比例為30%、50%和70%的混合燃料顆粒在揮發(fā)分燃燒階段的最高溫度分別為1 291、1 314 和1 290 K，均高于松木炭摻混時的最高溫度。其主要原因是煙煤揮發(fā)分含量更高，水分含量更少，在局部燃燒區(qū)域內(nèi)充分燃燒可達到更高的燃燒溫度。然而，煙煤具有較高含量的灰分，在煙煤摻混比例為70%時，灰分逐漸覆蓋在燃燒顆粒表面，抑制了燃燒，從而使該摻混比下的揮發(fā)分燃燒階段的最高溫度降低。

圖6 不同階段煙煤與無煙煤混合燃料顆粒燃燒溫度云圖Fig.6 Combustion temperature cloud of bituminous coal and anthracite blended fuel pellets at different stages

當煙煤摻混比例為30%、50%和70%時，混合燃料顆粒在焦炭燃燒階段的最高溫度與平均溫度之差分別為139、201和227 K。對比松木炭摻混可知，摻混煙煤后混合燃料顆粒最高溫度與平均溫度的溫差更大，其主要原因是灰分的影響大于水分的影響，且松木炭結構疏松，與無煙煤混合后混合燃料顆粒與氧氣的接觸面積較大，更容易充分燃燒；同時，揮發(fā)分析出可增加燃料顆粒的孔隙，但煙煤中的灰分覆蓋在孔隙之間會減弱與氧氣的反應效果。因此，在相同摻混比下，松木炭與無煙煤的混合燃料顆粒的燃燒速率更大，但整體溫度略低。

2.3 混合燃料顆粒燃燒有效溫度隨時間變化

不同摻混比松木炭與無煙煤的混合燃料顆粒燃燒平均溫度隨時間的變化如圖7(a)所示。當松木炭摻混比為30%時，無煙煤起主要作用，混合燃料顆粒穩(wěn)定燃燒放熱，溫度波動幅度小。相較于松木炭摻混比為30%時，當松木炭摻混比為50%時的平均溫度整體下降，且溫度波動幅度也增大。當松木炭摻混比為70%時，在焦炭燃燒階段松木炭率先燃燒并與大部分氧氣接觸燃燒，但燃燒溫度低，直至無煙煤充分與氧氣接觸，燃燒平均溫度顯著提高，此時溫度波動幅度最大。不同松木炭和煙煤摻混比下混合燃料燃燒最終平均溫度分別如表3 和表4所示，當松木炭摻混比為30%時，最終平均溫度最高。

圖7 混合燃料顆粒有效溫度隨時間變化Fig.7 Effective temperature of blended fuel pellets with time

因此，混合燃料顆粒中松木炭對無煙煤存在奪氧抑燃和協(xié)同促燃2 種影響。松木炭結構疏松，不僅有利于氧氣向碳表面的擴散和吸附，也有利于反應物的擴散；但松木炭燃燒產(chǎn)生的灰分附著在無煙煤表面，抑制焦炭的氣固反應，使無煙煤與氧氣的反應面積減少。具體表現(xiàn)如下：當松木炭摻混比例較小時，松木炭快速燃燒釋放熱量，且無煙煤奪氧充分，此時松木炭對無煙煤的燃燒有促進作用；當松木炭摻混比增大時，對氧氣的奪取能力明顯增強，使無煙煤無法充分燃燒，平均溫度降低，溫度波動幅度增大。

煙煤與無煙煤的混合燃料顆粒燃燒平均溫度隨時間的變化情況如圖7(b)所示。當煙煤摻混比為70%時，在72 s時平均溫度驟升，但溫度仍比煙煤摻混比為50%和30%時的低，其主要原因是在燃燒過程中，灰分隨著燃燒的進行而逐漸覆蓋在顆粒燃燒表面，進一步抑制了燃燒。當煙煤摻混比為50%時，平均溫度先上升后下降，其主要原因是無煙煤熱值高，但灰分慢慢堆積覆蓋在焦炭表面，阻礙了無煙煤的燃燒，因此，出現(xiàn)了溫度下降的現(xiàn)象。當煙煤摻混比為30%時，平均溫度隨時間略有浮動，但維持在1 230 K 附近，燃燒較穩(wěn)定。

綜上所述，在70%摻混比時，摻混煙煤和松木炭均使混合燃料顆粒的燃燒平均溫度出現(xiàn)了驟升現(xiàn)象，整體溫度波動幅度大，燃燒不穩(wěn)定。在50%摻混比時，摻混煙煤雖然對無煙煤的燃燒有促進作用，但在一段時間后會出現(xiàn)溫度下降現(xiàn)象；摻混松木炭的燃燒速率最大，但平均溫度不高。在30%摻混比時，摻混煙煤和摻混松木炭的混合燃料顆粒的平均溫度最高，且燃燒溫度波動幅度最小，燃燒穩(wěn)定。因此，松木炭與無煙煤最佳摻混比為30%。

3 結論

1)松木炭和煙煤都具有提高混合燃料顆粒的燃燒速率的能力，但松木炭水分含量高，導致燃燒平均溫度較低；煙煤灰分含量高，燃燒過程中覆蓋在燃燒顆粒表面，抑制了燃燒并延長了整體燃燒時間。

2)在70%摻混比下，摻混松木炭和煙煤的混合燃料顆粒的燃燒平均溫度均出現(xiàn)了驟升現(xiàn)象，燃燒不穩(wěn)定。其主要原因是在揮發(fā)分燃燒階段，混合燃料顆粒熱解析出的揮發(fā)分率先與氧氣接觸并充分燃燒，直至揮發(fā)分不足，焦炭逐漸充分燃燒，顆粒表面平均溫度才逐漸升高。

3)在不同摻混比下，松木炭對無煙煤存在奪氧抑燃和協(xié)同促燃2種影響，且當松木炭摻混比為30%時，協(xié)同促燃效果最好，從而使混合燃料顆粒的平均溫度最高，燃燒溫度波動幅度最小。因此，松木炭最佳摻混比為30%。