低氧稀释条件下不同煤种着火燃烧特性实验研究

李国栋， 张廷尧， 曾柱楷， 周月桂

(1.上海交通大学 中英国际低碳学院，上海 201306；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，热能工程研究所，上海 200240)

低氧稀释(Moderate and Intense Low Oxygen Dilution, MILD)燃烧是一种能够同时提高燃烧效率和降低NOx排放的新型燃烧模式[1]。该技术通过提高氧化剂射流或燃料射流的速度使炉膛内形成强烈的烟气内循环，燃料和氧化剂被回流的高温烟气高度稀释，燃烧反应区扩大，燃烧反应速率减小，炉膛内峰值温度降低，温度分布更加均匀[2]。MILD富氧燃烧技术是将MILD燃烧技术与富氧燃烧技术相结合，不仅能够提高燃烧效率，降低NOx等污染物的排放水平，还有利于CO2的捕集和封存，是新一代的富氧煤粉燃烧技术[3]。

目前，许多学者开展了MILD燃烧和富氧燃烧特性的研究。Abtahizadeh等[4-5]研究了预热氧化剂和利用N2稀释燃料对CH4层流燃烧的影响，结果表明预热氧化剂和利用N2稀释燃料均有利于提高反应区温度分布的均匀性，在氧气体积分数为3.6%、氧化剂预热温度为1 530 K、燃料稀释度为83%的条件下，实现了CH4层流MILD燃烧。Dally等[6]研究了不同氧气质量分数(3%～9%)条件下CH4与H2混合燃烧的火焰结构，在射流雷诺数相同的条件下，随着氧气质量分数的减小，着火距离增大，火焰趋于透明，温度分布更加均匀。Li等[7]研究了天然气、液化石油气和乙烯在O2/N2和O2/CO2气氛下的MILD燃烧特性，结果表明相比O2/N2气氛，O2/CO2气氛下燃料燃烧的反应区更大，温度分布更加均匀。相比气体燃料，煤粉燃烧涉及气-固两相流反应，燃烧过程更加复杂。Rezaei等[8]对比了犹他Skyline烟煤和伊利诺伊斯6号烟煤在O2/CO2气氛下湍流扩散燃烧的煤粉着火特性和火焰稳定性，结果表明2种成分相似的同阶煤，由于化学性质和结构不同，其着火特性和火焰稳定性也不同，当二次风预热至420 ℃时，伊利诺伊斯6号烟煤的火焰稳定性明显优于犹他Skyline烟煤。Shaddix等[9]研究了O2/N2和O2/CO2下氧气体积分数对匹斯堡烟煤着火时间和挥发分释放的影响，结果表明与O2/N2气氛相比，煤粉颗粒在O2/CO2气氛下的着火时间更长，挥发分释放速率更慢，在相同气氛下随着O2体积分数增大，煤粉颗粒的挥发分释放速率加快，着火时间变短。Zhang等[10]设计了带有预热室的煤粉燃烧器，通过回流的高温烟气预热可燃混合物，实现了无烟煤的MILD燃烧。Saha等[11]通过实验研究了射流雷诺数对褐煤煤粉在MILD燃烧模式下挥发分释放和焦炭反应的影响，结果表明高雷诺数下挥发分释放速率更快，但焦炭整体消耗速率减小，有利于实现煤粉的MILD燃烧。Yuan等[12]研究了褐煤和烟煤煤粉颗粒的着火模式，结果表明在高温低氧条件下烟煤发生均相着火，其着火特征时间比褐煤短2～4 ms。

上述研究表明，煤种对MILD燃烧模式下煤粉着火和燃烧特性具有重要影响。笔者选取不同挥发分质量分数的神木西烟煤、长平贫煤和济源无烟煤，在平面火焰煤粉燃烧实验系统上研究了3种煤的煤粉在低氧稀释条件、O2/CO2气氛中的着火和燃烧特性，获取并分析了不同燃烧条件下煤粉火焰形态、着火距离、煤粉颗粒温度和颗粒温度波动系数，并利用颗粒温度波动系数来评价煤粉燃烧时颗粒温度分布的均匀性，进而判断不同煤种的煤粉实现MILD燃烧的难易程度，为MILD富氧燃烧技术的开发和数值模型的验证提供了基础实验数据。

1 实验系统和测量方法

1.1 平面火焰煤粉燃烧实验系统

图1为平面火焰煤粉燃烧实验系统示意图，主要包括Hencken燃烧器、给粉系统、配气系统和测量系统。CO和少量用于稳燃的CH4从燃料腔通入毛细管，其中CH4的体积流量恒定为0.2 L/min，O2和CO2在氧化剂腔混合后通入其余蜂窝孔，在燃烧器出口形成均匀稳定的平面扩散火焰。一次风携带煤粉从中心管喷出，在一定温度和氧气体积分数的热协流环境中燃烧。燃烧器出口装有光学石英玻璃罩以避免外部空气对火焰的干扰，同时便于火焰光学测量。Hencken燃烧器的结构和尺寸见文献[13]。通过调节热协流气体流量，为煤粉燃烧提供温度为1 473～1 873 K、氧气体积分数φ(O2)为5%～20%的热协流环境。表1为各实验工况的气体体积流量。在通入煤粉前先对燃烧器出口轴向高度上的热协流温度和氧气体积分数进行测量，结果如图2所示。测量结果表明，燃烧器出口轴向高度1～20 cm内氧气体积分数波动小于1%，温降小于120 K，可以认为氧气体积分数和温度分布比较均匀，能够为中心煤粉射流的燃烧提供稳定的燃烧环境。

图1 平面火焰煤粉燃烧实验系统示意图

(a)温度分布

表1 实验工况

所选3种煤的工业分析见表2。其中，神木西烟煤的挥发分质量分数最高，为21.44%，长平贫煤的挥发分质量分数为8.60%，挥发分质量分数最低的是济源无烟煤，为4.56%。煤粉粒径为63～75 μm，给粉速率为0.1 g/min，煤粉颗粒被体积流量为0.4 L/min的CO2携带并经中心管喷出，气流速度为1.6 m/s。

表2 不同煤种的工业分析

1.2 颗粒温度计算方法

根据普朗克定律，物体在温度为T、波长为λ时的辐射强度I(λ,T)为：

(1)

式中：ε(λ)为物体的单色辐射率；h为普朗克常数；k为玻耳兹曼常数；c为光速。

当物体温度为800～2 000 K，波长为300～1 000 nm时，由于ehc/λkT远大于1，普朗克定律可简化为维恩定律：

(2)

假设煤粉颗粒为灰体[14]，在同一温度下根据式(2)取2个不同波长(λ1和λ2)对应的辐射强度的比值，整理后可以计算出煤粉颗粒的温度：

(3)

式中：c2为第二辐射常数。

实验前采用标准黑体炉对Avaspec-ULS2048XL型光纤光谱仪进行标定，标定后采用双色法计算得到的颗粒温度最大标准误差为86 K，相对误差为4.6%，大部分测点的颗粒温度相对误差小于2.5%，标定后的光纤光谱仪能很好地用于测量煤粉颗粒温度。实验中采用光纤光谱仪测量煤粉燃烧火焰的辐射光谱，并利用双色法计算得到煤粉颗粒温度。

2 结果与分析

2.1 煤粉燃烧火焰图像

采用CMOS相机拍摄了不同工况下煤粉燃烧火焰图像。为了更清晰地捕捉煤粉火焰，CMOS相机曝光时间、光圈值和感光度分别设置为1/100 s、14和500。图3给出了热协流温度为1 673 K、氧气体积分数为5%～20%条件下的煤粉燃烧火焰图像。一次风携带煤粉从中心管射出后形成稳定燃烧的煤粉火焰。从图3可以发现，对于同一煤种的煤粉燃烧，当氧气体积分数从20%减小至5%时，煤粉火焰长度增加5 cm左右，根据阿伦尼乌斯定律可知，这是由于在较低氧气体积分数条件下煤粉燃烧反应速率减小，燃尽时间增加。随着氧气体积分数的减小，煤粉火焰亮度减弱。当氧气体积分数从20%减小至5%时，神木西烟煤煤粉火焰从亮黄色变为暗红色，燃烧反应速率变慢，火焰亮度减弱。对于不同煤种，由于高挥发分质量分数有助于煤粉燃尽，随着挥发分质量分数的增大，煤粉火焰长度变短。在1 673 K热协流温度、5%氧气体积分数条件下，神木西烟煤、长平贫煤和济源无烟煤的火焰长度依次为24 cm、35 cm和40 cm。

5%φ(O2)

2.2 煤粉着火距离

将实验中煤粉火焰中心轴线处光强值达到光强峰值20%时的位置定义为煤粉颗粒的着火位置[15]，并由此计算出煤粉着火距离。为了减小煤粉火焰波动对实验结果的影响，每组工况连续拍摄100张煤粉火焰图像，使用Matlab软件转化为灰度图像后，计算得到煤粉在O2/N2和O2/CO2气氛下的着火距离，分别如图4(a)和图4(b)所示。

(a)O2/N2气氛

对于同一煤种，由于在低氧稀释条件下氧气扩散速率减小，煤粉异相反应受到抑制，煤粉着火距离随着氧气体积分数的减小而变长。以神木西烟煤煤粉在O2/CO2气氛中的燃烧为例，热协流温度为1 673 K时，随着氧气体积分数从20%减小至5%，煤粉着火距离从2.48 cm增加至2.95 cm；随着热协流温度的升高，煤粉着火距离变短，在5%氧气体积分数条件下，随着热协流温度从1 473 K提高至1 873 K，神木西烟煤煤粉着火距离从3.93 cm缩短至2.01 cm，这是因为随着热协流温度的升高，热协流对煤粉的加热速率也增大，有助于促进煤粉着火。

对于不同煤种，在O2/N2气氛下，3种煤的煤粉着火距离从长至短依次为济源无烟煤、长平贫煤和神木西烟煤，说明在O2/N2气氛下着火延迟距离随着挥发分质量分数的增大而减小，挥发分有助于促进煤粉着火。在O2/CO2气氛下，由于O2在CO2中的质量扩散系数比在N2中低约20%～25%[16-17]，所以O2/CO2气氛抑制了氧气向煤粉颗粒表面扩散，3种煤的煤粉着火距离均有所增加，神木西烟煤的着火距离增幅约为0.50～1.10 cm，而长平贫煤着火距离增幅约为0.05～0.70 cm，导致当热协流温度为1 473 K和1 673 K、氧气体积分数为5%～20%以及热协流温度为1 873 K、氧气体积分数为5%～10%时，神木西烟煤的煤粉着火距离大于长平贫煤。这主要是因为CO2的密度和摩尔热容显著高于N2，且挥发分在CO2中的质量扩散系数较在N2中更低，相比于O2/N2气氛，在O2/CO2气氛下挥发分的释放和扩散速率较慢，所以在O2/CO2气氛下挥发分对着火的影响减弱，且煤粉挥发分质量分数越高减弱幅度越大，神木西烟煤由于挥发分质量分数高达21.44%，显著高于长平贫煤，所以着火距离增幅较大。在热协流温度为1 873 K、氧气体积分数从10%增大至20%时，神木西烟煤煤粉着火距离由1.56 cm减小至0.89 cm，此时神木西烟煤的煤粉着火距离变为最短，这是因为高挥发分烟煤在高温、高氧气体积分数条件下均相反应速率增大，着火距离大幅缩短[12]。

2.3 煤粉颗粒温度

图5为热协流温度为1 673 K、氧气体积分数为20%条件下燃烧器出口轴向高度上煤粉颗粒温度分布。由图5可知，煤粉颗粒温度在经历快速上升后，逐渐平稳而后缓慢下降。在燃烧器出口轴向高度9～15 mm内长平贫煤煤粉颗粒温度比神木西烟煤高，主要是因为长平贫煤的固定碳质量分数比神木西烟煤高，且挥发分质量分数也相对较低，长平贫煤煤粉颗粒燃尽速率相对较慢，火焰更长；而神木西烟煤固定碳质量分数低，燃尽时间和火焰长度较短。所以在距离燃烧器出口9～15 mm内，神木西烟煤燃烧时的煤粉颗粒温度下降较快。在相同位置处长平贫煤燃烧时的煤粉颗粒温度下降较缓，因此比神木西烟煤煤粉颗粒温度高。

图5 1 673 K时20%氧气体积分数条件下煤粉颗粒温度分布

以煤粉火焰沿程14个测点的颗粒温度平均值为煤粉颗粒平均温度，图6给出了3种煤的煤粉颗粒平均温度随热协流温度和氧气体积分数的变化。对于同一煤种，煤粉颗粒平均温度随着热协流温度的升高和氧气体积分数的增大而升高，主要是因为热协流温度升高和氧气体积分数增大加快了反应速率，使热量更快释放从而提高了煤粉颗粒平均温度。对于不同煤种，神木西烟煤的煤粉颗粒平均温度最高，其次是长平贫煤，济源无烟煤的煤粉颗粒平均温度最低，这主要是由于煤发热量的影响。神木西烟煤、长平贫煤和济源无烟煤的发热量依次为23.137 MJ/kg、25.004 MJ/kg和20.362 MJ/kg。由于济源无烟煤的发热量最低，所以其煤粉颗粒平均温度最低；长平贫煤的发热量略高于神木西烟煤，但是由于神木西烟煤挥发分质量分数较高，燃烧速率和热量释放较快，所以神木西烟煤煤粉颗粒平均温度较高。当热协流温度为1 473 K时，神木西烟煤与济源无烟煤的煤粉颗粒平均温度差异较大，两者温差为90～130 K。而随着热协流温度的提高，不同煤种之间的颗粒平均温度差异逐渐减小，当热协流温度升高至1 873 K时，颗粒平均温度相差仅为14～80 K。这说明通过提高煤粉燃烧所处的环境温度可以提高低发热量煤在燃烧过程中的整体温度，在一定程度上能够弥补煤粉因发热量低而造成的燃烧特性差的缺陷。

图6 不同热协流条件下煤粉颗粒平均温度

2.4 煤粉颗粒温度波动系数

采用燃烧器出口沿程煤粉颗粒温度波动系数σ来评价煤粉燃烧温度空间分布的均匀性[18]，其定义为：

(4)

煤粉颗粒温度波动系数越小，表示燃烧温度分布越均匀。

图7给出了不同热协流条件下煤粉颗粒温度波动系数。对于同一煤种，在相同热协流温度下，随着氧气体积分数的减小，煤粉颗粒温度波动系数逐渐减小，在热协流温度为1 673 K条件下，当氧气体积分数从20%减小至5%时，神木西烟煤的煤粉颗粒温度波动系数从3.6%减小至2.4%，长平贫煤从6.2%减小至5.1%，济源无烟煤从6.6%减小至5.8%，这说明低氧稀释条件下煤粉火焰沿程颗粒温度波动较小，燃烧温度分布更加均匀。在相同热协流温度和氧气体积分数条件下，随着煤粉挥发分质量分数的增大，煤粉颗粒温度波动系数逐渐减小，在热协流温度为1 473 K、5%氧气体积分数条件下，神木西烟煤、长平贫煤和济源无烟煤的煤粉颗粒温度波动系数分别为2.0%、6.4%和6.5%。与济源无烟煤相比，神木西烟煤的煤粉颗粒温度波动系数减小了70%，说明煤种的挥发分质量分数增大有助于提升煤粉颗粒温度分布的均匀性，从而有利于实现煤粉的MILD燃烧。

图7 不同热协流条件下煤粉颗粒温度波动系数

3 结 论

(1)在相同热协流温度下，随着氧气体积分数的减小，煤粉燃烧反应速率减小，火焰长度增加，火焰亮度减弱。随着煤粉挥发分质量分数的增大，煤粉颗粒燃尽时间和煤粉火焰长度缩短。

(2)在热协流温度为1 473～1 673 K、氧气体积分数为5%～20%以及热协流温度为1 873 K、氧气体积分数为5%～10%条件下，O2/CO2气氛下煤粉的着火距离从长至短依次为：济源无烟煤、神木西烟煤和长平贫煤。当热协流温度为1 873 K，氧气体积分数为20%时，神木西烟煤的煤粉着火距离最短。

(3)在相同热协流条件下，煤粉颗粒平均温度从高至低依次为神木西烟煤、长平贫煤和济源无烟煤。随着热协流温度升高，济源无烟煤与神木西烟煤的煤粉颗粒平均温度差值缩小，高温条件下有助于弥补煤粉因发热量低而造成的燃烧特性差的缺陷。

(4)在相同热协流温度和氧气体积分数条件下，随着挥发分质量分数的增大，煤粉燃烧的颗粒温度分布更加均匀，颗粒温度波动系数从高至低依次为济源无烟煤、长平贫煤和神木西烟煤。在低氧稀释条件下，神木西烟煤的煤粉颗粒温度波动系数比济源无烟煤低70%。挥发分质量分数较高的神木西烟煤更易于实现煤粉的MILD燃烧。