松木炭与无烟煤掺混燃烧特性

郑树，王岩，李登科，赵晨，张轩铭，才伟光，陆强

(1.华北电力大学 新能源发电国家工程研究中心，北京，102206；2.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京，102206)

随着全球环保意识的逐渐增强，我国提出“碳达峰、碳中和”号召，煤炭资源的清洁高效利用和寻找替代燃料已成为当今重要研究方向。高炉喷吹是炼钢的主要方式，其燃料以一定比例混合的无烟煤与烟煤[1-3]。无烟煤的固定碳含量高，烟煤的挥发分含量高，两者以一定比例掺混得到的混合燃料具有易燃烧、高热值的优点[4-5]。然而，这种混合燃料在燃烧过程中排放的大量二氧化碳阻碍我国绿色、可持续发展[6-7]。生物炭作为一种绿色可再生能源，广泛应用于工业生产的各个领域[8-10]，不仅具有较高的挥发分含量，而且几何结构疏松，在挥发分含量相同的情况下，生物炭比烟煤的着火温度更低。因此，将生物炭等质量替代烟煤并与无烟煤进行混合，这是一种极具潜力的减排方案[11-15]。

近年来，国内外开展了大量关于将生物炭替代煤炭用于燃烧的实验[16-18]。郑伟成等[19]研究了生物炭用于高炉喷吹的可行性，发现玉米秸秆、无花果和桦木等生物炭具有与煤粉几乎相同的固定碳含量和热值，且燃烧反应性更好。谭洪等[20]发现相比于农作物类生物炭，木质类生物炭具有更高的热值。TOLOUE 等[21]发现在500 ℃下制备的桦木炭的固定碳含量与喷吹煤粉最接近。因此，生物炭替代部分煤炭作为高炉喷吹燃料理论上完全可行，且木质类生物炭比农作物类生物炭具有更好的燃烧特性。

在生物炭与无烟煤共燃过程中，氧气体积分数、生物炭的颗粒形状和掺混质量比等因素对混合燃料的燃烧特性都有重要影响。WANG 等[22]发现与球形颗粒相比，圆柱形颗粒的燃烧时间更短，且混合颗粒物在燃烧过程中整体温度模拟结果比计算值高18 K，即存在协同效应。WIJAYANTA等[23]基于数值模拟方法，研究了氧气体积分数对橡木炭在高炉回旋管内燃烧的影响，发现氧气体积分数从23%增加到27%，橡木炭的燃烧效果提升。刘竹林等[24]基于差热分析法，研究了花生壳炭、玉米秸秆炭分别与无烟煤以不同质量比混合的喷吹燃料的燃烧性能，发现当上述2种生物炭分别与煤粉的质量比为3:7时，混合燃料的着火点更低，燃烧性能显著提高。

目前，关于生物炭用于高炉喷吹性能影响的研究多集中在采用热重分析法来研究整个燃烧过程，缺乏关键的各燃烧阶段温度场分析。图像测温法是一种非接触测温方法，不破坏火焰结构，仅依据火焰自身辐射信息，能够得到实时温度场[25-26]。生物炭在与无烟煤混合燃烧过程中存在协同效应[27]，通过图像测温法得到的实时温度场能够提供更充分的数据。基于此，本文首先将松木炭与无烟煤以不同质量比掺混得到混合燃料颗粒，同时用烟煤替换松木炭作对比；然后，基于图像测温法测量混合燃料颗粒的燃烧温度场、平均温度和燃烧时间；最后，对比不同质量比的混合燃料颗粒的燃烧特性，得到了松木炭与无烟煤的最佳掺混质量比。

1 实验装置及方法

1.1 混合燃料颗粒

在500 ℃热解温度下，得到的松木炭中的氧元素基本被脱除，且具有较高热值和一定的挥发分含量，与无烟煤和烟煤均有较大不同[28]。因此，选取松木作为本次燃烧实验制备松木炭的原料，并在500 ℃热解温度下通过快速热解法得到松木炭。其制备过程为：将松木切分为边长为1 cm 的立方块，在惰性气氛(热解管内充满高纯度氮气)下将松木块加热至500 ℃并保持20 min，得到松木炭。

选取松木炭、山西阳泉无烟煤、灵石烟煤作为研究对象，3 种物质的工业分析和热值如表1所示。与烟煤相比，松木炭具有水分含量高，灰分含量低，挥发分与固定碳较高的特点。为研究松木炭与无烟煤混合的最佳配比，首先将松木炭、烟煤和无烟煤分别研磨成粒径在1 mm以下的固体粉末；其次，将松木炭和烟煤以30%、50%和70%的质量比例分别与无烟煤混合放入模具中，以5 MPa 压力压制成直径和高度均为1 cm 的圆柱形混合燃料颗粒；最后，将混合燃料颗粒在室温下干燥定形，其中烟煤和无烟煤制得的混合燃料颗粒作为对照组。

表1 松木炭、烟煤、无烟煤工业分析和热值Table 1 Proximate analysis and calorific value of pine char,bituminous coal and anthracite coal

1.2 图像测温系统和原理

混合燃料颗粒燃烧图像测温系统如图1所示。该系统由热电偶、本生灯和CMOS 相机组成。热电偶为K 型热电偶，用于测量混合燃料颗粒燃烧有效温度，最高测温可达1 300 ℃，响应时间为2.1 s。本生灯内燃料为气态丁烷，燃烧时丁烷流量为0.936 L/min，火焰为无光高温火焰。将混合燃料颗粒放置于本生灯500 ℃的燃烧火焰内，用于模拟高炉内高温环境。CMOS 相机用于采集混合燃料颗粒燃烧发射的辐射信息。

图1 测温系统图Fig.1 Schematic of temperature measurement system

图像测温系统能够检测到红(R)、绿(G)、蓝(B)三通道的辐射信号，辐射信号经过模数转换输出为响应值。响应值不仅与研究对象辐射信息有关，还与曝光时间、量程等相机参数有关，无法用于温度计算。因此，需要标定响应值，得到实际辐射强度。

根据普朗克定律，物体在波长λ处发射的辐射强度取决于物体的发射率ε(λ)和温度T：

式中：λ为波长，m；I(λ，T)为实际光谱辐射强度，W/m3；ε(λ)为光谱发射率；C1=3.742×10-16W·m2，为第一辐射常数；C2=1.438 8×10-2m·K，为第二辐射常数；Ib(λ，T)为黑体光谱辐射强度。

基于式(1)，采用黑体炉对CMOS 相机进行标定，图2所示为IR和IG黑体辐射强度随R和G响应值的变化曲线，将图像测温系统测得的温度和发射率与黑体炉的设定值进行比较，结果如表2所示。温度和发射率的最大相对误差分别为0.28%和2%，因此，标定准确可靠。由于火焰图像采集的数据受环境因素影响，响应值存在测量误差，因此，选取R 通道亮度为30～255 的像素点，取其平均温度定义为有效温度。

图2 CMOS相机标定曲线Fig.2 CMOS calibration curve

根据灰体假设[29]，并基于双色法测温原理，混合燃料颗粒表面温度计算公式为

式中：T为混合燃料颗粒表面温度，K；λR=6.1×10-7m；λG=5.35×10-7m；IR(λR，T)和IG(λG，T)分别为R和G通道实际光谱辐射强度。

2 实验结果

2.1 混合燃料颗粒燃烧特性

2.1.1 松木炭与无烟煤掺混燃烧速率

图3所示为无烟煤与松木炭以不同质量比掺混得到的混合燃料颗粒在丁烷火焰下燃烧的时间流程图。在点火过程中，混合燃料颗粒被迅速置于本生灯火焰中心均匀受热；在挥发分燃烧阶段，混合燃料颗粒在火焰中加热，挥发性物质释放并被点燃，在远离颗粒表面的地方形成了明亮的火焰层；在焦炭燃烧阶段，混合燃料颗粒上方的火焰全部熄灭，而颗粒发出明亮的光，燃烧即将结束时，炭表面逐渐变暗。

不同松木炭掺混比下混合燃烧颗粒各阶段燃烧时间如表3所示。由表3可知：松木炭掺混比例为30%、50%与70%时，混合燃料颗粒的挥发分燃烧时间分别为82、51 和53 s，这是因为松木炭的着火点低，挥发分含量高，增大松木炭的掺混比例可促进无烟煤燃烧，提高燃烧速率。

表3 不同松木炭掺混比下混合燃烧颗粒各阶段燃烧特征Table3 Burning characteristics of mixed combustion pellets at different pine charcoal blending ratios for each stage of combustion

对于混合燃料颗粒的焦炭燃烧时间，当松木炭的掺混比例为70%，松木炭先与氧气接触，从而使无烟煤燃烧时的氧气体积分数减少，但松木炭挥发分含量高，从而提高了无烟煤燃烧速率。当松木炭的掺混比例为30%时，挥发分含量较低，但松木炭含量少，无烟煤燃烧时仍有充足氧气，此时松木炭和无烟煤燃烧协同作用促进了无烟煤燃烧。

2.1.2 烟煤与无烟煤掺混燃烧速率

图4所示为无烟煤与烟煤以不同质量比掺混得到的混合燃料颗粒在丁烷火焰下燃烧的时间流程图。不同烟煤掺混比下混合燃料颗粒各阶段燃烧时间如表4所示。在烟煤掺混比例为30%时，混合燃料灰分含量低、有利于燃烧，因此，烟煤的挥发分可以有效促进无烟煤燃烧。在烟煤掺混比例为50%时，在挥发分燃烧阶段，较低的挥发分含量和较高的灰分含量导致挥发分热解析出困难，挥发分燃烧时间增加；在焦炭燃烧阶段，较高的灰分阻碍了燃烧，此时无烟煤的挥发分与灰分对燃烧的消极作用最强。

图4 不同烟煤掺混比混合燃料颗粒着火燃烧的时序图Fig.4 Timing diagram of ignition and combustion of mixed fuel particles with different blending ratios of bituminous coal

表4 不同烟煤掺混比下混合燃烧颗粒各阶段燃烧特征Table 4 Combustion characteristics of various stages of mixed combustion pellets with different blending ratios of bituminous coal

烟煤掺混比例为70%时，挥发分快速且充分燃烧也加快了焦炭燃烧，使整体燃烧时间较短。因此，在焦炭燃烧阶段，对比相同掺混比的松木炭，掺混烟煤的混合燃料颗粒的焦炭燃烧时间更长，这表明松木炭疏松的几何结构在增大燃烧速率方面比烟煤更具优势，且烟煤中较高的灰分覆盖了颗粒表面，抑制了燃烧，降低反应区域的氧气体积分数，掺混烟煤的燃烧速率均比掺混松木炭的低。

2.2 混合燃料颗粒的燃烧温度分布变化

2.2.1 松木炭与无烟煤掺混燃烧温度分布

不同松木炭掺混比的混合燃料颗粒在各个阶段的燃烧温度分布如图5所示。松木炭的掺混比例为30%、50%和70%时，混合燃料颗粒在挥发分燃烧阶段的最高温度分别为1 263、1 252 和1 236 K。显然，随着松木炭掺混比例增加，挥发分燃烧阶段的最高温度逐渐降低，其主要原因是松木炭含有较高的水分。在松木炭的掺混比例为30%时，混合燃料颗粒的整体燃烧速率最小，但最高温度与平均温度相差最小，燃烧最稳定，松木炭与无烟煤的协同效应较好。

图5 不同阶段松木炭与无烟煤混合燃料颗粒燃烧温度云图Fig.5 Cloud diagram of combustion temperature of pine charcoal and anthracite blended fuel pellets at different stages of combustion

2.2.2 烟煤与无烟煤掺混燃烧温度分布

不同烟煤掺混比的混合燃料颗粒在各个阶段的燃烧温度分布如图6所示。烟煤掺混比例为30%、50%和70%的混合燃料颗粒在挥发分燃烧阶段的最高温度分别为1 291、1 314 和1 290 K，均高于松木炭掺混时的最高温度。其主要原因是烟煤挥发分含量更高，水分含量更少，在局部燃烧区域内充分燃烧可达到更高的燃烧温度。然而，烟煤具有较高含量的灰分，在烟煤掺混比例为70%时，灰分逐渐覆盖在燃烧颗粒表面，抑制了燃烧，从而使该掺混比下的挥发分燃烧阶段的最高温度降低。

图6 不同阶段烟煤与无烟煤混合燃料颗粒燃烧温度云图Fig.6 Combustion temperature cloud of bituminous coal and anthracite blended fuel pellets at different stages

当烟煤掺混比例为30%、50%和70%时，混合燃料颗粒在焦炭燃烧阶段的最高温度与平均温度之差分别为139、201和227 K。对比松木炭掺混可知，掺混烟煤后混合燃料颗粒最高温度与平均温度的温差更大，其主要原因是灰分的影响大于水分的影响，且松木炭结构疏松，与无烟煤混合后混合燃料颗粒与氧气的接触面积较大，更容易充分燃烧；同时，挥发分析出可增加燃料颗粒的孔隙，但烟煤中的灰分覆盖在孔隙之间会减弱与氧气的反应效果。因此，在相同掺混比下，松木炭与无烟煤的混合燃料颗粒的燃烧速率更大，但整体温度略低。

2.3 混合燃料颗粒燃烧有效温度随时间变化

不同掺混比松木炭与无烟煤的混合燃料颗粒燃烧平均温度随时间的变化如图7(a)所示。当松木炭掺混比为30%时，无烟煤起主要作用，混合燃料颗粒稳定燃烧放热，温度波动幅度小。相较于松木炭掺混比为30%时，当松木炭掺混比为50%时的平均温度整体下降，且温度波动幅度也增大。当松木炭掺混比为70%时，在焦炭燃烧阶段松木炭率先燃烧并与大部分氧气接触燃烧，但燃烧温度低，直至无烟煤充分与氧气接触，燃烧平均温度显著提高，此时温度波动幅度最大。不同松木炭和烟煤掺混比下混合燃料燃烧最终平均温度分别如表3 和表4所示，当松木炭掺混比为30%时，最终平均温度最高。

图7 混合燃料颗粒有效温度随时间变化Fig.7 Effective temperature of blended fuel pellets with time

因此，混合燃料颗粒中松木炭对无烟煤存在夺氧抑燃和协同促燃2 种影响。松木炭结构疏松，不仅有利于氧气向碳表面的扩散和吸附，也有利于反应物的扩散；但松木炭燃烧产生的灰分附着在无烟煤表面，抑制焦炭的气固反应，使无烟煤与氧气的反应面积减少。具体表现如下：当松木炭掺混比例较小时，松木炭快速燃烧释放热量，且无烟煤夺氧充分，此时松木炭对无烟煤的燃烧有促进作用；当松木炭掺混比增大时，对氧气的夺取能力明显增强，使无烟煤无法充分燃烧，平均温度降低，温度波动幅度增大。

烟煤与无烟煤的混合燃料颗粒燃烧平均温度随时间的变化情况如图7(b)所示。当烟煤掺混比为70%时，在72 s时平均温度骤升，但温度仍比烟煤掺混比为50%和30%时的低，其主要原因是在燃烧过程中，灰分随着燃烧的进行而逐渐覆盖在颗粒燃烧表面，进一步抑制了燃烧。当烟煤掺混比为50%时，平均温度先上升后下降，其主要原因是无烟煤热值高，但灰分慢慢堆积覆盖在焦炭表面，阻碍了无烟煤的燃烧，因此，出现了温度下降的现象。当烟煤掺混比为30%时，平均温度随时间略有浮动，但维持在1 230 K 附近，燃烧较稳定。

综上所述，在70%掺混比时，掺混烟煤和松木炭均使混合燃料颗粒的燃烧平均温度出现了骤升现象，整体温度波动幅度大，燃烧不稳定。在50%掺混比时，掺混烟煤虽然对无烟煤的燃烧有促进作用，但在一段时间后会出现温度下降现象；掺混松木炭的燃烧速率最大，但平均温度不高。在30%掺混比时，掺混烟煤和掺混松木炭的混合燃料颗粒的平均温度最高，且燃烧温度波动幅度最小，燃烧稳定。因此，松木炭与无烟煤最佳掺混比为30%。

3 结论

1)松木炭和烟煤都具有提高混合燃料颗粒的燃烧速率的能力，但松木炭水分含量高，导致燃烧平均温度较低；烟煤灰分含量高，燃烧过程中覆盖在燃烧颗粒表面，抑制了燃烧并延长了整体燃烧时间。

2)在70%掺混比下，掺混松木炭和烟煤的混合燃料颗粒的燃烧平均温度均出现了骤升现象，燃烧不稳定。其主要原因是在挥发分燃烧阶段，混合燃料颗粒热解析出的挥发分率先与氧气接触并充分燃烧，直至挥发分不足，焦炭逐渐充分燃烧，颗粒表面平均温度才逐渐升高。

3)在不同掺混比下，松木炭对无烟煤存在夺氧抑燃和协同促燃2种影响，且当松木炭掺混比为30%时，协同促燃效果最好，从而使混合燃料颗粒的平均温度最高，燃烧温度波动幅度最小。因此，松木炭最佳掺混比为30%。