王學(xué)文，王乃繼，陳福仲，羅 偉，崔豫泓，趙振益

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100013;3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100013；4.濟(jì)南熱力集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250000；5.甘肅慶陽(yáng)市西峰城區(qū)熱力集團(tuán)有限公司，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引 言

燃燒器是使燃料和空氣以一定方式噴出混合燃燒裝置的統(tǒng)稱[1]，是實(shí)現(xiàn)燃料穩(wěn)燃和低氮的關(guān)鍵部件。根據(jù)燃料種類可分為燃煤、燃?xì)狻⑷加偷?種燃燒器，設(shè)計(jì)良好的燃燒器應(yīng)具有噪聲小、燃燒效率高、火焰穩(wěn)定等性能。煤粉燃燒器在使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生SO2、NOx等氣態(tài)污染物質(zhì)以及飛灰、固體殘?jiān)裙虘B(tài)污染物質(zhì)。國(guó)家環(huán)保部于2014年出臺(tái)了新建燃煤工業(yè)鍋爐的大氣排放標(biāo)準(zhǔn)[2]，重點(diǎn)地區(qū)顆粒物的排放不超過(guò)30 mg/m3，SO2、NOx不超過(guò)200 mg/m3，因此，融合空氣分級(jí)燃燒和煤粉濃縮理念，研發(fā)新型高效低氮煤粉燃燒器迫在眉睫。目前主要采用冷態(tài)試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬以及熱態(tài)試驗(yàn)研究等3種方法評(píng)價(jià)煤粉燃燒器的性能，包括燃燒效率、火焰穩(wěn)定以及低氮排放特性。

煤粉燃燒器的熱態(tài)試驗(yàn)研究一般在高溫下進(jìn)行，模擬真實(shí)煤粉顆粒的燃燒環(huán)境，獲得的數(shù)據(jù)對(duì)于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)高效、低污染的新型燃燒器，降低煤粉鍋爐污染物排放，研究煤粉工業(yè)鍋爐燃燒的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和清潔性等具有重要意義。文獻(xiàn)[3]對(duì)冷態(tài)試驗(yàn)研究方法進(jìn)行了研究梳理，但對(duì)熱態(tài)試驗(yàn)研究方法的研究較少，本文重點(diǎn)闡述煤粉燃燒器熱態(tài)試驗(yàn)相關(guān)研究方法。

目前煤粉燃燒器的熱態(tài)研究方法主要包括熱電偶測(cè)溫法、抽氣高溫測(cè)溫法、光譜法、水冷取樣法、灰示蹤法、光譜法以及化學(xué)溶液吸收法等，這些方法基于不同的原理獲得燃燒器的火焰溫度分布、煙氣組成以及煤粉鍋爐的燃燒進(jìn)程。本文介紹了目前煤粉燃燒器熱態(tài)的主要檢測(cè)手段，論述了各測(cè)試方法的基本原理及其存在的不足以及適用場(chǎng)所。

1 火焰溫度的測(cè)量

火焰溫度是煤粉燃燒過(guò)程的重要熱力學(xué)參數(shù)之一[4]，研究火焰溫度的測(cè)試技術(shù)，對(duì)煤粉燃燒器燃燒過(guò)程的理論基礎(chǔ)研究具有重要意義。煤粉燃燒器內(nèi)溫度及其分布的定量測(cè)定，對(duì)于了解其燃燒過(guò)程、燃燒流場(chǎng)和燃燒產(chǎn)物的內(nèi)在特性，建立合理的燃燒模型、進(jìn)行精確的計(jì)算機(jī)模擬分析具有重要的指導(dǎo)意義，以計(jì)算模擬分析替代具體的實(shí)物試驗(yàn)，可降低實(shí)物試驗(yàn)的成本及其可能帶來(lái)的危險(xiǎn)，加速新產(chǎn)品、新型號(hào)的開(kāi)發(fā)和使用。

火焰溫度的測(cè)量，按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式，熱電偶為典型的接觸式溫度計(jì)；非接觸式包括雙色高溫計(jì)、光譜法等。

1.1 熱電偶測(cè)溫法

熱電偶是測(cè)量火焰溫度較常用的測(cè)溫元件[5]，S型熱電偶(鉑銠10-鉑熱電偶)和K型熱電偶(鎳鉻-鎳硅熱電偶)[11-12]多應(yīng)用于煤粉燃燒器，其測(cè)量極限溫度分別為1 600 ℃和1 200 ℃。熱電偶的測(cè)量原理是利用塞貝克效應(yīng)，將不同導(dǎo)體的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，再通過(guò)電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)物質(zhì)的溫度。溫度差越大，產(chǎn)生的電信號(hào)越強(qiáng)，較強(qiáng)的電信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的溫度差。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量燃燒器內(nèi)高溫?zé)煔鉁?zhǔn)確度高、靈敏度高、測(cè)量響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量燃燒器內(nèi)高溫?zé)煔廨^便捷、直觀，但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其精確度下降，需要定期維護(hù)和誤差修正[5-6]。另外，對(duì)于測(cè)量燃燒器有限空間的溫度，熱電偶定點(diǎn)測(cè)量會(huì)對(duì)本身的氣流造成干擾，且只能獲得單點(diǎn)的溫度，若要同時(shí)獲得某個(gè)截面的溫度分布，必須移動(dòng)測(cè)量或同時(shí)布置多個(gè)熱電偶，但移動(dòng)測(cè)量時(shí)熱電偶極易損壞，多點(diǎn)布置熱電偶使增加設(shè)備成本。

熱電偶的分度表在冷端溫度0 ℃下測(cè)得，在測(cè)量燃燒器熱態(tài)環(huán)境溫度時(shí)，需要根據(jù)測(cè)量環(huán)境溫度的變化進(jìn)行誤差修正或補(bǔ)償。隨著對(duì)熱電偶測(cè)量氣流、火焰溫度研究的深入，許多學(xué)者分析了熱電偶測(cè)溫的誤差來(lái)源[7-9]，包括使用環(huán)境溫度梯度較大、火焰溫度波動(dòng)大以及輻射散熱等誤差。針對(duì)環(huán)境溫度變化大特點(diǎn)，可采用冷端溫度修正法或電勢(shì)補(bǔ)償法降低測(cè)量誤差。高溫下，輻射散熱帶來(lái)的誤差最顯著，最常用的降低輻射誤差的方法是Kaskan基于冷卻定律和熱輻射定律提出的輻射誤差修正方法[10]。

1.2 抽氣高溫測(cè)溫法

圖1 抽氣式測(cè)溫法示意Fig.1 Schematic diagram of gas extracting thermometry of hightemperature condition

抽氣高溫測(cè)溫法是測(cè)量火焰溫度僅次于熱電偶的檢測(cè)方法之一，其工作原理示意如圖1所示。采用單層或多層遮熱罩將熱電偶屏蔽，并進(jìn)行高速抽氣，以減小普通熱電偶測(cè)量所帶來(lái)的輻射熱損失，使對(duì)流傳熱成為熱電偶傳熱的主導(dǎo)形式，從而最大程度地減少測(cè)量誤差。抽氣高溫測(cè)溫法是在高速下將煙氣從固定有熱電偶的遮蔽套中抽出，以獲得煙氣真實(shí)溫度[4]。由熱電偶元件、遮熱套以及水冷抽氣套管組成，水冷套多采用3層同心不銹鋼制成，其長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境確定，抽氣熱電偶的外徑大小根據(jù)抽氣流量和水冷截面確定。

與普通熱電偶相比，抽氣高溫測(cè)溫法測(cè)量誤差較小、準(zhǔn)確度高，但存在以下誤差：① 傳導(dǎo)引起的誤差，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了達(dá)到高效率，會(huì)選用小直徑的熱電偶，導(dǎo)熱可忽略不計(jì)；② 速度引起的誤差，提高抽氣速度，有利于增加對(duì)流傳熱系數(shù)，以強(qiáng)化對(duì)流傳熱，減少誤差。但抽氣速度也有限制，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，工業(yè)爐內(nèi)氣速80 m/s時(shí)，當(dāng)抽氣速度為200 m/s時(shí)，熱電偶測(cè)量值與實(shí)際值的誤差小于3 ℃；抽氣速度為250 m/s時(shí)，其誤差小于5 ℃。一般情況下，測(cè)量600～1 500 ℃的煙氣時(shí)，抽氣速度為30～120 m/s[4]。抽氣速度過(guò)高(大于200 m/s)，由于氣流絕熱膨脹的影響，抽氣高溫測(cè)溫法的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?，使測(cè)量值偏低。另外，過(guò)高的抽氣速度時(shí)，由于蒸汽冷凝而堵塞管路，當(dāng)氣體含有較多顆粒時(shí)，在壓力引出管中易沉積較多的顆粒。同時(shí)，研究表明，由于受感元件的限制，只限于高溫短時(shí)間的測(cè)量,否則會(huì)降低材料壽命，影響測(cè)量準(zhǔn)確性[14]；另外，抽氣高溫測(cè)溫法操作復(fù)雜，配套設(shè)備較多，設(shè)備成本較高。方慶艷等[15]采用抽氣高溫測(cè)溫法對(duì)300 MW火焰鍋爐進(jìn)行測(cè)溫試驗(yàn)，得到燃燒器出口不同標(biāo)高(爐膛內(nèi))的溫度分布，研究煤粉氣流進(jìn)入爐膛后的燃燒特性。

1.3 光譜法

圖2 光譜法測(cè)溫示意Fig.2 Schematic diagram of temperature measurement by spectroscopy

光譜法是測(cè)量火焰溫度的最常見(jiàn)方法之一。光譜法原理示意如圖2所示，與熱電偶和抽氣式測(cè)溫法相比，光譜法是光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是基于CCD(電荷耦合器件)測(cè)溫技術(shù)和普朗克輻射定律，核心器件為彩色CCD，通常采用風(fēng)冷和水冷方式減少高溫火焰的熱輻射作用，具有壽命長(zhǎng)、耐灼傷、高清晰度等特點(diǎn)。其原理是通過(guò)彩色CCD將火焰光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)三基色原理以及計(jì)算機(jī)圖像處理軟件獲得燃燒器火焰的溫度場(chǎng)[16]。但光譜法的設(shè)備成本較高、操作復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CCD與計(jì)算機(jī)圖像處理相結(jié)合在溫度場(chǎng)測(cè)量方面做了大量研究，基于CCD的測(cè)溫技術(shù)主要包括單色法、雙色法、三色法。單色法利用高溫?zé)犭娕紝?shí)際測(cè)量燃燒器內(nèi)某一點(diǎn)的溫度，其他位置的灰度值通過(guò)與該參考點(diǎn)灰度值做比較獲得，單色法存在接觸法測(cè)溫的限制，而雙色法和三色法采用同一時(shí)刻、同一地點(diǎn)的信息，無(wú)需經(jīng)過(guò)比對(duì)即可得到測(cè)量結(jié)果[17]。但雙色法和三色法對(duì)火焰特性和CCD光譜特性作了一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)，這些假設(shè)與實(shí)際工況相差較大，從而造成較大的測(cè)量誤差。張玉杰等[18]根據(jù)煤粉燃燒的實(shí)際特性，對(duì)火焰特性和CCD光譜特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并在簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上進(jìn)行了校正，使測(cè)量結(jié)果與雙色高溫計(jì)的測(cè)量結(jié)果較相符，誤差在±5%左右。

表1分析對(duì)比了3種火焰溫度測(cè)量方法的優(yōu)劣，熱電偶測(cè)溫采用便捷、簡(jiǎn)單的儀器，但精確度不高，且只能同時(shí)單點(diǎn)測(cè)溫，對(duì)火焰擾動(dòng)較大；抽氣式高溫測(cè)溫準(zhǔn)確度較熱電偶高，但操作復(fù)雜，對(duì)氣流易造成干擾。光譜法有足夠的精確度，對(duì)火焰擾動(dòng)較小，可同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量，能進(jìn)行三維溫度場(chǎng)重建，但相較于前2種方法，其操作復(fù)雜、造價(jià)高。

表1 3種常見(jiàn)火焰溫度測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

2 氣體和固體的取樣與檢測(cè)

2.1 氣體和固體的取樣

取樣是從測(cè)量點(diǎn)提取具有代表性的混合物試樣，以便對(duì)其進(jìn)行分析。為了使樣品更具代表性，必須對(duì)煤粉燃燒火焰中濃度不可避免的波動(dòng)進(jìn)行跟蹤，除了各組成氣體分壓外，所取樣品必須保持原來(lái)的顆粒濃度和顆粒分布情況。

通常從煤粉火焰中提取的混合物均處于迅速演變的狀態(tài)下，包括煤粉熱解、各燃燒反應(yīng)等。為了保持原混合物的濃度，需要等速取樣，取樣時(shí)間至少在1 min以上，經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)取樣時(shí)間大于1 min時(shí)，所取混合物的平均濃度再現(xiàn)性較好，當(dāng)超過(guò)3 min時(shí)，所取混合物的平均分壓和平均濃度的結(jié)果更為理想[13]；另外需要“驟冷”，當(dāng)取樣槍在燃燒器或爐膛內(nèi)取樣時(shí)，氣流中包含尚在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，取樣管內(nèi)正在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)采取合適的冷卻方法，中止其進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。研究表明，將試樣冷卻至300 ℃時(shí)，氣體和煤粉顆粒即使在有氧條件下也停止反應(yīng)，一般冷卻3 ms即可達(dá)到300 ℃[4]。冷卻取樣法按照冷卻介質(zhì)可分為水冷取樣法、油冷取樣法、風(fēng)冷取樣法。由于水的比熱容相對(duì)較大，水冷取樣法是應(yīng)用最廣泛的取樣方法。

水冷取樣法是分析燃燒器內(nèi)煙氣實(shí)時(shí)成分的通用工具。水冷取樣管如圖3所示，鍋爐運(yùn)行時(shí)，燃燒器內(nèi)溫度為800～1 500 ℃，使一般低溫?zé)煔夥治鰞x無(wú)法測(cè)量其煙氣組分。而水冷式取樣法的優(yōu)點(diǎn)包括：① 將煙氣樣品降溫至煙氣分析儀適用的溫度;② 可將煙氣樣品極速驟冷，凍結(jié)其高溫下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，使樣品更能代表取樣點(diǎn)的成分；③ 可將煙氣分析儀測(cè)量不到的樣品轉(zhuǎn)移到他處收集起來(lái)以供測(cè)量，拓展了煙氣分析儀的使用范圍。在燃燒器運(yùn)行中，燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣組成和顆?？煞从尺\(yùn)行工況及其變化。通過(guò)測(cè)定的CO、H2等可燃?xì)怏w含量，可研究燃燒器以及爐膛的氣氛?qǐng)?；通過(guò)測(cè)定氮硫化合物、飛灰殘?zhí)康群浚浜蠠煔獾拿摿蛎撓?、除塵以及燃燒技術(shù)的升級(jí)。

圖3 水冷取樣法示意Fig.3 Schematic diagram of water-cooled sampling

楊玉[19]采用水冷式取樣法對(duì)600 MW電站鍋爐的低NOx旋流燃燒器火焰進(jìn)行研究，測(cè)量了燃燒器沿程煙氣組分，分析了該低NOx旋流燃燒器的低氮燃燒特性等。Ti等[20-21]采用水冷取樣法對(duì)不同工況下燃燒器和爐膛中的煙氣組成進(jìn)行了測(cè)定，分析了O2、CO2、CO、NOx濃度隨燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的變化，揭示了NOx的生成和還原機(jī)理，表明水冷取樣法可實(shí)現(xiàn)高溫下氣固兩相的準(zhǔn)確取樣，為煙氣各組分濃度場(chǎng)的測(cè)量和燃燒器燃燒特性的研究奠定基礎(chǔ)。

2.2 固體樣品檢測(cè)

煤粉燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量煤焦顆粒，其物理和化學(xué)性質(zhì)決定煤粉的燃燒特性，如幾何形狀、顆粒密度、孔隙結(jié)構(gòu)等均是煤粉顆粒燃燒過(guò)程中傳質(zhì)、傳熱的重要因素，影響燃燒器中煤的著火和燃燒等特性。另外，煤焦中含氮官能團(tuán)、含碳官能團(tuán)等含量和各化學(xué)元素的組成比例，均對(duì)煤粉的燃燒以及污染物的生成關(guān)系密切，固體樣品的檢測(cè)分析可為燃燒器的開(kāi)發(fā)定型提供依據(jù)。

2.2.1X射線光電子能譜分析(XPS)

XPS是測(cè)量煤焦固體顆粒含量的常用方法之一，其測(cè)量原理是用X射線輻射煤焦樣品，原子的核電子或價(jià)電子激發(fā)出，由于核電子結(jié)合能是元素的特征，通過(guò)測(cè)量被激發(fā)出的光電子結(jié)合能確定元素的氧化狀態(tài)或結(jié)合能，以結(jié)合能Ek為橫坐標(biāo)、相對(duì)強(qiáng)度(脈沖1 s)為縱坐標(biāo)，含氮官能團(tuán)含量由其面積分?jǐn)?shù)來(lái)確定。XPS可測(cè)定除氫和氦以外所有元素的特征[22]。XPS可定量分析，無(wú)需在線分析，但其僅檢測(cè)煤焦表面元素含量，其準(zhǔn)確性需通過(guò)其他方法定量測(cè)量煤焦中體積元素含量作比較，在分析煤粉或煤焦中煤氮官能團(tuán)時(shí)，其表面氮含量和體積氮含量線性關(guān)性較好[23]。另外XPS易受環(huán)境及人為操作因素干擾，操作難度大。

2.2.2灰示蹤法

灰示蹤法(也稱灰平衡法)是根據(jù)燃燒前后灰分質(zhì)量不變的性質(zhì)來(lái)表示其他物質(zhì)的方法。假設(shè)煤樣中灰分在燃燒前后保持不變，將煤樣和燃燒后的煤焦樣進(jìn)行工業(yè)分析，通過(guò)灰分折算所求值，計(jì)算公式[24]為

揮發(fā)分析出量：

(1)

式中，V為揮發(fā)分析出量；A0為原煤樣中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A1為燃燒后煤焦中灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

煤焦燃盡度：

(2)

式中，B為采集的煤焦燃盡度。

C、H、N等元素釋放率：

(3)

式中，Ri為i元素的釋放率；i0為煤粉中初始i元素含量；i1、A1為煤焦中i元素含量。

灰示蹤法優(yōu)點(diǎn)為只取部分灰樣即可分析計(jì)算，無(wú)需收集全部灰樣，降低了操作難度，且不需在線氣體分析設(shè)備，降低了試驗(yàn)裝置的復(fù)雜性。但灰示蹤法的基本假設(shè)是煤灰質(zhì)量在燃燒過(guò)程中不變，煤中灰分不受顆粒停留時(shí)間、溫度變化影響，要求灰分不揮發(fā)，或至少在試驗(yàn)中的揮發(fā)程度與工業(yè)分析中標(biāo)準(zhǔn)灰分試驗(yàn)條件下發(fā)生的程度相同，但有學(xué)者指出，對(duì)于低灰分(小于10%)的固體燃料，灰示蹤法不適用，因?yàn)樵诟邷貤l件下，灰中低沸點(diǎn)的Na/K鹽和碳酸鹽類易分解，造成測(cè)量誤差[25-26]。Ballantyne等[27]也認(rèn)為，低灰分煤在較低煤轉(zhuǎn)化率下的不確定性加大，且某些煤種(如褐煤)在實(shí)際反應(yīng)氣氛條件與標(biāo)準(zhǔn)灰分試驗(yàn)條件不同。灰示蹤法雖存在一定誤差，但總體誤差不大，是計(jì)算煤轉(zhuǎn)化率相對(duì)可靠的方法。

表2為XPS和灰示蹤法的比較，兩者均為煤粉燃燒過(guò)程中測(cè)量煤焦樣品化學(xué)組成的常用方法，均可定量分析固體煤焦樣品，但兩者檢測(cè)側(cè)重點(diǎn)不同：XPS主要分析化學(xué)官能團(tuán)組成，灰示蹤法著重分析其元素組成，計(jì)算煤轉(zhuǎn)化率、元素釋放率等；XPS操作較繁瑣，灰示蹤法操作簡(jiǎn)單。

表2 2種固體樣品檢測(cè)法優(yōu)缺點(diǎn)比較

2.3 氣體樣品檢測(cè)

煤粉燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體多數(shù)為污染氣體，通過(guò)對(duì)燃燒過(guò)程中煙氣成分的檢測(cè)，可針對(duì)性采取污染物脫除技術(shù)或調(diào)整燃燒組織、工況，以最大程度減少污染氣體的排放。煙氣成分可評(píng)定煤粉燃燒過(guò)程的完全程度、燃料燃燒的工況、爐內(nèi)各階段燃燒的特點(diǎn)、爐內(nèi)工況與污染物排放的關(guān)系。

2.3.1電化學(xué)檢測(cè)法

電化學(xué)檢測(cè)法是根據(jù)被測(cè)氣體的電化學(xué)性質(zhì)測(cè)定物質(zhì)組成及含量的分析方法，是檢測(cè)煤粉燃燒產(chǎn)生的有害氣體的主要方法之一。在工程實(shí)際測(cè)量中，電化學(xué)檢測(cè)法依托于電化學(xué)氣體傳感器來(lái)測(cè)量氣體組成，電化學(xué)傳感器相當(dāng)于一個(gè)電化學(xué)電池，由電解液和電極組成，當(dāng)檢測(cè)氣體時(shí)，某種氣體在電極處發(fā)生氧化還原反應(yīng)，檢測(cè)此時(shí)的電流，即可得出氣體濃度。與傳統(tǒng)傳感器相比，電化學(xué)傳感器作為氣體檢測(cè)的核心環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接關(guān)系到氣體檢測(cè)的精度[28]。通常電化學(xué)傳感器具有體積小、操作簡(jiǎn)單、性能可靠、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，且設(shè)備成本低，在工程實(shí)踐中多用于煙氣的在線監(jiān)測(cè)。但電化學(xué)傳感器選擇性差，當(dāng)部分非目標(biāo)氣體與目標(biāo)氣體的電解位相近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交叉干擾[29]，一般通過(guò)內(nèi)置化學(xué)過(guò)濾器吸附非目標(biāo)氣體，或選擇適宜的催化劑以抑制非目標(biāo)氣體在電解液中的反應(yīng)。

2.3.2紅外檢測(cè)法

紅外檢測(cè)法是經(jīng)典的氣體分析方法[30]，廣泛應(yīng)用于煤粉燃燒過(guò)程中煙氣的測(cè)量。根據(jù)朗伯-比爾定律，特征吸收強(qiáng)度與氣體濃度成正比，利用不同氣體對(duì)紅外波長(zhǎng)的電磁波能量具有特殊的吸收特性原理，進(jìn)行氣體成分和含量分析。紅外檢測(cè)法通過(guò)紅外傳感器進(jìn)行測(cè)量，與電化學(xué)傳感器相比，具有壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間快、抗中毒性好、反應(yīng)靈敏性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。

2.3.3化學(xué)溶液吸收法

化學(xué)溶液吸收法是定量分析NH3和HCN的常用方法之一，NH3與HCN是煤粉燃燒過(guò)程中形成NOx的重要前驅(qū)物，研究煤粉燃燒過(guò)程中NH3與HCN的轉(zhuǎn)化，對(duì)于揭示燃燒器的低氮特性具有重要意義。利用酸堿吸收的原理，對(duì)NOx的前驅(qū)體進(jìn)行定量標(biāo)定，但目前該法僅適用于實(shí)驗(yàn)室研究，主要由于在工程應(yīng)用中，煤粉燃燒過(guò)程中含氮中間體難以捕捉。其測(cè)量原理是HCN與NH3分別通過(guò)一定體積、濃度的NaOH溶液和H2SO4溶液用并聯(lián)吸收的方法進(jìn)行吸收，吸收裝置如圖4所示。吸收后的樣品通過(guò)硝酸銀滴定法(GB 7487—87)與水楊酸-次氯酸鹽分光光度法(GB/T14679—93)分別對(duì)HCN與NH3進(jìn)行測(cè)定。含氮化合物(HCN、NH3)的析出濃度δ計(jì)算公式為

(4)

式中，m1為產(chǎn)生含氮化合物中的含氮量；m0為原始煤中的含氮量。

圖4 化學(xué)溶液吸收法的原理示意Fig.4 Schematic diagram of the chemical solution absorption method

化學(xué)溶液吸收法在實(shí)驗(yàn)室研究煤粉燃燒過(guò)程中生成的NOx前驅(qū)物有較強(qiáng)的適用性。歐陽(yáng)子區(qū)等[31]采用化學(xué)溶液吸收法、傅里葉變換紅外光譜法和電化學(xué)法對(duì)煤氣化過(guò)程和燃燒過(guò)程產(chǎn)生的含N化合物(NH3和HCN)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)NH3與HCN的化學(xué)溶液吸收法測(cè)量結(jié)果精確度更高，其他2種方法測(cè)量結(jié)果誤差較大，不宜采用。宋國(guó)良等[32]采用化學(xué)溶液吸收法研究了不同煤種、粒徑和爐溫下，煤粉濃度對(duì)NH3與HCN析出特性的影響?；瘜W(xué)溶液吸收法為研究煤粉燃燒含氮中間體的演化提供了方法。

表3對(duì)電化學(xué)和紅外2種氣體檢測(cè)傳感器以及化學(xué)溶液吸收法進(jìn)行比較，前2者可測(cè)量多種氣體，具有較強(qiáng)的適用性，但紅外檢測(cè)法檢測(cè)范圍更廣。溶液吸收法檢測(cè)NH3和HCN濃度，不易捕捉，且易受其他因素干擾，測(cè)量較繁瑣，工程應(yīng)用較少。

表3 3種氣體樣品檢測(cè)法優(yōu)缺點(diǎn)比較

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了煤粉燃燒器熱態(tài)研究中常用的測(cè)量火焰溫度3種方法和火焰中氣固相的取樣及檢測(cè)分析方法。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，盡可能采用多種測(cè)量方法或多次測(cè)量，以規(guī)避可能導(dǎo)致誤差的因素。采用多種測(cè)量方法進(jìn)行比對(duì)，正確、規(guī)范操作，多次測(cè)量取平均值，以便得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。通過(guò)多種測(cè)量方法可建立煤粉燃燒器熱態(tài)下三維溫度場(chǎng)、三維氣氛?qǐng)龅龋嗑S度研究煤粉的燃燒過(guò)程及污染物生成過(guò)程，從而采取有效手段治理污染，這對(duì)于新型高效低氮燃燒器的開(kāi)發(fā)以及煤粉工業(yè)鍋爐污染物的綜合治理具有重要意義。