閆永宏，陳登科，孫劉濤，彭政康，孫銳

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引言

煤炭在中國一次能源消費(fèi)中占比超過了50%，面對(duì)優(yōu)質(zhì)煤儲(chǔ)量日益減少的局面，煤炭梯級(jí)利用技術(shù)可提高煤炭的利用效率。但該技術(shù)中產(chǎn)生的副產(chǎn)品半焦（semi-coke）由于嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩，制約了該技術(shù)的發(fā)展。半焦中揮發(fā)分含量極低（低于10%），通常存在著火困難、燃盡率低、NOx排放量高等問題。因此，如果能將半焦與其他易燃煤進(jìn)行摻混燃燒發(fā)電則有望打破制約煤炭清潔高效梯級(jí)利用的技術(shù)瓶頸。在摻混燃燒過程中，燃料自身的特性對(duì)燃燒特性有很大影響，尤其是燃料顆粒粒徑對(duì)鍋爐中燃料的著火特性影響十分顯著［1］。多數(shù)研究認(rèn)為煤粉粒徑減小，著火提前，燃燒特性變好［2-7］。

電站鍋爐的長期燃燒優(yōu)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍋爐中存在的飛灰含碳量高、受熱面結(jié)渣、NOx生成量超標(biāo)等問題與燃料顆粒平均粒徑有密切關(guān)系［8］。文獻(xiàn)［9］通過330 MW 機(jī)組的試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，煤粉粒徑R90在23.1%～8.9%范圍內(nèi)逐漸降低，飛灰含碳量也逐漸降低，燃燒效率提高，但是當(dāng)粒徑R90低于11.0%時(shí)飛灰含碳量降低不再明顯。文獻(xiàn)［10］通過630 MW 四角切圓鍋爐模擬結(jié)果表明，對(duì)于易燃煤種，煤粉的整體燃盡率主要取決于下層燃燒器噴出的煤粉粒徑，隨著煤粉變粗，著火距離增加，煤粉粒度變小后鍋爐排渣量有所減小。文獻(xiàn)［11］以某電廠300 MW 機(jī)組試驗(yàn)表明隨著粒徑的增大，著火變得困難，飛灰含碳量增加，且煤粉粒徑大于某個(gè)值后燃盡性能急劇變差。

煤粉粒徑對(duì)煤粉燃燒過程中NOx的生成也有很大影響，但已有的研究結(jié)論不一致。一些學(xué)者認(rèn)為粒徑較大的煤粉在燃燒中形成的NOx較少［12-14］。文獻(xiàn)［15］在中試規(guī)模下研究發(fā)現(xiàn)超細(xì)煤粉顆粒（平均粒徑12.50 μm）NOx排放量比常規(guī)煤粉（平均粒徑50.00 μm）高出30%。文獻(xiàn)［16］用水平管式爐對(duì)低階煤與高階煤混合熱解的結(jié)果表明，在粒徑范圍50～300 μm內(nèi)HCN和NH3都隨著煤粉粒徑的增大而減少，這對(duì)降低NOx排放量有很大幫助。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)煤粉粒徑減小，NOx減排效率增加［17-20］。文獻(xiàn)［8］以電廠鍋爐為模型的模擬表明，高灰分煙煤在深度低氮氧化物燃燒時(shí)，煤粉細(xì)度減小，NOx排放量相應(yīng)降低。文獻(xiàn)［21］發(fā)現(xiàn)200 MW 燃煤機(jī)組中當(dāng)煤粉粒徑R90從40.5%降低到25.3%時(shí)NOx排放量降低了65 mg/m3。也有研究得到NOx排放與粒徑尺寸關(guān)聯(lián)性較小的結(jié)論［22］。文獻(xiàn)［23］用攜帶流反應(yīng)器考察了粒徑對(duì)超細(xì)煤粉燃燒的影響，結(jié)果表明，隨著粒徑從14.71 μm 增加到44.26 μm，煙煤燃燒生成的NOx先增加后減少，無煙煤生成的NOx則逐漸減少。

總之，煤粉粒徑的變化不僅影響煤粉的著火，同時(shí)對(duì)爐內(nèi)的整體燃燒情況也有影響［24］。雖然大多數(shù)研究表明煤粉粒徑減小對(duì)著火有利，有助于提高鍋爐效率［25-26］，但是較細(xì)的煤粉燃燒時(shí)容易產(chǎn)生局部高溫區(qū)［27］，尤其在濃淡分離燃燒中更明顯［28］，磨制較細(xì)煤粉需同時(shí)考慮制粉系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性［29］。因此，實(shí)際運(yùn)行中最佳煤粉粒徑［30］應(yīng)結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)條件共同決定［31］，同時(shí)要考慮機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性［32］。此外，煤粉粒徑還會(huì)影響爐內(nèi)溫度和結(jié)渣情況等［6］。在燃煤電廠實(shí)際運(yùn)行中，最佳的煤粉粒徑往往需要通過大量熱態(tài)試驗(yàn)確定［10］。

目前關(guān)于粒徑對(duì)煤粉燃燒影響的研究多是基于小型試驗(yàn)臺(tái)和數(shù)值模擬的方法，這些研究獲得的結(jié)論并不能完全適用于工業(yè)鍋爐，而且多是對(duì)單一煤種進(jìn)行研究，對(duì)不同粒徑的混煤燃燒的研究較少。本文在350 kW中試煤粉燃燒試驗(yàn)臺(tái)上，模擬實(shí)際工業(yè)鍋爐中煤粉氣流的著火過程，考察了不同粒徑的半焦和煙煤的混合燃料在還原性氣氛中的射流著火特性，為工業(yè)鍋爐中選擇合適的摻燒半徑提供指導(dǎo)。試驗(yàn)中通過將通入爐膛中總的助燃空氣的過量空氣系數(shù)保持在0.9，使得燃料在欠氧條件下燃燒，從而創(chuàng)造出還原性氣氛。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在350 kW煤粉燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由爐膛主體、燃料輸送系統(tǒng)、空氣預(yù)熱系統(tǒng)、丙烷點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其中爐膛內(nèi)部為圓筒形豎直結(jié)構(gòu)。一次風(fēng)管道、二次風(fēng)管道、丙烷燃燒器在爐膛頂部對(duì)稱布置，如圖2所示。

圖1 350 kW煤粉燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 A 350 kW pulverized coal combustion test system

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of the experimental system

圖2 350 kW煤粉燃燒系統(tǒng)爐膛頂部結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Structural arrangement of the furnace top in the 350 kW pulverized coal combustion system

試驗(yàn)過程如下：首先啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)使?fàn)t膛內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境，然后啟動(dòng)丙烷點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)對(duì)爐膛進(jìn)行預(yù)熱升溫，當(dāng)燃燒器噴口附近煙氣溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)向一、二次風(fēng)管道內(nèi)送風(fēng)，接著啟動(dòng)螺旋給料機(jī)將提前加入給粉倉中的混合燃料送入一次風(fēng)管道與一次風(fēng)混合，經(jīng)矩形噴口的燃燒器被噴入爐膛中點(diǎn)燃并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。燃料著火后，將丙烷熱功率調(diào)整到50 kW 進(jìn)行全程助燃，混合燃料給粉量維持在熱功率300 kW，此時(shí)爐膛內(nèi)總輸入的熱功率保持在350 kW，通過調(diào)節(jié)負(fù)壓調(diào)節(jié)閥將爐膛內(nèi)負(fù)壓保持在-100 Pa左右，當(dāng)燃料著火燃燒穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)測量。穩(wěn)定著火通過以下幾點(diǎn)確定：（1）給料機(jī)給料量穩(wěn)定、連續(xù)；（2）爐內(nèi)溫度波動(dòng)小于10 ℃；（3）現(xiàn)場觀察燃料穩(wěn)定燃燒。

1.2 試驗(yàn)原料和工況安排

試驗(yàn)中采用的2種原料分別是神華煙煤和神木半焦。將2 種原料單獨(dú)磨制成指定粒徑，然后將相同粒徑的神華煙煤和神木半焦按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行機(jī)械混合作為混合燃料預(yù)先加入給粉倉。對(duì)煙煤原煤和半焦的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表2?；旌先剂系墓I(yè)分析和元素分析按2種的燃料質(zhì)量比例求加權(quán)值。表3給出了試驗(yàn)工況主要參數(shù)。

表2 神華煙煤與神木半焦的工業(yè)分析和元素分析Tab.2 Proximate and ultimate analyses of Shenhua bituminous and Shenmu semi-coke

表3 試驗(yàn)工況主要參數(shù)Tab.3 Main operation parameters under experimental conditions

1.3 試驗(yàn)測量

試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)裝置達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)且可重復(fù)時(shí)，開始采集數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

1.3.1 溫度測量

溫度測量分為軸向溫度測量和徑向溫度測量。軸向溫度通過從混合燃料燃燒器（以下簡稱燃燒器）中間豎直插入熱電偶，上下移動(dòng)進(jìn)行測量。軸向溫度采用K 型鎧裝熱電偶測量，測量精度為±0.75%t（t為測量溫度）。徑向溫度通過爐膛側(cè)面的水平孔進(jìn)行測量。第1個(gè)測量孔距燃燒器出口距離為180 mm，每2 個(gè)測量孔之間的間距為160 mm，共對(duì)5個(gè)測量孔的徑向溫度進(jìn)行了測量。徑向溫度采用S型熱電偶測量，測量精度為±0.25%t。溫度測量時(shí)采用多次測量取平均值的方法以減少試驗(yàn)誤差。

1.3.2 煙氣測量

煙氣測量也從軸向和徑向2 個(gè)方向進(jìn)行。2 個(gè)測量方向的測量孔分別對(duì)應(yīng)軸向和徑向溫度測量孔。煙氣采集測量系統(tǒng)如圖3所示。高溫?zé)煔饨?jīng)取樣槍冷卻，使得化學(xué)反應(yīng)立即停止，保證測量的煙氣結(jié)果為該點(diǎn)燃燒的真實(shí)情況，煙氣冷卻后經(jīng)過集灰器和飛灰過濾器過濾除塵，然后經(jīng)過干燥瓶中的CaCl2粉末除濕干燥，進(jìn)入真空泵，最后進(jìn)入煙氣分析儀中進(jìn)行測量分析。煙氣分析采用某公司生產(chǎn)的Gasboard-3000 型煙氣分析儀，檢測的氣體成分有O2，CO，NO，NO2。煙氣測量精度為±2%FS。煙氣采樣頻率為1 次/s，每個(gè)測量點(diǎn)將連續(xù)采集1 min 獲得的平均值作為該點(diǎn)的測量值。試驗(yàn)中檢測到的NO2占總的NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過10%，所以試驗(yàn)結(jié)果只對(duì)NO進(jìn)行分析。

圖3 煙氣采集測量系統(tǒng)示意Fig.3 Sketch of the flue gas sampling system

2 結(jié)果與討論

2.1 主燃區(qū)軸向溫度分布和著火距離

2.1.1 主燃區(qū)中心軸向溫度和煙氣分布

軸向溫度可反映出燃燒器出口射流的著火特性。不同粒徑下的爐膛中心軸向溫度如圖4a所示。當(dāng)軸向距離z從0 mm 增加到60 mm 時(shí)，軸向溫度逐漸增加，這是由于在z＜60 mm時(shí)，2股混合燃料射流還未在爐膛中心軸向上相交，只有少量燃料擴(kuò)散到爐膛中心進(jìn)行燃燒。這可以從軸向煙氣變化得到證實(shí)。從圖4b 可以看出，在z=60 mm 時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)降低到18%左右，圖4c中CO 體積分?jǐn)?shù)幾乎為零，表明此時(shí)爐膛中心同時(shí)進(jìn)行熱解和氧化反應(yīng)。當(dāng)z從60 mm 增加到90 mm 時(shí)，軸向溫度降低，這是由于z大于60 mm 后2 股射流逐漸在爐膛中心軸向上相交，大量相對(duì)冷的混合燃料在爐膛中心軸向上匯聚，并與高溫?zé)煔獍l(fā)生換熱，吸收熱量，使得煙氣溫度降低。當(dāng)z從90 mm 增加到450 mm 時(shí)，中心軸向溫度迅速增加，燃料吸收了足夠的熱量達(dá)到著火條件開始著火放熱，使得軸向溫度迅速增加。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)隨著混合燃料粒徑的增大，著火階段軸向溫度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在粒徑R90=20%時(shí)軸向溫度最高，R90=10%時(shí)軸向溫度最低，說明R90=20%時(shí)2 股射流中心最容易著火，這是因?yàn)榛旌先剂仙淙霠t膛后會(huì)沿爐膛徑向擴(kuò)散，大粒徑的顆粒由于慣性大在徑向方向的擴(kuò)散速度慢，粒徑小的顆粒則受氣流擾動(dòng)大更容易向射流中心外圍擴(kuò)散［22］，所以在爐膛中心線上主要集中的是較大的顆粒，而在爐膛中心外圍分布的是較小的顆粒，雖然粒徑較小更有利于著火［7］，但是在粒徑R90=10%的條件下爐膛中心空氣中的顆粒質(zhì)量濃度最低，燃料燃燒釋放的熱量最少，煙氣溫度最低，不容易著火。隨著粒徑的增大，爐膛中心軸向上的顆粒質(zhì)量濃度增加，燃料燃燒放出的熱量增加，使得燃料溫升加快，R90=20%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒的質(zhì)量濃度最有利于燃料著火，當(dāng)粒徑R90超過20%時(shí)，雖然爐膛中心空氣中燃料質(zhì)量濃度對(duì)著火有利，但粒徑加大又不利于其著火，整體表現(xiàn)為削弱了著火強(qiáng)度。爐膛中心軸向上的煙氣變化可進(jìn)一步證明上述過程。由圖4b，c，d 可知，z＜450 mm 時(shí)，中心軸向O2體積分?jǐn)?shù)隨著粒徑的增大而減少，CO體積分?jǐn)?shù)則隨著粒徑的增大而增加，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為R90=20%。當(dāng)z為200～460 mm 時(shí)，由于R90=25%時(shí)爐膛中心燃料質(zhì)量濃度最大，O2相對(duì)不足，燃燒不充分，所以CO 生成量最大。由圖4d 可知，NO 峰值質(zhì)量濃度隨著粒徑的增大先增加后減小，并在R90=20%時(shí)NO 質(zhì)量濃度峰值最高，且此粒徑下峰值位置提前。z＜450 mm 之前的燃燒過程可認(rèn)為是著火階段，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，揮發(fā)分析出量和焦炭的失重率都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)［33］，該點(diǎn)即被認(rèn)為發(fā)生了由著火階段向穩(wěn)定燃燒階段的轉(zhuǎn)變，根據(jù)中心軸向煙氣變化特點(diǎn)推測z=450 mm 為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。z＞450 mm 之后的燃燒過程為穩(wěn)定燃燒階段，此階段所有粒徑下的燃燒強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定且逐漸接近。z從510 mm 增大到820 mm 時(shí)，軸向溫度基本保持不變。這是由于z大于450 mm以后中心軸向區(qū)域處于嚴(yán)重缺氧狀態(tài)，燃燒放出的熱量與煙氣流動(dòng)帶走的熱量剛好達(dá)到平衡，所以溫度保持穩(wěn)定。此階段由于缺氧，CO 大量生成，直到z=760 mm 后才逐漸減少。NO 質(zhì)量濃度在z=460 mm 前已達(dá)到峰值，之后逐漸減少，這是由于在缺氧和高CO 體積分?jǐn)?shù)環(huán)境中NO 被大量還原。因此從z=460 mm 開始直到主燃區(qū)出口可認(rèn)為是燃燒還原區(qū)。由于大粒徑下還原區(qū)開始位置較早，所以大粒徑下NO 經(jīng)歷了更長的還原時(shí)間，加之大的焦炭顆?？晌絅O，焦炭表面的NO 還原程度加強(qiáng)，所以在主燃區(qū)出口處大粒徑下NO 質(zhì)量濃度更低。對(duì)應(yīng)的R90=20%粒徑下著火最容易，其進(jìn)入還原區(qū)的時(shí)間提前，還原區(qū)最長，NO 質(zhì)量濃度最低。根據(jù)溫度和煙氣成分變化及現(xiàn)場觀察，在z=820 mm處火焰消失，燃燒過程基本結(jié)束，此處可認(rèn)為是主燃區(qū)出口。

圖4 不同粒徑下主燃區(qū)中心軸向溫度及O2，CO，NO分布Fig.4 Distribution of the gas temperature and O2，CO and NO mass concentrations along the central axial direction of primary combustion zone with different particle size

2.1.2 射流著火距離

著火距離是鍋爐中最值得關(guān)注的問題。著火距離可根據(jù)謝苗諾夫臨界著火條件獲得，并通常將其定義為軸向溫度T增加最快的點(diǎn)［34］（d2T/dz2=0）到燃燒器出口的距離。根據(jù)上述方法計(jì)算得到不同粒徑下的著火距離和著火溫度，見表4。結(jié)果表明，隨著粒徑的增大，著火距離先減小后增加，粒徑R90=20%時(shí)著火距離最短，粒徑R90=10%時(shí)著火距離最長。分析原因可能是隨著粒徑的增大，爐膛中心的燃料著火前的熱解過程中釋放出更多的CO，CH4等可燃物質(zhì)，并與O2反應(yīng)釋放出更多的熱量，使得著火更加迅速。當(dāng)R90=25%時(shí)，相比R90=20%，對(duì)應(yīng)的著火距離增加。分析原因可能是燃料在磨制過程中隨著粒徑的增大灰分增多，阻礙了揮發(fā)分的析出，對(duì)著火發(fā)生起到了抑制作用［35］。粒徑超過R90=20%后，灰分的抑制作用顯著增強(qiáng)，使得著火強(qiáng)度減弱；同時(shí)隨著粒徑的增加燃料向爐膛中的滲透深度增加［36］，燃料熱解過程變長，導(dǎo)致著火距離變長。

表4 不同粒徑下的著火距離和著火溫度Tab.4 Ignition distance and ignition temperature with different particle size

已有文獻(xiàn)中幾乎都是關(guān)于煤粉在不同粒徑下著火距離特性的研究，本文獲得了半焦和煙煤摻混燃燒時(shí)不同粒徑下的著火距離特性，這與已有研究中的結(jié)論互相補(bǔ)充，更加完善了煤基燃料在直流射流燃燒器中的著火特性，為開發(fā)新型燃燒器提供了依據(jù)。

2.1.3 燃盡區(qū)中心軸向溫度、煙氣分布

圖5給出了不同粒徑下燃盡區(qū)中心軸向溫度及O2，CO 和NO 分布。從圖5a 可以看出，沿爐膛中心軸向方向，從主燃區(qū)出口到z=1 620 mm 處溫度緩慢下降，隨著粒徑的增大軸向溫度增加。這是由于粒徑越大燃料在中心越集中，在主燃區(qū)未燃盡的燃料仍進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以粒徑越大在燃燒后期溫度越高。在此階段，觀察不到明亮的火焰，CO 和O2反應(yīng)強(qiáng)度不斷下降，放出的熱量少于向爐膛壁面散失的熱量。在z=1 620 mm 以后各項(xiàng)化學(xué)反應(yīng)基本停止，不再產(chǎn)生熱量，煙氣溫度迅速降低。圖5b，c，d 可以看出，從z=1 760 mm 到爐膛出口處各煙氣組分含量基本保持不變，表明各項(xiàng)反應(yīng)均已停止，燃燒過程徹底結(jié)束。爐膛出口和主燃區(qū)出口煙氣變化規(guī)律相似。

圖5 不同粒徑下燃盡區(qū)中心軸向溫度及O2，CO，NO分布Fig.5 Distribution of temperature，O2，CO and NO mass concentrations along the central axial direction of the burnout zone under different particle size

2.2 主燃區(qū)徑向溫度分布

除了軸向溫度分布，爐膛徑向溫度分布也可以反映混合燃料的著火燃燒過程。圖6給出不同粒徑和軸向距離下的徑向溫度分布。由圖6 可見，不同粒徑下的徑向溫度均隨著軸向距離的增加逐漸升高，當(dāng)軸向距離增加到660 mm 時(shí)，徑向溫度增加幅度很小，當(dāng)軸向距離增加到820 mm 時(shí)，徑向溫度基本保持不變，表明在徑向的燃燒也達(dá)到了穩(wěn)定。在z=180 mm 的截面上，當(dāng)徑向距離r從0 mm 增加到20 mm時(shí)，不同粒徑下的徑向溫度均逐漸增加，這是由于在此截面上射流的外圍首先與高溫?zé)煔饨佑|發(fā)生著火。當(dāng)r從20 mm 增加到200 mm 時(shí)，徑向溫度緩慢減小，這是由于燃料沿爐壁方向的質(zhì)量濃度逐漸降低，燃燒放出的熱量逐漸減少。而當(dāng)r從200 mm 增加到300 mm 時(shí)，徑向溫度基本保持不變，這是由于此區(qū)間內(nèi)煙氣溫度主要受爐壁輻射加熱作用的影響。在z=340 mm 的截面上徑向溫度沿爐壁方向開始逐漸降低，表明射流中心也已完全著火，且中心燃燒強(qiáng)度超過了外圍的燃燒強(qiáng)度。在此截面上隨粒徑的增加，徑向溫度先增加后降低，對(duì)應(yīng)R90=10%時(shí)徑向溫度最高，而且相比上一截面，溫度增量也高于其他粒徑，表明粒徑較小時(shí)燃料在徑向上著火更容易。分析認(rèn)為，這是由于小粒徑的燃料在中心外圍析出揮發(fā)分的速率較快且體積分?jǐn)?shù)較高，同時(shí)粒徑較小時(shí)燃料沿軸向滲透深度減小，燃料在軸向方向的燃燒更加集中，經(jīng)過相同的軸向距離時(shí)熱量密度更大，溫升更高。從z=500 mm 開始，R90=25%對(duì)應(yīng)的徑向溫度逐漸高于R90=10%和R90=15%對(duì)應(yīng)的徑向溫度，這是由于燃料粒徑較大時(shí)著火初期因反應(yīng)速率慢而未燃燒的焦炭在此截面上開始迅速燃燒，使得溫度迅速升高。但隨著燃燒逐漸穩(wěn)定后，R90=20%時(shí)徑向溫度最高，表明R90=20%時(shí)整體燃燒強(qiáng)度最強(qiáng)。

2.3 主燃區(qū)徑向煙氣分布

徑向O2，CO，NO 氣體的變化可進(jìn)一步反映混合燃料的著火過程，如圖7—9 所示。從圖7 可以看出，在z=20 mm 的截面上，當(dāng)r在0～60 mm 范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)均低于15%且基本保持不變，說明混合燃料在該截面上已經(jīng)開始發(fā)生氧化反應(yīng)。當(dāng)r在60～150 mm 范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)降低，說明在此范圍內(nèi)燃燒反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，這進(jìn)一步證明了射流從外圍開始發(fā)生著火。當(dāng)r在150～300 mm 范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，這是由于在此區(qū)域內(nèi)燃料質(zhì)量濃度逐漸降低，消耗的O2逐漸減少。在此截面上O2體積分?jǐn)?shù)隨著粒徑的增大而增加，CO 體積分?jǐn)?shù)幾乎為0。在z=180 mm 截面上，O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步減小，但沿著爐壁方向逐漸增加，這是由二次風(fēng)的混入造成的。在此截面上隨著粒徑的增大O2體積分?jǐn)?shù)先降低后增加，R90=20%時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)最低，R90=15%時(shí)次之，說明隨著著火強(qiáng)度逐漸增加，粒徑較大時(shí)更有利于燃燒，這是由于粒徑較大時(shí)顆粒在爐膛內(nèi)充分分散后顆粒間距增大，顆粒與O2表面接觸面積增大，而粒徑較小時(shí)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，對(duì)O2與燃料顆粒表面的接觸有屏蔽作用，同時(shí)粒徑增大時(shí)經(jīng)過初期的熱解后大顆粒形成的孔隙結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，更多的O2會(huì)滲透進(jìn)顆粒中發(fā)生反應(yīng)，這些都導(dǎo)致了大粒徑下燃料消耗O2的速率加快，使得燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)。

而且，從圖8可以看出在此截面上CO 體積分?jǐn)?shù)仍然很低，在r＞20 mm 的區(qū)域CO 體積分?jǐn)?shù)幾乎為零，這是由于在此截面上O2體積分?jǐn)?shù)仍然很充足，燃燒主要生成CO2。z在180～820 mm 范圍內(nèi)，不同粒徑對(duì)O2體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律相同。當(dāng)z從180 mm 增加到340 mm，CO 體積分?jǐn)?shù)逐漸升高；當(dāng)z從340 mm 增加到500 mm，CO 體積分?jǐn)?shù)呈減小趨勢，這是由于二次風(fēng)逐漸向爐膛中心滲透，使得部分CO與O2反應(yīng)生成CO2。當(dāng)z從500 mm 增加到820 mm，CO 體積分?jǐn)?shù)又呈上升趨勢，而且CO 體積分?jǐn)?shù)不為零的區(qū)域隨著z的增大逐漸向爐壁方向擴(kuò)大。

圖8 不同粒徑下主燃區(qū)徑向CO分布Fig.8 Radial distribution of CO in the primary combustion zone under different particle size

從圖9 可以看出，在z=20 mm 截面上NO 質(zhì)量濃度沿著爐壁方向逐漸升高，并在z=125 mm 處達(dá)到最大值隨后減小。在此截面上NO 質(zhì)量濃度隨粒徑的增大而增加。在z=180 mm 截面，沿爐壁方向NO 質(zhì)量濃度逐漸降低。在此截面上NO 質(zhì)量濃度隨粒徑的增大先增加后降低，且在R90=20%時(shí)最高。在z=340 mm 截面上隨著r的增加，粒徑R90=25%下NO質(zhì)量濃度逐漸高于R90=20%下NO質(zhì)量濃度，這是因?yàn)镽90=20%時(shí)，在此截面上NO 還原量大于生成量，質(zhì)量濃度開始下降，而其他粒徑下NO 的生成量仍占主導(dǎo)。在z=500 mm 截面上，除R90=20%外其他粒徑下的NO 質(zhì)量濃度均達(dá)到最大值，R90=20%時(shí)在早于此截面前NO 質(zhì)量濃度已達(dá)到最大值。從z=660 mm 開始所有粒徑下的NO 質(zhì)量濃度均開始降低，表明所有粒徑下的燃燒均進(jìn)入了還原區(qū)，NO 在缺氧條件下被CO 還原或者被焦炭吸附到表面，與焦炭發(fā)生還原反應(yīng)，使得NO 質(zhì)量濃度下降。而且粒徑較小時(shí)還原區(qū)在徑向方向的范圍擴(kuò)大，因此在z=820 mm截面上粒徑較小時(shí)沿徑向方向NO質(zhì)量濃度持續(xù)減小。在主燃區(qū)出口截面上，隨著粒徑增大，NO 質(zhì)量濃度先降低后增加，且R90=20%時(shí)NO 質(zhì)量濃度最低，為438 mg/m3（6%O2），因此在此粒徑下燃燒最有利于NO的減少。

圖9 不同粒徑下主燃區(qū)徑向NO分布Fig.9 Radial distribution of NO in the primary combustion zone under different particle size

煤粉燃燒過程中，燃料細(xì)度降低，著火提前，有利于燃燒后NO 的還原。本文研究的半焦與煙煤摻燒過程中也存在類似現(xiàn)象，說明該過程中NO 的生成還原特性與煤粉單獨(dú)燃燒時(shí)的NO 生成特性有相似之處。

3 結(jié)論

通過在中試試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)半焦和煙煤的混合燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，研究了粒徑R90=10%，15%，20%，25%時(shí)混合燃料的著火和燃燒特性，得到如下結(jié)論。

（1）隨著粒徑的增加，著火距離先減小后增加。R90=20%時(shí)的著火距離最短，為166 mm；R90=25%時(shí)的著火距離最長，為199 mm。

（2）隨著粒徑的增加，燃燒初期反應(yīng)速率逐漸減弱，但整體燃燒強(qiáng)度先增強(qiáng)后又減弱，當(dāng)R90=20%時(shí)整體燃燒強(qiáng)度最強(qiáng)。

（3）整個(gè)燃燒過程中NO 的生成均隨粒徑的增加而減少，綜合考慮著火穩(wěn)定性和主燃區(qū)出口NO排放質(zhì)量濃度，本試驗(yàn)條件下最適宜的粒徑是R90=20%。