董 琨，胡中發(fā)，周博斐，周月桂，王學斌，陳冠益，雷廷宙

(1.國家能源集團 新能源技術(shù)研究院，北京 102211；2.天津大學 環(huán)境科學與工程學院，天津 300072；3.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；4.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

我國褐煤目前己探明資源儲量高達1 300多億t，約占全國煤炭儲量的17%，是我國煤電供應(yīng)鏈的重要組成部分之一[1]。然而，褐煤水分和揮發(fā)分相對較高，極易在運輸和儲存過程中發(fā)生自燃，嚴重制約褐煤大規(guī)模高效利用。學者提出通過褐煤提質(zhì)，增加褐煤燃料品質(zhì)，實現(xiàn)褐煤高效規(guī)模化應(yīng)用，其中低溫烘焙提質(zhì)技術(shù)是目前褐煤利用常用手段[2-3]。此外，經(jīng)低溫烘焙后褐煤不僅可直接作為電廠燃料供應(yīng)，還可廣泛用于冶金、化工和民用爐燃料等方面。

研究表明低溫烘焙提質(zhì)會顯著改變褐煤物理化學特性，對煤粉著火有重要影響[4-5]。WO等[6]研究了錫盟褐煤在300～700 ℃低溫熱解得到的煤焦結(jié)構(gòu)及形貌特征，發(fā)現(xiàn)提質(zhì)溫度升高時，煤焦顆粒粒徑更小，且孔隙結(jié)構(gòu)更發(fā)達，比表面積和孔體積增加。煤粉顆粒的著火延遲距離是表征煤粉著火、燃燒特性的重要參數(shù)。在實際燃煤設(shè)備應(yīng)用中，煤粉著火過早會導(dǎo)致燃燒器噴口處結(jié)渣，而著火過晚則會造成煤粉顆粒燃燒不充分、火焰中心偏移等問題[7]。因此，研究煤粉顆粒的著火延遲距離對提高煤粉燃燒的穩(wěn)定性和效率具有重要意義。

煤粉顆粒著火特性受環(huán)境溫度和O2濃度等多因素影響。目前學者通過試驗和數(shù)值模擬并結(jié)合可見光強度[8]、中間基團濃度[9]和氣體組分濃度[10]的變化研究了煤粉著火的發(fā)生時間和位置。研究初期，受試驗測量裝置技術(shù)水平的限制，只能獲得煤粉燃燒過程中氣相組分濃度和顆粒質(zhì)量的沿程變化。部分研究采用沉降爐開展煤粉燃燒試驗，通過測量燃燒初期煤焦質(zhì)量的損失和揮發(fā)分的釋放過程判斷著火的發(fā)生位置[11-12]。RIAZA等[13]利用可視化沉降爐對比了不同煤種的著火特性，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分火焰持續(xù)時間隨揮發(fā)分含量增加而線性增加；焦炭燃燒持續(xù)時間則隨碳含量增加而線性增加。此外，該課題組進一步利用高速相機研究了O2/CO2和O2/N2中不同煤種的著火特性，發(fā)現(xiàn)煙煤和褐煤顆粒在O2/CO2氣氛下的點火延遲時間比在O2/N2氣氛下更長，且在這2種氣氛下O2濃度的增加均能縮短點火延遲時間[14]。

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，光學診斷方法廣泛應(yīng)用于煤粉顆粒著火和燃燒特性研究。相比沉降爐，Hencken平面火焰燃燒器使用氣體燃燒后的高溫煙氣作為熱源，因此光學診斷可以很好開展。ZENG等[8]在Hencken燃燒器上采用CMOS相機拍攝了煤粉顆粒燃燒的圖像，并定義光強達到峰值的10%處煤粉開始著火，發(fā)現(xiàn)提高協(xié)流溫度和增加氧氣濃度都會使煤粉著火距離縮短，且在相同氧氣濃度和熱協(xié)流溫度下，O2/CO2氣氛中著火距離較O2/N2氣氛中增加了0.07～0.49 cm。朱文堃等[15]根據(jù)光強信號軸向分布，確定峰值20%以上為主燃燒段，發(fā)現(xiàn)主燃燒段長度隨氧氣濃度增加而縮短，而隨熱協(xié)流溫度增加而延長。SHADDIX等[16]采用平面火焰試驗臺研究了氧氣濃度對煤粉著火特性的影響，發(fā)現(xiàn)氧氣濃度的升高對氧向揮發(fā)分火焰的傳質(zhì)過程有促進作用，并提高了脫揮發(fā)分速率。ADESOUN等[17]采用改進的兩級Hencken燃燒器和高速攝像機研究了125～149 μm單顆粒煙煤的著火特性，研究了溫度及空氣分級模式對著火時間及著火模式的影響，發(fā)現(xiàn)空氣分級模式下著火時間顯著推遲，著火模式有明顯差別。然而，目前鮮見褐煤提質(zhì)對煤粉著火特性的影響研究。

筆者利用平面火焰燃燒系統(tǒng)并結(jié)合CMOS相機研究了不同協(xié)流溫度(1 473、1 673和1 873 K)和O2體積分數(shù)(5%、10%和20%)下低溫烘焙預(yù)處理(200、250和300 ℃)對褐煤著火燃燒特性的影響，并重點分析了不同燃燒條件下煤粉的火焰形態(tài)和著火延遲距離，以期為褐煤高效利用提供指導(dǎo)和參考。

圖1 Hencken燃燒器示意Fig.1 Schematics of Hencken burner

1 試 驗

Hencken燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，燃燒器為方形結(jié)構(gòu)，表面上交錯布置有輸送氣體燃燒和氧化劑燃燒的毛細管，中心管位于燃燒器中心，用于輸送煤粉顆粒。氣體燃料和氧化劑均由毛細管噴入，之后在靠近噴口的區(qū)域迅速混合并在高溫下發(fā)生劇烈反應(yīng)，形成擴散燃燒小火焰，氣體燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣為煤粉燃燒提供高溫熱協(xié)流，并通過調(diào)節(jié)氣體燃料(CO和CH4)及氧化劑流量控制熱協(xié)流的溫度和氧氣濃度，實現(xiàn)不同的熱協(xié)流溫度和氧氣濃度氛圍。氣體燃料擴散燃燒小火焰區(qū)域為50 mm×50 mm，中心管外徑為2 mm(內(nèi)徑1.8 mm)。煤粉顆粒由N2攜帶并從中心管噴入燃燒器上方，在高溫熱協(xié)流煙氣中煤粉受熱后發(fā)生著火和燃燒。

煤粉燃燒試驗前，結(jié)合理論燃燒計算和實際實驗校核2種方法確定試驗工況，采用質(zhì)量流量計調(diào)節(jié)CO、CH4、O2和N2質(zhì)量流量，結(jié)合B型熱電偶和MRU Vario Plus煙氣分析儀分別測量了溫度和氧氣濃度的沿程分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣體燃料燃燒后熱協(xié)流溫度和氧氣濃度在中心軸線沿程分布均勻、穩(wěn)定，保證了氣體燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣能為煤粉燃燒提供設(shè)定的熱協(xié)流條件。

試驗選用褐煤原煤及不同低溫烘焙溫度處理后的褐煤樣品，其工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 燃料工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuels

褐煤烘焙提質(zhì)在低溫熱解系統(tǒng)[18]上進行，試驗開始時將煤粉裝入瓷方舟置于石英管中并通入2 L/min 的N2排出空氣，將石英管緩慢推入已達目標溫度的臥式爐中，且持續(xù)通入1 L/min的N2并保溫60 min，隨后取出石英管冷卻并持續(xù)通入N2，最后將制備好的半焦樣品取出并裝入自封袋置于干燥器中保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤粉顆粒燃燒火焰圖像

采用CMOS相機拍攝煤粉燃燒火焰圖像，為抑制環(huán)境光的干擾并確保不同工況下火焰清晰，確定設(shè)置相機的光圈和感光度分別為f/5.6和ISO-100。煤粉燃燒火焰圖像可直接反映揮發(fā)分和焦炭燃燒反應(yīng)劇烈的程度，進一步處理火焰圖像可獲得煤粉火焰光強在中心軸線處定量分布。

褐煤顆粒在不同熱協(xié)流溫度和氧氣濃度下煤粉火焰圖像如圖2所示，在圖2中定性標記煤粉燃燒起始位置及變化趨勢。由圖2可知，褐煤顆粒經(jīng)中心管噴出后，在氣體燃料燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣中迅速著火和燃燒，隨后在中心軸線附近形成較穩(wěn)定的煤粉火焰。熱協(xié)流溫度由1 473 K升高至1 873 K，煤粉火焰亮度明顯增加，且著火位置越來越靠近噴口位置。表明升高環(huán)境溫度顯著促進煤粉著火和燃燒，使煤粉著火位置提前且強化煤粉燃燒反應(yīng)。此外，熱協(xié)流溫度的升高還會增加煤粉火焰徑向分布寬度。由于火焰在徑向的分布主要是由于煤粉釋放揮發(fā)分燃燒形成，徑向分布范圍增加表明環(huán)境溫度升高促進揮發(fā)分釋放，使顆粒附近形成揮發(fā)分的富集區(qū)域，氣相燃燒反應(yīng)更劇烈，并在中心軸線徑向方向較大范圍內(nèi)分布。

圖2 原始褐煤顆粒燃燒時火焰圖像Fig.2 Flame image from the combustion of raw lignite under various conditions

烘焙會顯著改變褐煤結(jié)構(gòu)并降低煤粉顆粒的揮發(fā)分，進而影響煤粉顆粒的著火和燃燒特性。經(jīng)200 ℃烘焙的褐煤顆粒在不同熱協(xié)流溫度和O2體積分數(shù)下的煤粉火焰圖像如圖3所示，在圖3中定性標記煤粉燃燒起始位置及其變化趨勢。從燃燒整體形態(tài)看，烘焙過的煤粉顆粒燃燒火焰與未烘焙的煤粉顆粒基本保持一致。煤粉均在進入熱協(xié)流后迅速著火燃燒，火焰集中在中心軸線附近，并且在燃燒前期，徑向范圍內(nèi)揮發(fā)分燃燒形成的火焰較明顯。

圖3 200 ℃烘焙褐煤顆粒燃燒時火焰圖像Fig.3 Flame image from the combustion of upgrading lignite prepared at 200 ℃ under various conditions

熱協(xié)流溫度1 873 K、O2體積分數(shù)21%時，不同烘焙溫度下煤粉顆粒的火焰圖像如圖4所示。由圖4可知，褐煤未烘焙預(yù)處理時，煤粉火焰在軸向的分布較長，亮度較高，隨烘焙預(yù)溫度升高，火焰長度明顯縮短且亮度降低。這主要是低溫烘焙預(yù)處理引起褐煤部分揮發(fā)分釋放，煤粉顆粒中揮發(fā)分降低和固定碳升高，而揮發(fā)分降低會導(dǎo)致火焰分布范圍變小和火焰亮度降低。

圖4 不同烘焙溫度下煤粉燃燒火焰圖像Fig.4 Effect of torrefaction temperature on the flame image from the combustion of lignite

2.2 褐煤顆粒的著火延遲距離

第2.1節(jié)主要針對煤粉火焰亮度和著火位置進行定性分析，為進一步定量分析煤粉火焰圖像，通過Matlab軟件將彩色圖像轉(zhuǎn)換為8位灰度圖，獲得火焰光強值沿中心軸線的分布。O2體積分數(shù)5%、不同熱協(xié)流溫度下褐煤顆粒歸一化火焰光強軸向分布如圖5所示(虛線標記峰值20%的具體位置)。由圖5可知，不同熱協(xié)流溫度下光強分布曲線均在前期急劇上升，且熱協(xié)流溫度的升高會使曲線斜率增大，表明環(huán)境溫度升高促進煤粉著火和燃燒。結(jié)合已有著火判定方法和本文試驗結(jié)果，定義光強值達到峰值強度的20%時煤粉顆粒發(fā)生著火[19]，由此計算得到著火延遲距離，用來表征煤粉顆粒開始燃燒的位置。

圖5 褐煤火焰光強歸一化軸向分布Fig.5 Axial distribution of normalized intensity of light from the combustion of raw lignite

采用上述煤粉火焰圖像處理方法，定量得到不同熱協(xié)流溫度和O2體積分數(shù)下褐煤煤粉著火延遲距離如圖6所示。熱協(xié)流溫度由1 473 K升高至1 873 K，著火延遲距離明顯縮短，這與圖3煤粉火焰圖像定性結(jié)果一致。以O(shè)2體積分數(shù)5%下褐煤燃燒工況為例，熱協(xié)流溫度由1 473 K升高至1 873 K，著火延遲距離由2.41 cm減小至1.13 cm。熱協(xié)流溫度為1 473 K，O2體積分數(shù)由5%增至21%，煤粉著火延遲距離則由2.41 cm減小至2.08 cm。結(jié)果表明，適當提高煤粉燃燒環(huán)境溫度和O2體積分數(shù)均能促進煤粉顆粒預(yù)熱和著火，環(huán)境溫度升高能促進揮發(fā)分釋放，使煤粉顆粒周圍揮發(fā)分濃度提高并導(dǎo)致煤粉著火提前；提高O2體積分數(shù)能促進熱協(xié)流中O2向顆粒表面擴散，促使揮發(fā)分釋放后迅速燃燒，有利于煤粉顆粒著火。

圖6 O2體積分數(shù)對褐煤顆粒著火延遲距離的影響Fig.6 Effect of oxygen concentration on the ignition delay distance from the combustion of raw lignite under various temperatures

2.3 不同烘焙溫度下煤粉的著火延遲距離

進一步分析不同烘焙溫度下煤粉顆粒的火焰圖像，O2體積分數(shù)5%時不同熱協(xié)流溫度下200 ℃烘焙褐煤顆粒歸一化火焰光強軸向分布如圖7所示?？芍?00 ℃烘焙褐煤顆粒與未烘焙褐煤顆粒在軸向光強整體分布趨勢一致，光強均在煤粉燃燒初期迅速增加，達到峰值后逐漸下降。但200 ℃烘焙褐煤顆粒燃燒時軸向火焰光強增加速率較未烘焙褐煤小，說明褐煤烘焙后導(dǎo)致煤粉樣品中揮發(fā)分減少，不利于揮發(fā)分釋放和燃燒。

圖7 200 ℃烘焙褐煤顆?；鹧婀鈴姎w一化軸向分布Fig.7 Axial distribution of normalized intensity of light from the combustion of upgrading lignite prepared at 200 ℃

進一步對比200 ℃烘焙褐煤和未烘焙褐煤顆粒在不同熱協(xié)流溫度和O2體積分數(shù)下的著火延遲距離，如圖8所示。由圖8可知，O2體積分數(shù)5%時，熱協(xié)流溫度由1 473 K升高至1 873 K，200 ℃烘焙褐煤的著火延遲距離由2.65 cm減小至1.26 cm。熱協(xié)流溫度為1 473 K時，O2體積分數(shù)由5%增至21%，200 ℃烘焙褐煤的著火延遲距離則由2.65 cm減至2.37 cm?？梢?，200 ℃烘焙褐煤著火延遲距離隨熱協(xié)流溫度和O2體積分數(shù)的變化趨勢與未烘焙褐煤顆粒一致。經(jīng)烘焙的褐煤顆粒在相同熱協(xié)流溫度和O2體積分數(shù)下的著火延遲距離稍大于未烘焙褐煤顆粒。在O2體積分數(shù)5%下，1 473、1 673和1 873 K時200 ℃烘焙褐煤的著火延遲距離較未烘焙褐煤顆粒分別增加了0.24、0.28和0.13 cm，表明烘焙過程中揮發(fā)分的損失也會導(dǎo)致煤粉顆粒著火延遲。

圖8 O2體積分數(shù)對200 ℃烘焙褐煤和未烘焙褐煤顆粒著火延遲距離的影響Fig.8 Efect of oxygen concentration on the ignition delay distance from the combustion of raw lignite and its upgrading samples prepared at 200 ℃ under various temperatures

進一步對比了1 673 K下不同烘焙溫度褐煤煤粉顆粒的著火延遲距離如圖9所示?？芍煌姹簻囟认?，煤粉顆粒的著火位置均較褐煤有所延遲，且著火延遲距離差距隨烘焙溫度的增加而縮短。以O(shè)2體積分數(shù)5%為例，200、250和300 ℃下對應(yīng)的著火延遲距離較褐煤的增值分別為0.28、0.16和0.11 cm。這主要是由于褐煤低溫烘焙過程中揮發(fā)分受熱析出，引起煤焦顆粒破碎，造成粒徑及孔隙結(jié)構(gòu)變化。文獻[20]表明隨著烘焙溫度升高，煤焦顆粒粒徑更小，孔隙結(jié)構(gòu)更發(fā)達，比表面積和孔體積增加，均有利于氧氣和顆粒表面充分接觸，促進著火發(fā)生，從而降低著火延遲距離。

圖9 不同烘焙溫度下褐煤顆粒的著火延遲距離Fig.9 Effect of torrefaction temperature on the ignition delay distance from the combustion of lignite

3 結(jié) 論

1)隨熱協(xié)流溫度和O2體積分數(shù)提高，褐煤著火延遲距離縮短、火焰亮度增加。O2體積分數(shù)5%，熱協(xié)流溫度由1 473 K升至1 873 K，褐煤的著火延遲距離由2.41 cm減至1.13 cm，而火焰亮度峰值增加了16%。1 473 K下，隨O2體積分數(shù)由5%提高至21%，褐煤的著火延遲距離由2.41 cm減至2.08 cm。

2)烘焙褐煤的著火延遲距離隨熱協(xié)流溫度和O2體積分數(shù)變化趨勢與未烘焙褐煤顆粒一致。O2體積分數(shù)5%下，熱協(xié)流溫度由1 473 K升至1 873 K，200 ℃烘焙褐煤的著火延遲距離由2.65 cm減至1.26 cm。1 473 K下，隨O2體積分數(shù)由5%提高至21%，200 ℃烘焙褐煤的著火延遲距離由2.65 cm減至2.37 cm。

3)不同烘焙溫度下煤粉顆粒的著火位置較褐煤均有所延遲，且差距隨烘焙溫度的增加而縮短。以1 673 K、O2體積分數(shù)5%為例，200、250和300 ℃下對應(yīng)的著火延遲距離較褐煤增值分別為0.28、0.16 和0.11 cm。