煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

桂欣扬, Aymeric Alliot, 杨 斌，周 骛，平 力，蔡小舒

上海理工大学，颗粒与两相流测量研究所/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

桂欣扬, Aymeric Alliot, 杨 斌*，周 骛，平 力，蔡小舒

上海理工大学，颗粒与两相流测量研究所/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093

针对煤粉燃烧辐射光谱问题，利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量，详细分析了煤粉辐射光谱特征，并基于普朗克辐射传热定律，通过对光谱仪波长响应特性的标定，得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况，进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数，由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量，开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究，研究结果表明： 煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征，基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量；煤粉燃烧火焰辐射光谱在590，766，769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线，并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关；随着煤粉浓度的提高，虽然燃烧温度变化不大，但由于火焰辐射率的增加，造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。

辐射光谱；煤粉燃烧；温度测量；辐射率测量；燃烧诊断

引 言

煤炭燃烧目前仍占我国一次能源消费的70%以上，是我国实施节能减排和环境保护国家战略的关键问题[1]。为提高燃烧效率及优化调节控制，工业锅炉通常采用煤粉炉形式，将煤燃料制成几十微米粒径的煤粉，随空气一起进入燃烧室中，在悬浮状态下燃烧，火焰通过辐射传递热量满足工业需求[2]。火焰作为煤粉燃烧的现象表征，其辐射光谱蕴含着大量与燃烧特征参数相关的信息，并且煤粉火焰主要依靠焦炭粒子发光辐射热量，其辐射力一般比透明火焰大2～3倍[3-4]。因此，煤粉燃烧火焰辐射光谱研究不仅可为揭示燃烧机理提供数据支撑，并且直接关系到能源的高效利用。

煤粉燃烧火焰的辐射和吸收是在整个容积中同时进行的。火焰主要由三原子气体(CO2和H2O等)和悬浮固体粒子(炭黑、飞灰、焦炭粒子)所组成，两者的辐射与吸收特征完全不同： 三原子气体辐射集中在红外波段，并且由于分子吸收特性，光谱呈现带状特征；固体粒子辐射为连续光谱，并且特定条件下金属原子被激发将产生很强的原子发射谱线[5-6]。而煤粉辐射光谱正是这些特征的综合效果。从不同光谱波长段的辐射机理来说，紫外和可见光波段辐射一般由电子能量的变化产生；近红外波段光谱则主要来源于分子振动能和转动能的变化。因此，对于紫外波段主要关注燃烧反应中激发的电子能级跃迁产生的离散光谱；可见光波段主要关注炭黑等悬浮固体颗粒等灰体燃烧产生的连续辐射光谱；近红外和红外区域则主要通过分析燃气组分及燃烧产物如H2O，CO2和CO等反映燃烧现象从而得到温度和气体产物浓度[7]。综合关注光谱范围、仪器造价及工业应用等因素，针对可见光和近红外波段范围，选用200～1 100 nm波段光纤光谱仪，对煤粉燃烧火焰辐射光谱开展实验研究。通过详细分析煤粉辐射光谱特征与火焰参数的关系，建立基于辐射光谱的燃烧参数测量方法，可为燃烧的优化组织与能源的高效利用提供重要参考。

1 实验部分

火焰辐射光谱测量装置如图1所示，火焰辐射信号经探头中的透镜汇聚于光纤接口端面并由光纤将其传输至光纤光谱仪中。该信号在光谱仪中经模数转换后送入计算机进行数据记录和处理。

图1 辐射光谱法实验原理示意图

煤粉燃烧实验系统如图2所示，主要由平面火焰炉、石英玻璃管、透镜、探头和光纤光谱仪等组成。甲烷和空气按照设定流量送入平面火焰炉，经充分预混后，在平面炉上方点燃并稳定燃烧，为煤粉燃烧提供初始环境温度。由于甲烷预混燃烧较充分，甲烷燃烧产物主要为气态H2O和CO2分子，这些三原子气体分子辐射在200～1 100 nm波段很弱，可作为背景光处理。煤粉管路位于火焰炉中央，煤粉由空气携带气力输运至火焰内着火燃烧。同时，在平面火焰外侧设置氮气环与石英玻璃管以稳定火焰及隔绝环境中空气的影响。实验中，通过改变甲烷和空气的流量调节煤粉燃烧环境温度，通过改气力输运空气流量来改变煤粉颗粒浓度来研究不同条件下煤粉燃烧火焰辐射光谱特征。

图2 煤粉燃烧实验系统示意图

2 结果与讨论

2.1 煤粉辐射光谱特征

利用火焰辐射光谱测量装置对煤粉燃烧实验系统不同工况下煤粉燃烧火焰辐射光谱进行测量。典型工况辐射光谱如图3所示，可以看出煤粉燃烧火焰辐射光谱在200～1 100 nm波段为连续的光谱。这是因为固体颗粒辐射率较高，且随波长变化不大，可看作灰体。因此，根据该特征，可以依据普朗克定律，建立不同波长下辐射强度与温度的关系，得到火焰温度与辐射率参数，从而建立煤粉燃烧火焰参数测量方法。

此外，还可以看出辐射光谱在590，766，769和779 nm处出现了明显的原子光谱辐射谱线。根据美国国家标准与技术研究院原子光谱数据库(NIST Atomic spectra database)查询，可知为碱金属元素产生的原子发射谱线，其中590 nm处来自Na元素，而766，769和779 nm三处为K元素。且这些碱金属痕量元素原子辐射谱线的出现与温度有关。

图3 煤粉燃烧火焰典型辐射光谱

2.2 基于辐射光谱的火焰参数测量方法

辐射光谱法是基于普朗克辐射定律提出的一种测温方法，由普朗克定律可知，火焰辐射波长λ与辐射强度Eλ[W·m-2]的关系为

(1)

其中，ε(λ,T)为辐射率函数，C1和C2为第一、第二辐射常数，T[K]为辐射温度。煤粉燃烧产物主要为CO2和H2O、固体颗粒组成。CO2和H2O为三原子气体分子，其辐射光谱为不连续的带状光谱，且主要分布于红外波段，在测量波长范围内辐射强度较弱，可忽略不计。实验获得的较强且连续的辐射光谱主要来自于炭黑、飞灰、焦炭粒子等高温固体颗粒的辐射。由于高温固体颗粒辐射光谱具有连续特征，辐射率随波长变化不大，因此，为简化计算，可将煤粉燃烧火焰视为灰体，即辐射率函数不随波长变化，即为ε(T)。通过获得不同波长下的火焰辐射强度，剔除碱金属元素原子发射谱线等不平滑部分光谱，根据式(1)可建立不同波长下辐射强度方程组，从而可求解得到温度T及辐射率ε，从而建立煤粉燃烧火焰参数测量方法。

由于光谱仪电荷耦合元件(charge-coupled Device, CCD)信号响应随波长变化，即光谱仪获得的辐射光谱并非火焰绝对辐射光谱。因此，需要利用黑体炉对光谱仪辐射响应系数进行标定。如图4所示，为黑体炉在温度1 200 ℃时，光谱仪获得的实验曲线V’(Iλ)[count](实线)及依据式(1)计算得到的理论辐射光谱V(Iλ)[W·m-2](虚线)，由此通过标定实验可获得如图5所示的CCD响应修正系数kλ

(2)

图4 1 200 ℃下黑体理论计算及实验所得光谱

图5 CCD响应修正系数

由此便可将光谱仪获得光谱转化为火焰绝对辐射光谱

(3)

其中：ε为火焰在检测波段的平均辐射率，T[K]为视场平均温度，k为光纤光谱仪响应修正系数，与CCD响应、探头结构、尺寸、透镜焦距等参数有关，一旦测量系统确定，此系数为定值。对式(3)两边取对数，可得

(4)

令ε′=lnε，t=1/T，确定最小二乘法目标函数f(ε′)

(5)

当f取最小值时，对应的ε和T即为所求。

根据上述方法，对图3所示典型工况下煤粉燃烧火焰辐射光谱进行处理，获得了590～960 nm波段煤粉火焰绝对辐射光谱，如图6所示。依据普朗克定律，通过最小二乘法拟合，可获得该工况下，测量区煤粉火焰温度为1 244.4 K，火焰辐射率为0.17。实验中，利用K型热电偶测量相同区域燃烧温度，结果为1 194.5 K，以此作为参考值。辐射光谱法测温结果与热电偶测温结果相对偏差为4.2%，如表1所示，由此验证了该方法测量的准确性。

图6 CCD响应强度标定后火焰绝对光谱

表1 辐射光谱与热电偶测温结果比较

2.3 不同燃烧条件下的煤粉火焰辐射光谱分析

通过调节平面火焰炉甲烷和空气流量来改变实验条件，获得不同燃烧条件下煤粉火焰辐射光谱，如图7所示。依据上述火焰参数测量方法，计算各实验工况下火焰温度与辐射率参数，实验工况与测量结果如表2所示。

图7 不同工况煤粉火焰辐射光谱

表2 煤粉燃烧实验参数及测量结果

根据表2所示实验工况与测量结果可知，随着平面火焰炉甲烷与空气流量工况变化，平面火焰温度有较大变化，但煤粉燃烧火焰温度变化不大。这是因为煤粉由输运空气送至平面火焰中央，接近空气与火焰分界面的煤粉颗粒被火焰加热着火燃烧，而气流中心区域的煤粉颗粒温度低并未发生燃烧。实验获得的辐射光谱来自于煤粉燃烧火焰，在确定高度下，虽然环境温度变化，但煤粉着火燃烧进程基本相近，因此测量的煤粉火焰温度相近。可见如图7所示，火焰辐射光谱峰值并未发生较大变化。然而降低煤粉输运浓度时，由于颗粒燃烧表面减少，如图7所示的火焰辐射强度明显减弱，因此，如表2所示测得的辐射率也在显著降低。

根据上述分析可知，在工业过程中，煤粉燃烧温度可调节范围有限前提下，应尽可能适当减小煤粉颗粒粒径或增加煤粉浓度以增大燃烧总表面，提高火焰辐射率以增强辐射换热量。

此外，在不同实验工况下，煤粉燃烧火焰辐射光谱在590，766，769和779 nm附近均可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线，并且这些原子谱线的出现及强度与火焰温度及煤粉浓度有关。

3 结 论

(1)煤粉燃烧火焰200～1 100 nm波段辐射光谱主要来自炭黑、飞灰、焦炭粒子等高温固体颗粒，其辐射光谱呈现连续特征，辐射率随波长变化不大，可将煤粉火焰视作灰体，并且在一定温度条件下，辐射光谱会在特定波长处出现较强的碱金属痕量元素原子发射谱线。

(2)针对煤粉燃烧火焰辐射光谱在200～1 100 nm波段连续特征，提出基于辐射光谱的煤粉燃烧火焰参数测量方法，并利用热电偶测温方法验证了该方法温度测量的准确性。

(3)对比不同实验工况下煤粉燃烧火焰辐射光谱可知，在确定测量区域内，由于煤粉燃烧进程相似，火焰温度相差不大；降低煤粉输运浓度，火焰辐射光谱强度明显减弱，火焰辐射率大幅减小。可知，在工业锅炉中，由于温度调节受限，可适度减小煤粉颗粒粒径或增大煤粉浓度以增强炉内煤粉燃烧辐射换热。

[1] China Energy Statistical Yearbook 2013(中国能源统计年鉴2013). Department of Energy Statistics, the National Bureau of Statistics, the People’s Republic of China(国家统计局能源统计司), 2013.

[2] CHE De-fu(车德福). Boilers——Theory, Design and Operation(锅炉——理论、设计及运行). Xi’an Jiaotong University Press(西安交通大学出版社), 2008.

[3] Holman J P. Heat Transfer(传热学). China Machine Press(机械工业出版社), 2011.

[4] Modest Michael F. Radiation Heat Transfer, Elsevier, 2013.

[5] Aleksandar Saljnikov, Mirko Komatina, Vasilije Manovic, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(5): 2871.

[6] ZHANG Xiao-bo, ZHAO Hong, YANG Jian-guo(张骁博, 赵 虹, 杨建国). Journal of China Coal Society(煤炭学报), 2011, 36(6): 999.

[7] Robert Johansson, Bo Leckner, Klas Andersson, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 65: 143.

(Received Sep. 5, 2015; accepted Jan. 15, 2016)

*Corresponding author

Research on Radiation Spectrum of Pulverized Coal Combustion Flame

GUI Xin-yang, Aymeric Alliot, YANG Bin*, ZHOU Wu, PING Li, CAI Xiao-shu

Institute of Particle and Two-Phase Flow Measurement/Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

In order to study on radiation spectrum of pulverized coal flame, radiation spectrums of pulverized coal flame on flat flame burner were measured with fiber optic spectrometer and the radiation characteristic was analyzed in detail. Distribution curves of radiation intensity of flame with wavelength were obtained based on Planck’s Law and calibration by using blackbody furnace. Then, combustion parameters such as temperature and emissivity were calculated by using least square method. Therefore, the measurement method based on radiation spectrum of pulverized coal flame was proposed. And the experimental investigations on pulverized coal flame under different conditions were carried out with this method. The result shows that the radiation spectrum of pulverized coal flame is significant and continuous in the wavelength ranging from 200 to 1 100 nm.The temperature and emissivity of flame can be determined by using Planck’s Law and least square method. Meanwhile, emission peaks of alkali metal such as sodium and potassium appear on the radiation spectrum of pulverized coal combustion flame near 590, 766, 769 and 779 nm, and the appearance of these emission lines is related with temperature. When the concentration of pulverized coal is increasing, the temperature of pulverized coal flame has a little change but the emissivity changes obviously. The intensity of radiation is increasing greatly with emissivity. It can provide important reference for combustion optimization of boiler.

Radiation spectroscopy; Pulverized coal combustion; Temperature measurement; Emissivity measurement; Combustion diagnostic

2015-09-05，

2016-01-15

国家自然科学基金项目(51327803，51206112), 上海市科委科研计划项目(13DZ2260900)，华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室开放课题基金项目(2016KY11-046)和上海高校青年教师培养资助计划项目(ZZslg15002)资助

桂欣扬，1991年生，上海理工大学颗粒与两相流测量研究所硕士研究生 e-mail: nemomayday@126.com *通讯联系人 e-mail: yangbin@usst.edu.cn

O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3492-05