准东煤燃烧颗粒表面温度测量试验研究

蔡传琦， 吕为智

(1. 五彩湾发电有限责任公司， 新疆昌吉 831799；2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

准东煤作为一种低阶煤，具有碱金属含量高的特点。直接燃用准东煤会使锅炉屏式过热器产生严重结渣、沾污等问题，影响锅炉安全运行，这些问题限制了准东煤的大规模应用[1-3]。因此，对准东煤的着火过程、燃烧颗粒表面温度等特点进行研究，有利于深入全面了解准东煤特性，具有重要意义。

研究煤粉燃烧特性的方法主要有热天平法、携带流反应器法、管式炉法等，目前通过这些方法已经得到了很多有价值的数据和结论。但是，通过这些方法很难直观捕捉煤粉颗粒在燃烧时的形态、温度。同时，煤粉颗粒在燃烧过程中，温度是评价煤粉颗粒燃烧剧烈程度及燃烧特性的非常直观的指标。因此，测量出燃烧时的煤粉颗粒表面温度非常重要。

刘威等[4]利用高温钼丝电热炉和摄像系统对高碱准东煤在不同气氛下的燃烧特性进行研究，发现准东煤的碱含量较高、挥发分含量较高、灰分含量较低，因此具有极易燃烧、燃烧过程剧烈并伴有明亮火光、极易燃尽等特点。YUAN Y等[5]基于Hencken燃烧器，使用增强电荷耦合器件(ICCD)等设备对在1 200～1 800 K内不同气氛中燃烧的高灰熔点褐煤、高灰熔点烟煤、低灰熔点烟煤，进行颗粒表面温度测量，并在此基础上分析环境温度、供氧量及煤阶对点火延迟特性的影响，最终建立了燃烧瞬态模型。孔庆恩[6]利用McKenna平面火焰燃烧器与彩色摄像机搭建测温平台，利用黑体炉与标准光源进行标定，结合双色测温法并基于BP神经网络统计计算煤粉燃烧温度随高度的变化，发现在煤粉燃烧过程中，随着距燃烧器喷口距离的增大，颗粒表面温度整体先上升后以一定速率下降。综合来看，上述研究基于对煤粉颗粒表面温度的测量及变化来定性表征煤粉颗粒燃烧特性，但是未深入揭示煤粉颗粒燃烧特性与煤质特性之间的关联性。

准东煤作为一种高碱煤，其燃烧后的沾污结焦现象较为严重。为了表征准东煤在燃烧过程中的颗粒表面温度变化及其燃烧特性，笔者采用McKenna平面火焰燃烧器与彩色摄像机搭建煤粉测温平台，燃用准东煤、褐煤、烟煤，基于双色测温法对试验煤样的颗粒表面温度进行测量与定性分析，通过对不同煤种的煤质特性及颗粒表面温度进行对比分析，对准东煤的燃烧特性进行深入表征和揭示。

1 试验设备及过程

1.1 燃料特性

准东煤的煤阶介于褐煤与烟煤之间，经统计发现，准东煤的挥发分含量与褐煤相近，发热量与烟煤相近。为了表征准东煤的燃烧特性，选取褐煤及烟煤与典型的准东煤进行试验对比。通过对大量煤种的基本成分进行分析，最终选用烟煤1、烟煤2及褐煤与准东煤进行对比试验。4种煤样的工业分析、元素分析和低位发热量见表1。烟煤1与准东煤的低位发热量及灰分含量的差异较大，其他成分含量较为相近；烟煤2、褐煤均与准东煤的灰分含量有差异，而其他成分含量较为相近。

按照GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》进行制灰，利用TOPEX微波消解仪对灰分进行消解，并利用Prodigy型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP)进行煤灰成分分析，得到的结果见表2。

表2 煤灰成分分析结果 %

由表1和表2可得：准东煤的灰分含量较低、挥发分含量较高、硫含量较低；对于Na2O、CaO、MgO，准东煤的含量都远高于烟煤1、烟煤2及褐煤，而对于SiO2，烟煤1、烟煤2及褐煤的含量均高于准东煤。因此，准东煤是灰分含量低、硫含量低、挥发分含量高、碱及碱土金属含量高的煤种。

1.2 测温原理

辐射测温的原理是根据被测物体热辐射的亮度或辐射能与波长和温度之间的函数关系，计算出被测物体的温度[7-8]。双色测温法的原理是基于固体的热辐射，火焰中存在的炭黑通过明亮的火焰向外辐射固体辐射波。由固体辐射波规律，粒子的温度可以等同于周围燃烧场的温度，根据热辐射理论可以推导得到辐射强度与燃烧场温度的关系[9]。双色测温法测量来自相同表面在2种波长下的发射辐射流[10]，测量基于灰体假设，对于温度测量的表面，发射率与波长是相互独立的。在高温仪器的工作波长下，双色测温法需要测出燃烧过程中火焰的固体粒子辐射光，从3种基色中选择2个波段进行研究，再从图像中得到各自的辐射强度。

采用双色测温法测量煤粉燃烧时的颗粒表面温度，通过拍摄燃烧火焰瞬时图像，利用光辐射理论和计算机图像处理技术计算出整个温度场，系统由McKenna平面火焰燃烧器、成像系统(镜头)、彩色摄像机、图像采集和分析软件组成，架构见图1[11]。

图1 测温系统结构图

燃烧测温试验采用McKenna平面火焰燃烧器辅助提供稳定、非预混火焰；采用型号为WP-1×150远心镜头；采用型号为BOBCAT 2.0 B1411 Specifications的彩色摄像机，分辨率为1 392×1 040，传感器型号为ICX-267；采用型号为HFY-203B的黑体炉。

1.3 试验方法

测温平台由McKenna平面火焰标准燃烧器、配气系统、煤粉螺旋给料装置、燃烧器冷却水循环系统、排气系统组成。煤粉燃烧系统见图2。

图2 煤粉燃烧系统

首先采用BP神经网络训练对测温平台进行标定，对黑体炉进行拍摄并采集图像，黑体炉温度由1 073 K升至1 473 K，共采集140张图像作为训练数据，根据彩色摄像机拍摄黑体炉获得的r、g通道灰度作为输入，对应温度作为输出，BP神经网络学习140组训练数据后，通过图像灰度预测输出温度，最终结果的相对误差大部分可控制在1.5%内，因此所建立的模型具有一定可靠性。

试验煤种为准东煤、烟煤1、烟煤2及褐煤，4种煤样均经过研磨、筛分并去除外水，控制颗粒粒径小于100 μm；甲烷按化学当量比为1进行配气，体积流量设定为1 L/min；预混空气体积流量为9.525 L/min，送煤空气体积流量为4.5 L/min。

试验开始时，先开启甲烷与空气的气体阀门，将经过预混后的甲烷和空气输送入带中心管的燃烧器表面，用点火器点燃预混气体，在燃烧器表面形成稳定的平面火焰，为煤粉燃烧提供高温环境；煤粉自下而上由螺旋给料装置伴随一定量空气输送至燃烧器，被甲烷点燃后迅速燃烧；彩色摄像机中心与燃烧器中心正对，同时保证相机视场最低端与燃烧器喷口表面平面重合，待燃烧稳定后开始拍摄，每种煤样分别采集约1 500张图像[12]。

2 结果与分析

试验采集到4种煤样的燃烧煤粉颗粒轨迹图，每张图像的分辨率都为1 392×1 040，对应视野内煤粉燃烧区域截面尺寸为120 mm×90 mm。得到4种煤样的图像后，采用标定训练过的BP神经网络算法进行处理。测温平台暴露在大气环境下，煤粉燃烧过程中散热量大，为了保证测得的温度是颗粒燃烧表面温度而不是颗粒群或者火焰的温度，需要适度控制给煤量，因此会采集到一些无颗粒燃烧的图像。算法中对图像进行预处理，设定一张图像内平均灰度低于5时认为无颗粒燃烧，同时将这张图像剔除。每种煤样选取典型的3张温度分布图像进行展示，具体见图3～图6。

由图3～图6可得：燃烧过程中的颗粒明显有3层温度区域，并且由内向外温度逐渐降低：轨迹中心温度最高，可达1 340 K以上，认为该温度为煤粉颗粒燃烧的温度，煤粉颗粒周围为含炭黑的煤粉火焰温度，约为1 240 K。

图3 准东煤颗粒轨迹温度分布

图4 烟煤1颗粒轨迹温度分布

图5 烟煤2颗粒轨迹温度分布

图6 褐煤颗粒轨迹温度分布

为了更直接地表征煤样颗粒表面温度沿高度的分布特性，对4种煤样所采集的数据进行温度处理，处理数据将每一行像素的温度取平均值(当像素灰度≤5时，不进行温度计算)，得到颗粒表面温度沿燃烧器喷口高度的分布见图7。

图7 4种煤样颗粒表面温度沿燃烧器喷口高度的分布

4种煤样的最高温度及其对应的高度见表3。

表3 4种煤样颗粒表面最高温度参数

测温平台搭建在开阔的环境中，外界的扰动对试验影响很大，因此得到各种煤样的颗粒表面温度都偏低。4种煤样颗粒表面温度曲线变化趋势相似，沿高度整体呈先上升后下降最后小幅波动并有略微上升的趋势。

在0～3 mm，4种煤样均出现颗粒表面最高温度。这是因为燃烧器喷口附近的甲烷气体燃烧温度较高，气体环境温度带动煤粉颗粒燃烧，并对煤粉颗粒有加热升温作用，煤粉受热伴随挥发分析出并着火燃烧。因此，大部分颗粒在距燃烧器喷口3 mm内就发生剧烈燃烧。在3～20 mm，4种煤样的颗粒表面温度逐渐下降。这说明随着高度的增加，挥发分进一步析出燃烧，并且外界甲烷的加热作用使煤粉颗粒着火，但此时颗粒距燃烧器喷口有一定的距离，甲烷气体燃烧作用减弱、散热作用加强，因此颗粒表面温度出现下降趋势。在20～90 mm，4种煤样的颗粒表面温度稳定在一定范围内，并且伴有小幅波动和略微上升趋势。这说明煤粉燃烧放热和向环境散热已趋于稳定，煤粉颗粒燃烧程度已减弱，颗粒表面温度分别稳定在某个温度附近；随着高度的增加，一部分未完全燃尽的煤粉颗粒在燃烧器喷口持续受热，其固定碳会在此区间完全燃尽，导致温度有小幅上升的趋势。

准东煤、烟煤1比烟煤2、褐煤的固定碳含量更高(见表1)，燃尽过程中释放的热量会更多，因此准东煤和烟煤1在温度曲线尾部有较为明显的上升。

在试验过程中，准东煤的燃烧明显比其他3种煤样的燃烧更为剧烈，火光呈白色且最为明亮，而烟煤2的燃烧最温和，火光呈暗黄色。通过分析得到，4种煤样按照颗粒表面温度由高到低依次为准东煤、褐煤、烟煤1、烟煤2，说明低灰分、高碱及碱土金属的准东煤颗粒表面温度最高。

通过对比表1、表2和表3中的数据，可以得到：与烟煤1相比，准东煤灰中Na2O质量分数高9.24倍、CaO质量分数高10.17倍，而准东煤的颗粒表面最高温度比烟煤1高5.29%；与烟煤2相比，准东煤灰中Na2O质量分数高1.7倍、CaO质量分数高8.96倍，而准东煤的颗粒表面最高温度比烟煤2高7.15%；与褐煤相比，准东煤灰中Na2O质量分数高91.41%、CaO质量分数高5.81倍，而准东煤的颗粒表面最高温度比褐煤高5.29%。这些数据表明灰分含量低、发热量高、挥发分含量高、碱金属含量高的准东煤的燃烧温度相对较高。

3 结语

(1) 4种煤样的颗粒表面温度变化趋势相似，都是沿高度先上升后下降最后稳定在一定范围内波动同时有小幅上升的趋势，并且4种煤样的颗粒表面最高温度都出现在距离燃烧器喷口2 mm处。

(2) 准东煤的燃烧明显比烟煤1、烟煤2、褐煤的燃烧更剧烈，燃烧过程中的火光最明亮；烟煤2的燃烧过程最温和，火光呈暗黄色。4种煤样按照颗粒表面温度由高到低依次为准东煤、褐煤、烟煤1、烟煤2。由于准东煤是灰分含量低、碱及碱土金属含量高的煤，燃烧时颗粒表面温度最高。