煤粉燃燒熱態試驗研究方法綜述

王學文，王乃繼，陳福仲，羅 偉，崔豫泓，趙振益

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點試驗室，北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點試驗室，北京 100013；4.濟南熱力集團，山東 濟南 250000；5.甘肅慶陽市西峰城區熱力集團有限公司，甘肅 慶陽 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稱[1]，是實現燃料穩燃和低氮的關鍵部件。根據燃料種類可分為燃煤、燃氣、燃油等3種燃燒器，設計良好的燃燒器應具有噪聲小、燃燒效率高、火焰穩定等性能。煤粉燃燒器在使用過程中，會產生SO2、NOx等氣態污染物質以及飛灰、固體殘渣等固態污染物質。國家環保部于2014年出臺了新建燃煤工業鍋爐的大氣排放標準[2]，重點地區顆粒物的排放不超過30 mg/m3，SO2、NOx不超過200 mg/m3，因此，融合空氣分級燃燒和煤粉濃縮理念，研發新型高效低氮煤粉燃燒器迫在眉睫。目前主要采用冷態試驗研究、數值模擬以及熱態試驗研究等3種方法評價煤粉燃燒器的性能，包括燃燒效率、火焰穩定以及低氮排放特性。

煤粉燃燒器的熱態試驗研究一般在高溫下進行，模擬真實煤粉顆粒的燃燒環境，獲得的數據對于開發設計高效、低污染的新型燃燒器，降低煤粉鍋爐污染物排放，研究煤粉工業鍋爐燃燒的穩定性、經濟性和清潔性等具有重要意義。文獻[3]對冷態試驗研究方法進行了研究梳理，但對熱態試驗研究方法的研究較少，本文重點闡述煤粉燃燒器熱態試驗相關研究方法。

目前煤粉燃燒器的熱態研究方法主要包括熱電偶測溫法、抽氣高溫測溫法、光譜法、水冷取樣法、灰示蹤法、光譜法以及化學溶液吸收法等，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程。本文介紹了目前煤粉燃燒器熱態的主要檢測手段，論述了各測試方法的基本原理及其存在的不足以及適用場所。

1 火焰溫度的測量

火焰溫度是煤粉燃燒過程的重要熱力學參數之一[4]，研究火焰溫度的測試技術，對煤粉燃燒器燃燒過程的理論基礎研究具有重要意義。煤粉燃燒器內溫度及其分布的定量測定，對于了解其燃燒過程、燃燒流場和燃燒產物的內在特性，建立合理的燃燒模型、進行精確的計算機模擬分析具有重要的指導意義，以計算模擬分析替代具體的實物試驗，可降低實物試驗的成本及其可能帶來的危險，加速新產品、新型號的開發和使用。

火焰溫度的測量，按測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；非接觸式包括雙色高溫計、光譜法等。

1.1 熱電偶測溫法

熱電偶是測量火焰溫度較常用的測溫元件[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]多應用于煤粉燃燒器，其測量極限溫度分別為1 600 ℃和1 200 ℃。熱電偶的測量原理是利用塞貝克效應，將不同導體的溫度信號轉換成熱電動勢信號，再通過電氣儀表轉換成被測物質的溫度。溫度差越大，產生的電信號越強，較強的電信號會轉變為較大的溫度差。其優點是測量燃燒器內高溫煙氣準確度高、靈敏度高、測量響應時間短，測量燃燒器內高溫煙氣較便捷、直觀，但隨著使用時間的延長，其精確度下降，需要定期維護和誤差修正[5-6]。另外，對于測量燃燒器有限空間的溫度，熱電偶定點測量會對本身的氣流造成干擾，且只能獲得單點的溫度，若要同時獲得某個截面的溫度分布，必須移動測量或同時布置多個熱電偶，但移動測量時熱電偶極易損壞，多點布置熱電偶使增加設備成本。

熱電偶的分度表在冷端溫度0 ℃下測得，在測量燃燒器熱態環境溫度時，需要根據測量環境溫度的變化進行誤差修正或補償。隨著對熱電偶測量氣流、火焰溫度研究的深入，許多學者分析了熱電偶測溫的誤差來源[7-9]，包括使用環境溫度梯度較大、火焰溫度波動大以及輻射散熱等誤差。針對環境溫度變化大特點，可采用冷端溫度修正法或電勢補償法降低測量誤差。高溫下，輻射散熱帶來的誤差最顯著，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 抽氣高溫測溫法

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

抽氣高溫測溫法是測量火焰溫度僅次于熱電偶的檢測方法之一，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，并進行高速抽氣，以減小普通熱電偶測量所帶來的輻射熱損失，使對流傳熱成為熱電偶傳熱的主導形式，從而最大程度地減少測量誤差。抽氣高溫測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，其長度根據實際測量環境確定，抽氣熱電偶的外徑大小根據抽氣流量和水冷截面確定。

與普通熱電偶相比，抽氣高溫測溫法測量誤差較小、準確度高，但存在以下誤差：① 傳導引起的誤差，在實際生產中，為了達到高效率，會選用小直徑的熱電偶，導熱可忽略不計；② 速度引起的誤差，提高抽氣速度，有利于增加對流傳熱系數，以強化對流傳熱，減少誤差。但抽氣速度也有限制，根據文獻[13]，工業爐內氣速80 m/s時，當抽氣速度為200 m/s時，熱電偶測量值與實際值的誤差小于3 ℃；抽氣速度為250 m/s時，其誤差小于5 ℃。一般情況下，測量600～1 500 ℃的煙氣時，抽氣速度為30～120 m/s[4]。抽氣速度過高(大于200 m/s)，由于氣流絕熱膨脹的影響，抽氣高溫測溫法的熱能轉變為速度能，使測量值偏低。另外，過高的抽氣速度時，由于蒸汽冷凝而堵塞管路，當氣體含有較多顆粒時，在壓力引出管中易沉積較多的顆粒。同時，研究表明，由于受感元件的限制，只限于高溫短時間的測量,否則會降低材料壽命，影響測量準確性[14]；另外，抽氣高溫測溫法操作復雜，配套設備較多，設備成本較高。方慶艷等[15]采用抽氣高溫測溫法對300 MW火焰鍋爐進行測溫試驗，得到燃燒器出口不同標高(爐膛內)的溫度分布，研究煤粉氣流進入爐膛后的燃燒特性。

1.3 光譜法

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

光譜法是測量火焰溫度的最常見方法之一。光譜法原理示意如圖2所示，與熱電偶和抽氣式測溫法相比，光譜法是光電技術和計算機圖像處理技術發展的產物，是基于CCD(電荷耦合器件)測溫技術和普朗克輻射定律，核心器件為彩色CCD，通常采用風冷和水冷方式減少高溫火焰的熱輻射作用，具有壽命長、耐灼傷、高清晰度等特點。其原理是通過彩色CCD將火焰光信號轉換為電信號，再通過三基色原理以及計算機圖像處理軟件獲得燃燒器火焰的溫度場[16]。但光譜法的設備成本較高、操作復雜。

國內外學者針對CCD與計算機圖像處理相結合在溫度場測量方面做了大量研究，基于CCD的測溫技術主要包括單色法、雙色法、三色法。單色法利用高溫熱電偶實際測量燃燒器內某一點的溫度，其他位置的灰度值通過與該參考點灰度值做比較獲得，單色法存在接觸法測溫的限制，而雙色法和三色法采用同一時刻、同一地點的信息，無需經過比對即可得到測量結果[17]。但雙色法和三色法對火焰特性和CCD光譜特性作了一定的簡化和假設，這些假設與實際工況相差較大，從而造成較大的測量誤差。張玉杰等[18]根據煤粉燃燒的實際特性，對火焰特性和CCD光譜特性進行了簡化，并在簡化基礎上進行了校正，使測量結果與雙色高溫計的測量結果較相符，誤差在±5%左右。

表1分析對比了3種火焰溫度測量方法的優劣，熱電偶測溫采用便捷、簡單的儀器，但精確度不高，且只能同時單點測溫，對火焰擾動較大；抽氣式高溫測溫準確度較熱電偶高，但操作復雜，對氣流易造成干擾。光譜法有足夠的精確度，對火焰擾動較小，可同時多點測量，能進行三維溫度場重建，但相較于前2種方法，其操作復雜、造價高。

表1 3種常見火焰溫度測量法的優點和缺點

2 氣體和固體的取樣與檢測

2.1 氣體和固體的取樣

取樣是從測量點提取具有代表性的混合物試樣，以便對其進行分析。為了使樣品更具代表性，必須對煤粉燃燒火焰中濃度不可避免的波動進行跟蹤，除了各組成氣體分壓外，所取樣品必須保持原來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下，包括煤粉熱解、各燃燒反應等。為了保持原混合物的濃度，需要等速取樣，取樣時間至少在1 min以上，經驗表明，當取樣時間大于1 min時，所取混合物的平均濃度再現性較好，當超過3 min時，所取混合物的平均分壓和平均濃度的結果更為理想[13]；另外需要“驟冷”，當取樣槍在燃燒器或爐膛內取樣時，氣流中包含尚在進行化學反應的物質，取樣管內正在進行化學反應，應采取合適的冷卻方法，中止其進行化學反應。研究表明，將試樣冷卻至300 ℃時，氣體和煤粉顆粒即使在有氧條件下也停止反應，一般冷卻3 ms即可達到300 ℃[4]。冷卻取樣法按照冷卻介質可分為水冷取樣法、油冷取樣法、風冷取樣法。由于水的比熱容相對較大，水冷取樣法是應用最廣泛的取樣方法。

水冷取樣法是分析燃燒器內煙氣實時成分的通用工具。水冷取樣管如圖3所示，鍋爐運行時，燃燒器內溫度為800～1 500 ℃，使一般低溫煙氣分析儀無法測量其煙氣組分。而水冷式取樣法的優點包括：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，凍結其高溫下進行的化學反應，使樣品更能代表取樣點的成分；③ 可將煙氣分析儀測量不到的樣品轉移到他處收集起來以供測量，拓展了煙氣分析儀的使用范圍。在燃燒器運行中，燃料燃燒產生的煙氣組成和顆粒可反映運行工況及其變化。通過測定的CO、H2等可燃氣體含量，可研究燃燒器以及爐膛的氣氛場；通過測定氮硫化合物、飛灰殘炭等含量，配合煙氣的脫硫脫硝、除塵以及燃燒技術的升級。

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600 MW電站鍋爐的低NOx旋流燃燒器火焰進行研究，測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]采用水冷取樣法對不同工況下燃燒器和爐膛中的煙氣組成進行了測定，分析了O2、CO2、CO、NOx濃度隨燃燒器結構參數和運行參數的變化，揭示了NOx的生成和還原機理，表明水冷取樣法可實現高溫下氣固兩相的準確取樣，為煙氣各組分濃度場的測量和燃燒器燃燒特性的研究奠定基礎。

2.2 固體樣品檢測

煤粉燃燒過程中，會產生大量煤焦顆粒，其物理和化學性質決定煤粉的燃燒特性，如幾何形狀、顆粒密度、孔隙結構等均是煤粉顆粒燃燒過程中傳質、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、含碳官能團等含量和各化學元素的組成比例，均對煤粉的燃燒以及污染物的生成關系密切，固體樣品的檢測分析可為燃燒器的開發定型提供依據。

2.2.1X射線光電子能譜分析(XPS)

XPS是測量煤焦固體顆粒含量的常用方法之一，其測量原理是用X射線輻射煤焦樣品，原子的核電子或價電子激發出，由于核電子結合能是元素的特征，通過測量被激發出的光電子結合能確定元素的氧化狀態或結合能，以結合能Ek為橫坐標、相對強度(脈沖1 s)為縱坐標，含氮官能團含量由其面積分數來確定。XPS可測定除氫和氦以外所有元素的特征[22]。XPS可定量分析，無需在線分析，但其僅檢測煤焦表面元素含量，其準確性需通過其他方法定量測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時，其表面氮含量和體積氮含量線性關性較好[23]。另外XPS易受環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)是根據燃燒前后灰分質量不變的性質來表示其他物質的方法。假設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行工業分析，通過灰分折算所求值，計算公式[24]為

揮發分析出量：

(1)

式中，V為揮發分析出量；A0為原煤樣中灰分質量分數；A1為燃燒后煤焦中灰質量分數。

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。

灰示蹤法優點為只取部分灰樣即可分析計算，無需收集全部灰樣，降低了操作難度，且不需在線氣體分析設備，降低了試驗裝置的復雜性。但灰示蹤法的基本假設是煤灰質量在燃燒過程中不變，煤中灰分不受顆粒停留時間、溫度變化影響，要求灰分不揮發，或至少在試驗中的揮發程度與工業分析中標準灰分試驗條件下發生的程度相同，但有學者指出，對于低灰分(小于10%)的固體燃料，灰示蹤法不適用，因為在高溫條件下，灰中低沸點的Na/K鹽和碳酸鹽類易分解，造成測量誤差[25-26]。Ballantyne等[27]也認為，低灰分煤在較低煤轉化率下的不確定性加大，且某些煤種(如褐煤)在實際反應氣氛條件與標準灰分試驗條件不同。灰示蹤法雖存在一定誤差，但總體誤差不大，是計算煤轉化率相對可靠的方法。

表2為XPS和灰示蹤法的比較，兩者均為煤粉燃燒過程中測量煤焦樣品化學組成的常用方法，均可定量分析固體煤焦樣品，但兩者檢測側重點不同：XPS主要分析化學官能團組成，灰示蹤法著重分析其元素組成，計算煤轉化率、元素釋放率等；XPS操作較繁瑣，灰示蹤法操作簡單。

表2 2種固體樣品檢測法優缺點比較

2.3 氣體樣品檢測

煤粉燃燒過程中產生的氣體多數為污染氣體，通過對燃燒過程中煙氣成分的檢測，可針對性采取污染物脫除技術或調整燃燒組織、工況，以最大程度減少污染氣體的排放。煙氣成分可評定煤粉燃燒過程的完全程度、燃料燃燒的工況、爐內各階段燃燒的特點、爐內工況與污染物排放的關系。

2.3.1電化學檢測法

電化學檢測法是根據被測氣體的電化學性質測定物質組成及含量的分析方法，是檢測煤粉燃燒產生的有害氣體的主要方法之一。在工程實際測量中，電化學檢測法依托于電化學氣體傳感器來測量氣體組成，電化學傳感器相當于一個電化學電池，由電解液和電極組成，當檢測氣體時，某種氣體在電極處發生氧化還原反應，檢測此時的電流，即可得出氣體濃度。與傳統傳感器相比，電化學傳感器作為氣體檢測的核心環節，其質量直接關系到氣體檢測的精度[28]。通常電化學傳感器具有體積小、操作簡單、性能可靠、攜帶方便等優點，且設備成本低，在工程實踐中多用于煙氣的在線監測。但電化學傳感器選擇性差，當部分非目標氣體與目標氣體的電解位相近時，會產生交叉干擾[29]，一般通過內置化學過濾器吸附非目標氣體，或選擇適宜的催化劑以抑制非目標氣體在電解液中的反應。

2.3.2紅外檢測法

紅外檢測法是經典的氣體分析方法[30]，廣泛應用于煤粉燃燒過程中煙氣的測量。根據朗伯-比爾定律，特征吸收強度與氣體濃度成正比，利用不同氣體對紅外波長的電磁波能量具有特殊的吸收特性原理，進行氣體成分和含量分析。紅外檢測法通過紅外傳感器進行測量，與電化學傳感器相比，具有壽命長、響應時間快、抗中毒性好、反應靈敏性能可靠等優點，但功耗大、結構復雜，價格較貴。

2.3.3化學溶液吸收法

化學溶液吸收法是定量分析NH3和HCN的常用方法之一，NH3與HCN是煤粉燃燒過程中形成NOx的重要前驅物，研究煤粉燃燒過程中NH3與HCN的轉化，對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NOx的前驅體進行定量標定，但目前該法僅適用于實驗室研究，主要由于在工程應用中，煤粉燃燒過程中含氮中間體難以捕捉。其測量原理是HCN與NH3分別通過一定體積、濃度的NaOH溶液和H2SO4溶液用并聯吸收的方法進行吸收，吸收裝置如圖4所示。吸收后的樣品通過硝酸銀滴定法(GB 7487—87)與水楊酸-次氯酸鹽分光光度法(GB/T14679—93)分別對HCN與NH3進行測定。含氮化合物(HCN、NH3)的析出濃度δ計算公式為

(4)

式中，m1為產生含氮化合物中的含氮量；m0為原始煤中的含氮量。

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

化學溶液吸收法在實驗室研究煤粉燃燒過程中生成的NOx前驅物有較強的適用性。歐陽子區等[31]采用化學溶液吸收法、傅里葉變換紅外光譜法和電化學法對煤氣化過程和燃燒過程產生的含N化合物(NH3和HCN)進行測量，發現NH3與HCN的化學溶液吸收法測量結果精確度更高，其他2種方法測量結果誤差較大，不宜采用。宋國良等[32]采用化學溶液吸收法研究了不同煤種、粒徑和爐溫下，煤粉濃度對NH3與HCN析出特性的影響。化學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對電化學和紅外2種氣體檢測傳感器以及化學溶液吸收法進行比較，前2者可測量多種氣體，具有較強的適用性，但紅外檢測法檢測范圍更廣。溶液吸收法檢測NH3和HCN濃度，不易捕捉，且易受其他因素干擾，測量較繁瑣，工程應用較少。

表3 3種氣體樣品檢測法優缺點比較

4 結 語

本文介紹了煤粉燃燒器熱態研究中常用的測量火焰溫度3種方法和火焰中氣固相的取樣及檢測分析方法。在現場測量時，盡可能采用多種測量方法或多次測量，以規避可能導致誤差的因素。采用多種測量方法進行比對，正確、規范操作，多次測量取平均值，以便得到更準確的結果。通過多種測量方法可建立煤粉燃燒器熱態下三維溫度場、三維氣氛場等，多維度研究煤粉的燃燒過程及污染物生成過程，從而采取有效手段治理污染，這對于新型高效低氮燃燒器的開發以及煤粉工業鍋爐污染物的綜合治理具有重要意義。