基于火焰光譜的準東煤旋風燃燒過程中堿金屬檢測

蒲 旸，劉 洋，傅培舫，婁 春

(1.華中科技大學 能源與動力工程學院 湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

準東煤儲量巨大[1]、易開采、具有高揮發分、低灰分和著火溫度低等特點，是良好的動力煤[2-3]。但由于其富含堿金屬，在鍋爐受熱面引發的沾污、結焦和腐蝕等問題嚴重制約了準東煤的廣泛應用[4-7]。液態排渣鍋爐燃燒技術是一種燃燒強度高、捕渣率高、煙氣含塵量少的燃燒技術，能使煤燃燒產生的部分灰以熔融態的形式從鍋爐底部排出，已有研究證明液態排渣旋風燃燒能夠有效緩解固態排渣鍋爐因燃用易結渣煤所造成的換熱面問題[8]。蘭德輝等[9]等使用傳統的離線檢測方法研究了高堿煤在液態排渣爐中堿金屬的遷移特性，計算得到液渣對堿金屬Na、K捕捉效率均達50%以上。劉建華等[10]對比研究了燃用準東煤的旋風爐和室燃爐內堿金屬Na、K的遷移規律，與固態排渣的室燃爐相比，旋風爐具有較高的捕渣率，水平煙道飛灰中Na鹽、K鹽質量濃度升高，但進入爐膛尾部受熱面的Na鹽總量減少22.88%。鄔曉江等[11]通過分割煤粉燃燒過程與高溫熔渣間的不同反應界面，研究了高堿煤在高溫熔渣燃燒條件下堿金屬的釋放、遷移、捕獲特性與作用機制。

上述研究均通過對飛灰和液渣進行收集采樣，使用X射線熒光光譜(XRF)、能譜儀(EDS)等離線方法進行檢測，并結合煤樣自身的煤質數據分析堿金屬的遷移行為，缺少對于液態排渣爐中火焰中氣相堿金屬的檢測研究。基于火焰自發射輻射信息進行燃燒診斷的技術，具有非接觸、對環境要求不高、系統緊湊、易實施等特點[12]。HE等[13]使用基于火焰自發射光譜法在線監測了垃圾焚燒爐燃燒火焰中氣相鈉的釋放特性。LOU等[14]基于相同方法研究了大型燃煤鍋爐不同區域的氣相堿金屬質量濃度與溫度和熱輻射的關系，證明了該方法能夠在大型工業爐膛中有效進行氣相堿金屬質量濃度和火焰溫度的檢測研究。張向宇等[15]基于光譜分析方法在旋風燃燒爐中進行檢測研究，檢測了旋風筒不同位置處火焰溫度、發射率和氣相Na質量濃度，結果表明準東煤旋風燃燒條件下，大部分Na會揮發進入氣相，在旋風筒尾部氣相Na向液渣和飛灰中遷移。

由上述分析可知，目前研究缺乏對旋風燃燒火焰中氣相Na質量濃度的檢測，筆者基于被動式火焰自發射光譜法，對燃用準東煤的液態排渣爐中燃燒火焰進行在線檢測研究，獲得了不同工況下火焰中氣相Na的釋放情況，同時結合飛灰和液渣分析數據，得到了火焰中氣相Na質量濃度與Na遷移路徑的相關規律。

1 試 驗

1.1 試驗原理及設備

準東煤燃燒火焰產生的光譜具有連續的可見光光譜和特征光譜，如圖1所示，連續光譜代表煤粉燃燒產物的熱輻射，而特征譜線則是由于堿金屬原子能級變化所輻射的能量。將2種類型的光譜分離后可分別用于計算溫度和氣相堿金屬質量濃度。

圖1 準東煤燃燒火焰光譜曲線

對于連續光譜，溫度800～2 000 K、波長300～1 000 nm的輻射對象，其hc/λkT值遠大于1(h為普朗克常數，c為光速，λ為波長，k玻爾茲曼常數，T為絕對溫度)，此時普朗克定律可用維恩定律代替，即火焰的自發射輻射強度可表達為

(1)

其中，I(λ,T)為火焰溫度T時波長λ下測得的實際輻射強度值，μW/(cm2·nm·sr)；ε(λ)為波長為λ時的發射率；C1、C2分別為普朗克第1和第2輻射常數，其值分別為3.742×10-16W·m2和1.438 8×10-2m·K。根據多波長輻射分析[16]可得到該工況下的溫度，計算公式如式(2)所示：

(2)

式中，I(λ+Δλ，T)為火焰溫度T時λ+Δλ下測得的實際輻射強度值。

連續光譜曲線是熱輻射強度沿波長方向上的分布，是熱輻射關于波長的函數。為了更直觀反映燃燒火焰中彌散介質向外輻射能力的大小，探究波段熱輻射能與氣相堿金屬質量濃度的關系，以波段熱輻射能表征為火焰的輻射能，即對每一時刻的連續光譜曲線在選定的波長范圍采取熱輻射強度對波長的積分，其大小表示火焰向外輻射能力的強弱，如式(3)所示：

(3)

其中，I0為火焰溫度T時波段輻射能，μW/(cm2·sr)；λ1、λ2分別為選取波段范圍的起始波長和終止波長，nm。本文選擇波長為500～900 nm。

基于上述方法，開發了1套便攜式火焰中氣相堿金屬檢測系統，該系統主要包括光譜采集裝置和數據處理軟件，系統中選用光譜儀波長響應為175～1 000 nm、光譜分辨率0.8 nm、采樣耗時1.1 ms、數據傳輸速率3.7 ms，高采樣速率及數據傳輸速率可保證光譜數據的實效性，數據處理軟件能夠對火焰中光譜信號進行采集，并實時輸出火焰溫度和氣相堿金屬Na質量濃度。

在Hencken燃燒器上對該系統進行了堿金屬質量濃度和特征譜線強度的標定試驗，具體步驟參考文獻[17]，標定結果如圖2所示。

圖2 氣相Na標定結果

由圖2可知，在氣相Na的高質量濃度范圍，原數據曲線發生明顯彎折，出現特征輻射強度與氣相質量濃度非線性相關現象。這是由于火焰自發射光譜以火焰作為激發源，能量低，對原子的激發效率較低，基態原子數目較多，激發態原子釋放的輻射易被基態原子或較低能級的原子吸收，出現自吸收現象。根據HSU等[18]提出的自吸收修正方法對標定結果進行了修正。修正后的標定結果為

I(Na)=4.5C(Na),R2=0.97。

(4)

其中，I(Na)為Na特征譜線強度；C(Na)為火焰中氣相Na質量濃度；R2為擬合優度。根據原數據和標定數據的誤差棒可知，擬合結果可靠。

檢測極限是衡量一種方法測試能力的重要指標。一般而言，光譜方法的檢測極限為

LOD=3σ/S。

(5)

其中，LOD為檢測極限；σ為背景噪聲的標準偏差；S為式(4)中的斜率。計算得檢測極限為0.09 mg/m3。

1.2 試驗工況

試驗在某液態排渣爐上進行，爐型為雙燃燒室塔式直流鍋爐，鍋爐左右對稱布置2個熔渣室、1個燃盡室和1個豎直煙道，構成雙U形爐膛、塔式結構。在每個熔渣室頂部雙列錯位布置了8只雙調風低NOx旋流燃燒器。煤粉從旋流燃燒器噴出向下燃燒，經過主燃區后，部分高溫灰達到灰熔融溫度后在捕渣屏處呈現熔融態附著在捕渣屏管上，富集一定量后，受重力直接掉入爐膛底部渣池內。根據現場環境和試驗目的確立了8個測點位置，測點均位于燃燒器出口下方，沿鍋爐高度方向上，燃燒器下方熔渣室橫截面尺寸為5.6 m×12.8 m，鍋爐示意和測點位置說明如圖3所示。其中10、20、30和40為磨煤機序列，每臺磨煤機控制4只燃燒器。

圖3 鍋爐及測點位置示意

在機組負荷相對穩定的條件下分別進行了單渣室燒高堿煤和雙渣室燒高堿煤2種工況的試驗，具體工況見表1。

表1 試驗工況

選取神華煤(SH)和新疆哈密煤(HM)為研究對象，神華煤屬于熱值高、低灰熔融溫度的低鈉煤，哈密煤屬于高揮發分、低灰分的高鈉煤，煤質特性和灰分分析見表2和表3。

表2 煤質分析

表3 灰分分析

2 試驗結果及分析

2.1 氣相Na質量濃度檢測結果

在表1工況下，分別對燃燒器下方火焰進行約600 s的在線檢測，取檢測時間內平均值作為最終結果，如圖4所示。誤差棒表示檢測時間內的數據波動，其值越大，表明火焰脈動越強烈。

由圖4可知，在工況1中，渣室1測點處的火焰溫度、氣相Na質量濃度和波段熱輻射能大小呈相同趨勢，渣室2中無明顯關聯性。工況2中，渣室1檢測結果與工況1呈相似結果，這是由于在工況2下，渣室1中對應的2臺磨煤機均處于啟動狀態，但在渣室2中，氣相Na質量濃度僅與熱輻射呈相似性。根據誤差棒的大小，工況2中測點8的測量時間內數據波動較小，這是由于40號磨煤機處于關閉狀態，測點處無明顯煤粉著火時的脈動火焰。2個工況下，渣室1中測點4相較于其余3個測點火焰溫度和氣相Na質量濃度較高，測點3較其余測點明顯偏低。

圖4 不同測點檢測結果

圖5(a)和5(b)分別為工況1中測點3和測點4處爐內火焰圖像，圖像曝光時間相同，由圖5可知，測點3處火焰顏色呈不均勻暗紅色，而測點4處的火焰圖像呈明亮均勻的顏色，這是由于10號磨煤機煤粉細度遠大于燃燒器設定值，從而導致在測點處光譜輻射被未充分燃燒的煤粉所吸收，導致數據結果較低，這也在波段輻射能的結果中得以體現。因此，以測點4的結果作為渣室1平均結果，同時取渣室2所有測點檢測平均值作為渣室2平均結果，結果如圖6所示。檢測結果的主要誤差來源于火焰脈動導致數據的波動和渣室1中部分測點數據的有效性不足。

圖5 不同測點火焰圖像

圖6 不同工況檢測結果

由圖6可知，工況1的渣室1和2中火焰平均溫度無較大變化，分別為1 415和1 436 ℃；工況2中渣室1和2火焰平均溫度分別為1 467和1 418 ℃，差異明顯。在工況1中，渣室1檢測平均Na質量濃度為40.0 mg/m3，明顯高于渣室2中的25.3 mg/m3，這是由于渣室1和2中全燒高堿煤，從灰成分分析中可以看出，哈密煤中Na含量明顯高于神華煤，同時神華煤中高含量的SiO2和Al2O3抑制了氣相Na的釋放，此外哈密煤中的CaO含量較高，而SiO2更易與CaO反應[19]，使哈密煤中大部分Na以氣相形式釋放，上述多種因素導致渣室1中氣相Na高于渣室2。對于全燒高堿煤的工況2，2個渣室中氣相Na質量濃度與工況1相似，渣室1中氣相Na質量濃度約為渣室2中的1.5倍，這是由于渣室2中僅啟動一臺磨煤機，給粉量較渣室1低，釋放的氣相Na相對更少。工況2中的氣相Na質量濃度明顯高于工況1，這可能是工況2中機組負荷更高的原因。

通過光譜分析結果可知，爐內氣相質量濃度分布不均勻，氣相Na質量濃度和波段熱輻射能可以反映不同測點處的燃燒狀態和機組工況。

2.2 灰渣樣測試結果

在液態排渣爐中，堿金屬的遷移主要包含2個路徑：① 氣相 Na與硅鋁氧化物反應生成硅鋁酸鹽進入液渣中；② Na的硫酸鹽與CaSO4、Fe2O3反應生成低溫共熔物黏附在飛灰表面[20-21]。在檢測氣相Na質量濃度的同時，分別收集了爐膛底部液渣出口處和垂直煙道尾部水冷激后的液渣和飛灰，研磨制樣后通過XRF分析，結果如圖7所示(B/A為酸堿比)。

圖7 不同工況下飛灰和液渣元素分析

由圖7可知，2種工況下Ca、Mg和S元素在飛灰中富集，而Si和Fe元素向液渣中富集，這與文獻[8]保持一致，由于工況1的渣室2中全燒神華煤，飛灰中的Fe質量分數高于液渣，同時相較于其他飛灰中Fe質量分數最高，約5.7%。工況1的渣室1和工況2的渣室2灰和渣中Fe質量分數較接近，但工況2的渣室1渣樣中Fe質量分數最高，約11.8%。結合氣相Na質量濃度檢測結果，可認為燃用相同煤樣時，隨氣相Na質量濃度增加，Fe在飛灰中的質量分數接近飽和，Fe更易向液渣中富集。

不同工況下Na含量對比結果如圖8所示，工況1的渣室1中液渣和飛灰中Na質量分數明顯高于渣室2，這是由于工況1的渣室2中燃用神華煤，煤中自身堿金屬質量分數較低。相對于工況1中渣室1，渣室2液渣中Na質量分數高于灰中，這是由于高溫條件下，氣相水溶性Na會直接與硅鋁反應生成不可溶的硅鋁酸鹽，而不溶性硅鋁酸鹽主要留在液渣中，而渣室1中，哈密煤S元素質量分數較高，部分水溶性Na揮發后會與其反應并形成硫酸鹽及其復合物，水溶性硫酸鹽更易向灰中遷移，導致渣室1灰渣中Na質量分數接近。對于工況2，2個渣室飛灰中Na質量分數明顯高于液渣，且工況2的渣室1渣樣中Na質量分數(7.5%)明顯高于工況2的渣室2(4.8%)，但灰中的質量分數無顯著差別，可能是由于工況2的渣室2僅開啟一組磨煤機的緣故，與氣相Na質量濃度檢測結果呈現相同的結論。

圖8 不同工況下飛灰和液渣Na含量對比

對比工況1和工況2中渣室1檢測結果，2種工況下渣樣中Na含量無較大變化，但工況2中飛灰的Na含量明顯高于工況1，這可能是工況2的渣室1中氣相Na質量濃度較高，與硅鋁氧化物反應生成的硅鋁酸鹽進入液渣中達到飽和，更多則向飛灰中遷移。

總體而言，氣相Na質量濃度的檢測結果與灰渣分析結果具有一定關聯性，不同工況下結論相似，燃燒過程中釋放的氣相Na越多，灰渣樣中的Na含量也明顯增加，認為氣相Na質量濃度的變化對灰渣中整體質量分數變化有一定指導意義，但由于缺少捕渣屏后的氣相Na質量濃度數據，難以判斷Na遷移路徑。

3 結 論

1)基于火焰自發射光譜法的在線檢測方法能夠有效檢測高堿煤在液態排渣爐燃燒過程中的氣相Na質量濃度，結合傳統離線檢測方法對灰渣樣進行分析有助于建立Na遷移的閉合路徑。

2)氣相Na質量濃度檢測結果能夠反映爐內負荷以及煤質變化，同時熱輻射能結果能反映燃燒器的燃燒效果，在線監測方法對于指導燃燒具有一定的實際意義。

3)對于旋風液態排渣爐而言，隨著爐內火焰中氣相Na質量濃度的增加，液渣和飛灰中Na質量分數隨之增加，但更多向飛灰中遷移。