低溫烘焙提質對褐煤著火燃燒特性的影響

董 琨，胡中發，周博斐，周月桂，王學斌，陳冠益，雷廷宙

(1.國家能源集團 新能源技術研究院，北京 102211；2.天津大學 環境科學與工程學院，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%，是我國煤電供應鏈的重要組成部分之一[1]。然而，褐煤水分和揮發分相對較高，極易在運輸和儲存過程中發生自燃，嚴重制約褐煤大規模高效利用。學者提出通過褐煤提質，增加褐煤燃料品質，實現褐煤高效規模化應用，其中低溫烘焙提質技術是目前褐煤利用常用手段[2-3]。此外，經低溫烘焙后褐煤不僅可直接作為電廠燃料供應，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構及形貌特征，發現提質溫度升高時，煤焦顆粒粒徑更小，且孔隙結構更發達，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。在實際燃煤設備應用中，煤粉著火過早會導致燃燒器噴口處結渣，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定性和效率具有重要意義。

煤粉顆粒著火特性受環境溫度和O2濃度等多因素影響。目前學者通過試驗和數值模擬并結合可見光強度[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生時間和位置。研究初期，受試驗測量裝置技術水平的限制，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量的損失和揮發分的釋放過程判斷著火的發生位置[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，發現揮發分火焰持續時間隨揮發分含量增加而線性增加；焦炭燃燒持續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，發現煙煤和褐煤顆粒在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]。

隨著測量技術的發展，光學診斷方法廣泛應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，發現提高協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]根據光強信號軸向分布，確定峰值20%以上為主燃燒段，發現主燃燒段長度隨氧氣濃度增加而縮短，而隨熱協流溫度增加而延長。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，發現氧氣濃度的升高對氧向揮發分火焰的傳質過程有促進作用，并提高了脫揮發分速率。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，發現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，目前鮮見褐煤提質對煤粉著火特性的影響研究。

筆者利用平面火焰燃燒系統并結合CMOS相機研究了不同協流溫度(1 473、1 673和1 873 K)和O2體積分數(5%、10%和20%)下低溫烘焙預處理(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和著火延遲距離，以期為褐煤高效利用提供指導和參考。

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

1 試 驗

Hencken燃燒器結構示意如圖1所示，燃燒器為方形結構，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域迅速混合并在高溫下發生劇烈反應，形成擴散燃燒小火焰，氣體燃料燃燒后產生的高溫煙氣為煤粉燃燒提供高溫熱協流，并通過調節氣體燃料(CO和CH4)及氧化劑流量控制熱協流的溫度和氧氣濃度，實現不同的熱協流溫度和氧氣濃度氛圍。氣體燃料擴散燃燒小火焰區域為50 mm×50 mm，中心管外徑為2 mm(內徑1.8 mm)。煤粉顆粒由N2攜帶并從中心管噴入燃燒器上方，在高溫熱協流煙氣中煤粉受熱后發生著火和燃燒。

煤粉燃燒試驗前，結合理論燃燒計算和實際實驗校核2種方法確定試驗工況，采用質量流量計調節CO、CH4、O2和N2質量流量，結合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，結果發現氣體燃料燃燒后熱協流溫度和氧氣濃度在中心軸線沿程分布均勻、穩定，保證了氣體燃料燃燒后產生的高溫煙氣能為煤粉燃燒提供設定的熱協流條件。

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，其工業分析和元素分析見表1。

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

褐煤烘焙提質在低溫熱解系統[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，且持續通入1 L/min的N2并保溫60 min，隨后取出石英管冷卻并持續通入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，為抑制環境光的干擾并確保不同工況下火焰清晰，確定設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分和焦炭燃燒反應劇烈的程度，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，褐煤顆粒經中心管噴出后，在氣體燃料燃燒產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定的煤粉火焰。熱協流溫度由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。此外，熱協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分燃燒形成，徑向分布范圍增加表明環境溫度升高促進揮發分釋放，使顆粒附近形成揮發分的富集區域，氣相燃燒反應更劇烈，并在中心軸線徑向方向較大范圍內分布。

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構并降低煤粉顆粒的揮發分，進而影響煤粉顆粒的著火和燃燒特性。經200 ℃烘焙的褐煤顆粒在不同熱協流溫度和O2體積分數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，徑向范圍內揮發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

熱協流溫度1 873 K、O2體積分數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，褐煤未烘焙預處理時，煤粉火焰在軸向的分布較長，亮度較高，隨烘焙預溫度升高，火焰長度明顯縮短且亮度降低。這主要是低溫烘焙預處理引起褐煤部分揮發分釋放，煤粉顆粒中揮發分降低和固定碳升高，而揮發分降低會導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5%、不同熱協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，不同熱協流溫度下光強分布曲線均在前期急劇上升，且熱協流溫度的升高會使曲線斜率增大，表明環境溫度升高促進煤粉著火和燃燒。結合已有著火判定方法和本文試驗結果，定義光強值達到峰值強度的20%時煤粉顆粒發生著火[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，定量得到不同熱協流溫度和O2體積分數下褐煤煤粉著火延遲距離如圖6所示。熱協流溫度由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果一致。以O2體積分數5%下褐煤燃燒工況為例，熱協流溫度由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。熱協流溫度為1 473 K，O2體積分數由5%增至21%，煤粉著火延遲距離則由2.41 cm減小至2.08 cm。結果表明，適當提高煤粉燃燒環境溫度和O2體積分數均能促進煤粉顆粒預熱和著火，環境溫度升高能促進揮發分釋放，使煤粉顆粒周圍揮發分濃度提高并導致煤粉著火提前；提高O2體積分數能促進熱協流中O2向顆粒表面擴散，促使揮發分釋放后迅速燃燒，有利于煤粉顆粒著火。

圖6 O2體積分數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5%時不同熱協流溫度下200 ℃烘焙褐煤顆粒歸一化火焰光強軸向分布如圖7所示。可知200 ℃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，說明褐煤烘焙后導致煤粉樣品中揮發分減少，不利于揮發分釋放和燃燒。

圖7 200 ℃烘焙褐煤顆粒火焰光強歸一化軸向分布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流溫度和O2體積分數下的著火延遲距離，如圖8所示。由圖8可知，O2體積分數5%時，熱協流溫度由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。熱協流溫度為1 473 K時，O2體積分數由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。可見，200 ℃烘焙褐煤著火延遲距離隨熱協流溫度和O2體積分數的變化趨勢與未烘焙褐煤顆粒一致。經烘焙的褐煤顆粒在相同熱協流溫度和O2體積分數下的著火延遲距離稍大于未烘焙褐煤顆粒。在O2體積分數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分的損失也會導致煤粉顆粒著火延遲。

圖8 O2體積分數對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。可知不同烘焙溫度下，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O2體積分數5%為例，200、250和300 ℃下對應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分受熱析出，引起煤焦顆粒破碎，造成粒徑及孔隙結構變化。文獻[20]表明隨著烘焙溫度升高，煤焦顆粒粒徑更小，孔隙結構更發達，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 論

1)隨熱協流溫度和O2體積分數提高，褐煤著火延遲距離縮短、火焰亮度增加。O2體積分數5%，熱協流溫度由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流溫度和O2體積分數變化趨勢與未烘焙褐煤顆粒一致。O2體積分數5%下，熱協流溫度由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5%為例，200、250和300 ℃下對應的著火延遲距離較褐煤增值分別為0.28、0.16 和0.11 cm。