單顆粒固體燃料燃燒火焰光譜特性研究

李詩詩，董美蓉，駱發(fā)勝，陸繼東

單顆粒固體燃料燃燒火焰光譜特性研究

李詩詩，董美蓉，駱發(fā)勝，陸繼東

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640)

燃燒是固體燃料熱利用的主要方式，掌握固體燃料燃燒過程動(dòng)態(tài)特性對提高熱轉(zhuǎn)化效率及設(shè)備的安全運(yùn)行有重要意義．本研究將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)應(yīng)用于單顆粒固體燃料不同氣氛條件下的燃燒產(chǎn)物(包括H，O，N，CN，Na，K)的變化特性研究，同時(shí)獲取激光擊穿產(chǎn)物后穿過火焰的殘余能量，結(jié)合高速相機(jī)獲取的固體燃料點(diǎn)火圖像，分析燃燒氣氛對脫揮發(fā)分、揮發(fā)分燃燒及焦炭燃燒階段的影響及富氧燃燒條件下燃燒特性的變化對堿金屬釋放的影響機(jī)制．結(jié)果表明，最大揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)與氣相著火時(shí)間有關(guān)，O2/CO2氣氛下生物質(zhì)燃料揮發(fā)分析出速率更快，CO2除了本身與K的化合物結(jié)合轉(zhuǎn)化為更難揮發(fā)的K2CO3使釋放量減少外，還會(huì)降低火焰溫度進(jìn)而減少堿金屬的釋放．

固體燃料；燃燒診斷；光譜分析；激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)

我國是能源大國，能源消費(fèi)量和能源需求增長皆位于世界前列，其中固體燃料主要包括煤炭、生物質(zhì)、固體可燃廢棄物等．我國對這些燃料的消費(fèi)中約80%是通過直接燃燒使用．燃料燃燒在提供能源動(dòng)力的同時(shí)，也會(huì)帶來一系列問題，其煙氣排放是大氣污染的主要來源．固體燃料燃燒特性的掌握是實(shí)現(xiàn)燃料的高效清潔利用的關(guān)鍵．

煤等固體燃料燃燒特性的研究是了解其燃燒過程物理化學(xué)變化規(guī)律的基礎(chǔ)，包括著火特性、燃盡特性、污染物生成特性等[1]．傳統(tǒng)的固體燃料熱分析方法通常將燃燒過程的溫度變化規(guī)律、煙氣成分和剩余的灰成分作為分析燃燒特性及產(chǎn)物釋放規(guī)律的重要依據(jù)．熱重分析法較早用于固體燃料燃燒過程分析，主要通過熱重曲線對燃料的熱解和燃燒過程進(jìn)行分析，熱解速率、燃盡速率、著火溫度等[2]被用來分析環(huán)境氣氛、加熱條件等因素對燃燒特性的影響[3-4]．為了研究燃燒過程中的熱轉(zhuǎn)化機(jī)制，還引入了傅里葉變換紅外光譜法對熱重分析儀的氣體產(chǎn)物進(jìn)行在線分析[5]．隨著測量技術(shù)及分析方法的進(jìn)步，研究者希望實(shí)時(shí)獲取更多與燃燒特性相關(guān)的信息．

固體燃料燃燒火焰是燃燒過程的直接反映，火焰的變化是燃燒狀態(tài)變化最重要的外在表現(xiàn)信號(hào)，火焰檢測是研究燃燒過程的主要方法之一．為了不影響火焰流場，現(xiàn)今國內(nèi)外的火焰檢測方法主要是非接觸式的光學(xué)方法，包括圖像監(jiān)測法[6-7]和激光光譜法?等[8]．盧科等[9]通過激光輔助高速攝像捕捉煤粉顆粒著火過程的圖像，研究其著火特性．Weng等[10-11]采集了生物質(zhì)顆粒自著火到焦炭燃燒初期的顆粒火焰圖像及產(chǎn)物熒光，研究各階段的產(chǎn)物釋放及燃燒特性.卜昌盛等[6]和周坤[7]將單顆粒固體燃料置于加熱爐燃燒，通過獲取顆粒溫度及火焰圖像變化研究單顆粒燃料的著火及燃燒過程與氣氛及溫度的關(guān)系．單顆粒煤燃燒過程的自發(fā)輻射光譜也曾用于堿金屬釋放規(guī)律的研究[12]．Leffler等[13]利用激光光譜法分辨不同當(dāng)量比的甲烷層流預(yù)混火焰中的KCl和KOH，研究K在火焰中的化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理．然而，火焰溫度、揮發(fā)分析出及產(chǎn)物的生成跟燃燒各階段密切相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)火焰溫度及產(chǎn)物成分的實(shí)時(shí)檢測，Kiefer等[8]研究了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)用于燃燒流場的元素組成及火焰溫度的多參數(shù)診斷的可行性．李濤等[14]和Yuan等[15]將LIBS用于煤燃燒過程中堿金屬的動(dòng)態(tài)特性研究，分析溫度對釋放過程的影響．與其他的光學(xué)測量方法相比，LIBS可以實(shí)現(xiàn)多類型產(chǎn)物的實(shí)時(shí)測量，不僅能得到Na和K的光譜信號(hào)，還能用于非金屬產(chǎn)物的檢測，包括H、O、N、CN等[16]．

富氧燃燒技術(shù)通過空氣分離或煙氣再循環(huán)用CO2替換空氣中的N2，提高煙氣中的CO2濃度，具有實(shí)現(xiàn)CO2捕捉的潛力．已有的研究表明燃燒氣氛的改變將改變固體燃料的燃燒特性[17]．本文通過激光加熱方式點(diǎn)燃煤和生物質(zhì)燃料顆粒，對燃燒全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，將LIBS用于實(shí)現(xiàn)單顆粒周圍產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)特性研究，結(jié)合高速攝像機(jī)獲取火焰形態(tài)的變化，對比不同燃料在不同氣氛條件下燃燒產(chǎn)物的變化特性，深入了解煤和生物質(zhì)燃燒不同階段的物理化學(xué)過程，深化對其燃燒機(jī)制及堿金屬釋放的理解．

1?實(shí)驗(yàn)方案及裝置

1.1?樣品制備

為了研究不同固體燃料的燃燒特性，選取了一種煤和兩種生物質(zhì)燃料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為印尼煤、甘蔗渣和桉樹．由于低廉的運(yùn)費(fèi)，印尼褐煤是華南地區(qū)進(jìn)口最多的煤種之一．另外，我國南方特別是兩廣地區(qū)有種植甘蔗的傳統(tǒng)，制糖工業(yè)的副產(chǎn)品甘蔗渣可以作為鍋爐燃料燃燒發(fā)電．作為主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，桉樹的生長速度快，投入的人力物力少，適合作為能源樹種種植．所選樣品的工業(yè)分析和相關(guān)的元素分析結(jié)果見參考文獻(xiàn)[18]．從中可以看出，相比煤樣，生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較高，而固定碳含量較低．為了實(shí)現(xiàn)單顆粒固體燃燒火焰光譜特性研究，搭建了如圖1所示的燃燒系統(tǒng)．利用CO2激光器產(chǎn)生波長為10.6μm的激光，功率為40W(±0.5W)的連續(xù)激光均勻加熱放置于帶視窗燃燒室的燃料顆粒，模擬實(shí)際燃燒設(shè)備的高加熱速率．為了使顆粒表面受到CO2激光的均勻加熱，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，本實(shí)驗(yàn)采用廣泛用于流化床鍋爐的直徑6mm的圓柱顆粒．樣品經(jīng)過空氣干燥后稱取80mg進(jìn)入壓片機(jī)，使用9.8×103N壓力維持1min將其制成厚度約2.6mm的圓柱顆粒．同時(shí)便于對比不同燃料在不同燃燒氣氛條件下的燃燒特性，通過流量計(jì)改變通入燃燒室內(nèi)的O2、N2及CO2的比例，以獲得不同氧氣濃度條件下O2/N2和O2/CO2氣氛．O2的體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)置為5%、10%、15%、20%、25%和30%，混合氣體的總流量為3L/min．

圖1?固體燃料燃燒火焰光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意

1.2?測量裝置

所采用的基于LIBS的固體燃料燃燒火焰光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖如圖1所示，裝置由光源及數(shù)據(jù)采集兩部分組成[19]．用于激發(fā)等離子體的激光光源由一臺(tái)Nd：YAG脈沖激光器提供，激光波長為1064nm，脈寬5ns，光斑直徑6mm．實(shí)驗(yàn)采用的激光能量及頻率分別為200mJ和2Hz．激光通過穿孔反射鏡后由一個(gè)焦距為75mm的熔融石英鏡片聚焦并擊穿火焰產(chǎn)生等離子體．將激光能量計(jì)(Ophir)放置于激光光路上，可以得到激光擊穿火焰后的剩余能量．燃燒室固定于三維平移臺(tái)上，可以通過移動(dòng)三維平移臺(tái)調(diào)整擊穿火焰的位置．

等離子體發(fā)出的光通過收光鏡后到達(dá)光纖并被光纖傳輸?shù)揭慌_(tái)Avantes四通道光譜儀，光譜儀的波長覆蓋范圍從180nm至815nm，分辨率為0.10～0.22nm．光譜儀通過激光器觸發(fā)實(shí)現(xiàn)激光擊穿火焰和光譜信號(hào)的同步測量．本實(shí)驗(yàn)使用的光譜儀的延遲時(shí)間為1280ns，積分時(shí)間為1.05ms(光譜儀的最小積分時(shí)間)．為了實(shí)現(xiàn)燃燒全過程的測量，光譜儀在CO2激光器點(diǎn)火前10s開始采集光譜．

火焰溫度是反映燃燒過程的重要參數(shù)，而火焰對激光能量的吸收與火焰溫度密切相關(guān)．在同等入射激光條件下產(chǎn)生的等離子體能量受等離子體所在位置氣體分子體積分?jǐn)?shù)的影響，plasma∝－(＜0).根據(jù)澤爾道維奇等的火焰?zhèn)鞑崃碚摚诤愣ù髿鈮簵l件下，理想氣體狀態(tài)方程＝是近似成立的，等離子體能量與氣體溫度的關(guān)系可表示為plasma＝－T＋(、、皆大于0)[20]．等離子體能量來自于激光能量，大氣壓力下火焰中的分子密度隨著火焰溫度的升高而下降，火焰吸收的激光能量隨之下降，未被氣體吸收的激光殘余能量則由放置于激光光路上的能量計(jì)測得．該方法曾用于低溫氣體的溫度檢測，測量誤差不超過3.5%[21]，在溫度較高時(shí)亦可定性表示溫度變化規(guī)律[19]．在采集LIBS光譜的同時(shí)獲取激光擊穿火焰后的殘余能量，在火焰組分變化不大的情況下，殘余能量越高火焰溫度也越高．

固體燃料顆粒及火焰形態(tài)變化與顆粒所進(jìn)行的燃燒過程有密切聯(lián)系，特別是點(diǎn)火階段．從揮發(fā)分開始析出到著火的過程中顆粒及火焰形態(tài)變化很快，且此過程在幾百毫秒到幾秒內(nèi)完成，為了獲取此過程的動(dòng)態(tài)變化特性，使用了最大幀率為2000幅/s的高速攝像機(jī)獲取點(diǎn)火過程圖像．另外，此過程中顆粒表面亮度變化很大，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選取攝像機(jī)的快門時(shí)長1/40000s對點(diǎn)火過程進(jìn)行圖像采集．

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?各固體燃料在不同燃燒階段的光譜特性研究

在激光作用下，20% O2/N2氣氛下桉樹火焰在點(diǎn)火第20s的光譜如圖2所示，包括主要的非金屬元素H 656.126nm、N 746.645nm、O 777.033nm、CN 388.56nm(只在O2/N2氣氛下出現(xiàn))以及堿金屬Na 589.063nm和K 766.311nm的特征譜線．根據(jù)氣氛對激光誘導(dǎo)等離子體的相關(guān)研究可知[22]，與空氣條件相比，CO2氣氛條件下LIBS等離子體衰退得更快，等離子體的電子密度較低，且會(huì)在短時(shí)間內(nèi)偏離假想的局部熱平衡狀態(tài)．當(dāng)激光能量增加時(shí)，接近局部熱平衡狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間會(huì)延長．本實(shí)驗(yàn)采用高激光能量，相同O2濃度條件下，O2/N2與O2/CO2氣氛對LIBS發(fā)射譜線強(qiáng)度影響較小，說明所探測的各譜線強(qiáng)度主要與燃燒產(chǎn)物的組分體積分?jǐn)?shù)相關(guān)．

圖2?20% O2/N2氣氛下桉樹火焰光譜

圖3和圖4分別為O2體積分?jǐn)?shù)為20%的O2/N2和O2/CO2氣氛下，3種固體燃料燃燒火焰的光譜特征和激光殘余能量隨時(shí)間的變化．煤和生物質(zhì)的燃燒過程具有相似的特征，但各個(gè)階段又有所不同，火焰溫度與各燃燒階段密切相關(guān)．H譜線主要來自于揮發(fā)分，各燃燒階段的揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)存在顯著差異，可作為劃分燃燒階段的主要依據(jù)．而激光殘余能量反映的火焰溫度在揮發(fā)分燃燒階段及焦炭燃燒階段的變化趨勢存在明顯差別，CN與燃料的熱解過程密切相關(guān)，與火焰溫度存在一定的對應(yīng)關(guān)系，它們也可作為劃分燃燒階段的依據(jù)．脫揮發(fā)分階段的揮發(fā)分迅速釋放并大量堆積，將H譜線強(qiáng)度的第1個(gè)峰劃分為脫揮發(fā)分階段；進(jìn)入揮發(fā)分燃燒階段后，析出的揮發(fā)分著火燃燒，H譜線強(qiáng)度下降并維持在較低水平，火焰溫度保持在較高水平；而焦炭燃燒階段的反應(yīng)主要在顆粒內(nèi)部進(jìn)行，火焰溫度開始下降，在較低的溫度下火焰中存在較多的CN，火焰溫度開始下降及對應(yīng)CN強(qiáng)度開始上升的時(shí)刻可作為揮發(fā)分燃燒及焦炭燃燒的分割時(shí)刻．根據(jù)燃燒過程的產(chǎn)物及溫度變化，用虛線將燃燒過程劃分為3個(gè)階段，隨著燃燒的進(jìn)行依次為脫揮發(fā)分、揮發(fā)分燃燒及焦炭燃燒階段．從圖中可以看出，生物質(zhì)燃料在揮發(fā)分燃燒階段持續(xù)的時(shí)間要長于褐煤，而焦炭燃燒時(shí)間很短，這直接受燃料揮發(fā)分及固定碳比例的影響．

圖3 20% O2/N2氣氛下固體燃料燃燒火焰光譜特性

燃料顆粒被激光加熱后溫度開始上升，在脫揮發(fā)分階段，由于揮發(fā)分大量析出，但是仍未達(dá)到著火溫度，揮發(fā)分堆積，揮發(fā)分中H含量較高導(dǎo)致H光譜強(qiáng)度快速升高，空氣體積分?jǐn)?shù)急速下降，O光譜強(qiáng)度下降；揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)及溫度達(dá)到著火極限后，揮發(fā)分著火，H光譜強(qiáng)度快速下降，火焰溫度緩慢上升．從圖3可以看出，煤燃料在此階段H光譜強(qiáng)度的最高值要高于生物質(zhì)燃料．對比圖3和圖4，O2/CO2氣氛下3種燃料在此階段H光譜強(qiáng)度的最高值都要高于O2/N2氣氛，且生物質(zhì)燃料在兩種氣氛中的差異更明顯．

圖4 20% O2/CO2氣氛下固體燃料燃燒火焰光譜特性

Fig.4 Flame spectral characteristics of solid fuels com-bustion under 20% O2/CO2 atmosphere

為了研究H光譜強(qiáng)度的最高值與揮發(fā)分著火的關(guān)系，利用高速相機(jī)對煤和生物質(zhì)燃料(選取桉樹為代表)的點(diǎn)火行為進(jìn)行了研究．揮發(fā)分著火時(shí)刻的開始出現(xiàn)氣相火焰，可以利用MATLAB分別獲取圖像中的顆粒和火焰部分圖像，通過火焰圖像的平均灰度變化進(jìn)行判定．桉樹在20% O2/N2條件下火焰平均灰度隨點(diǎn)火時(shí)間的變化如圖5所示，在揮發(fā)分著火時(shí)刻，火焰平均灰度出現(xiàn)明顯的躍變．圖6所示為20%的O2/N2和O2/CO2氣氛下，兩種固體燃料的揮發(fā)分著火時(shí)刻的圖像．在O2/N2氣氛下，桉樹的著火時(shí)刻明顯早于煤顆粒，桉樹在脫揮發(fā)分階段的H光譜強(qiáng)度最高值也明顯低于煤燃料．而在O2/CO2下，兩種燃料的著火時(shí)刻都晚于O2/N2氣氛，此時(shí)由于兩種燃料的著火時(shí)刻都較晚，使揮發(fā)分有足夠的時(shí)間向外擴(kuò)散，兩種燃料的H光譜強(qiáng)度的最高值差別不大．由此可見，在開始受熱至氣相著火以前，揮發(fā)分會(huì)不斷析出導(dǎo)致燃料顆粒周圍的揮發(fā)分濃度迅速升高．H主要來自于揮發(fā)分，與揮發(fā)分濃度成正相關(guān)，H光譜在加熱后出現(xiàn)的第1個(gè)峰的時(shí)刻為最大揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)時(shí)刻(如圖3(a)所示)，與氣相著火時(shí)間有關(guān)，氣相著火越晚，堆積的揮發(fā)分越多，峰值強(qiáng)度也越高．揮發(fā)分著火以后，剩余的揮發(fā)分繼續(xù)析出，且O光譜強(qiáng)度保持在較低水平，O2/N2氣氛下的CN光譜強(qiáng)度在此階段較為穩(wěn)定，火焰溫度也基本不變．對比各固體燃料的火焰溫度發(fā)現(xiàn)脫揮發(fā)分階段各燃料周圍的溫度接近，而在揮發(fā)分燃燒階段煤火焰溫度明顯高于生物質(zhì)火焰，進(jìn)入焦炭燃燒階段后，生物質(zhì)燃料的火焰溫度迅速下降，而煤燃料下降較緩慢．

圖5 桉樹在20% O2/N2條件下火焰平均灰度隨點(diǎn)火時(shí)間的變化

對比不同的氣氛可知，各燃料的燃燒過程還受燃燒氣氛的影響，揮發(fā)分燃燒過程在O2/CO2氣氛下燃燒過程更緩慢，煤的焦炭燃燒過程同樣在O2/CO2氣氛下較慢．但生物質(zhì)在O2/CO2氣氛下的焦炭燃燒卻快于O2/N2氣氛，這是由于生物質(zhì)燃料的焦炭含量少且結(jié)構(gòu)為多孔、疏松的纖維質(zhì)結(jié)構(gòu)[23]，比表面大于煤焦炭，所以生物質(zhì)焦炭燃燒受到氣氛導(dǎo)致的延遲要小于煤焦炭．另外，生物質(zhì)燃料的焦炭燃燒階段H光譜強(qiáng)度出現(xiàn)了微弱的升高，這可能是由于O2/CO2氣氛下生物質(zhì)燃料熱解反應(yīng)析出氣態(tài)物質(zhì)的速率更快，使得焦炭階段的持續(xù)時(shí)間縮短．

圖6?固體燃料揮發(fā)分著火時(shí)刻圖像

2.2?氧氣體積分?jǐn)?shù)對固體燃料燃燒特性的影響

在O2/N2氣氛下，不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)物中H的光譜強(qiáng)度的變化趨勢是相同的，都出現(xiàn)了兩個(gè)峰，分別出現(xiàn)在脫揮發(fā)分階段和焦炭燃燒階段，而煤燃料只在脫揮發(fā)分階段出現(xiàn)一個(gè)峰，如圖3所示．在O2/CO2氣氛下，各固體燃料均只在脫揮發(fā)分階段出現(xiàn)一個(gè)H的峰值，如圖4所示．各階段的H光譜強(qiáng)度之和可以定性表征此階段析出的含H氣態(tài)產(chǎn)物的量，氧氣體積分?jǐn)?shù)對燃料各燃燒階段的總H光譜強(qiáng)度的影響如圖7所示．從圖中可以看出，在O2/N2和O2/CO2氣氛下，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，各燃燒過程的總H光譜強(qiáng)度均隨之下降．各固體燃料在脫揮發(fā)分階段的H光譜強(qiáng)度隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而降低，這是由于在氧氣體積分?jǐn)?shù)較低的氣氛下?lián)]發(fā)分燃燒緩慢．而焦炭燃燒階段H的總光譜強(qiáng)度隨氧氣體積分?jǐn)?shù)升高而下降是由于在氧氣體積分?jǐn)?shù)較低的條件下焦炭孔隙中焦油等熱解產(chǎn)物能更多地轉(zhuǎn)化為氣態(tài)有機(jī)物釋放出來．與O2/N2氣氛相比，O2/CO2氣氛下在脫揮發(fā)分及揮發(fā)分燃燒階段的H釋放總量都較高，而焦炭階段釋放總量較低，說明CO2能促進(jìn)此階段煤的熱解反應(yīng)產(chǎn)生更多氣態(tài)產(chǎn)物．而對于焦炭階段，O2/N2氣氛下的H總強(qiáng)度高于O2/CO2氣氛是由于前一階段產(chǎn)生較多的焦油等在此階段緩慢氣化．

圖7 固體燃料在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下各燃燒階段的總H光譜強(qiáng)度

Fig.7 Total H spectrum intensity of solid fuels at differ-ent combustion stages under the environment with varied oxygen fractions

2.3?氣氛對燃燒過程堿金屬釋放的影響

在燃燒過程中，堿金屬會(huì)隨燃燒產(chǎn)物釋放，從圖3、圖4可以看出堿金屬的釋放與燃燒過程存在一定的關(guān)聯(lián)．K光譜強(qiáng)度在脫揮發(fā)分及揮發(fā)分燃燒過程均出現(xiàn)釋放峰，煤燃料的兩個(gè)釋放峰都比較尖，而生物質(zhì)燃料的脫揮發(fā)分階段是尖峰，揮發(fā)分燃燒階段較為平緩．另外，生物質(zhì)燃料在O2/N2氣氛下的焦炭燃燒階段還有較小的釋放峰．在焦炭燃燒階段，焦炭中的K轉(zhuǎn)化為K2CO3[24]，分解成CO2和K2O釋放．在O2/CO2氣氛下，周圍的CO2擴(kuò)散進(jìn)來使K化合物更多地轉(zhuǎn)化為更難揮發(fā)的K2CO3，且CO2對其分解具有抑制作用，使得K釋放量減少．而趙海波等[25]對焦炭在不同氣氛下熱處理過程的堿金屬遷移研究結(jié)果顯示，在焦炭反應(yīng)初期，CO2通過與焦炭反應(yīng)促進(jìn)焦炭-K分解，對K的釋放有促進(jìn)作用，但在焦炭轉(zhuǎn)化率較高的后期出現(xiàn)抑制．由于燃燒過程較熱解和氣化反應(yīng)更為劇烈，本實(shí)驗(yàn)中焦炭直接與O2反應(yīng)，CO2對K的釋放并未產(chǎn)生促進(jìn)作用．對比兩種氣氛下K的光譜強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)O2/CO2氣氛下堿金屬的釋放速率比O2/N2氣氛低，在揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒階段的抑制作用明顯．兩種氣氛下的激光殘余能量在脫揮發(fā)分階段的差別不明顯，而在揮發(fā)分燃燒階段O2/CO2氣氛下的火焰溫度明顯低于O2/N2氣氛，火焰溫度的降低使O2/CO2氣氛下K在揮發(fā)分燃燒階段的釋放率降低．

將3種固體燃料在不同氣氛下K的每一釋放峰的光譜強(qiáng)度累加起來可以在一定程度上表征在此階段內(nèi)釋放的產(chǎn)物量，其隨氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系如圖8所示．堿金屬主要在脫揮發(fā)分及揮發(fā)分燃燒階段釋放．整個(gè)燃燒過程K的釋放隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而升高，脫揮發(fā)分及揮發(fā)分燃燒階段的K釋放總量也隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而明顯升高，這是因?yàn)檠鯕怏w積分?jǐn)?shù)的升高使此階段的火焰溫度升高，K的釋放速率隨之升高．在O2/N2氣氛下，焦炭燃燒階段的K釋放總量隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而降低，這是因?yàn)檠鯕怏w積分?jǐn)?shù)的升高縮短了焦炭燃燒階段的時(shí)間，但是溫度在此階段并沒有明顯的升高[19]．對比圖8(a)和(b)可知，O2/CO2氣氛下脫揮發(fā)分和揮發(fā)分階段的總光譜強(qiáng)度下降，對煤燃料燃燒過程K釋放的抑制作用比生物質(zhì)燃料明顯．

圖8 O2/CO2和O2/N2氣氛下3種固體燃料燃燒K的總光譜強(qiáng)度隨氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的特性

Fig.8 Changes in total K spectrum intensity of three solid fuels under O2/CO2and O2/N2environments with varied oxygen fractions

3?結(jié)?論

通過激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)獲取單顆粒固體燃料燃燒過程各階段的產(chǎn)物光譜及火焰溫度變化，結(jié)合火焰圖像對固體燃料燃燒過程各階段的產(chǎn)物特性進(jìn)行了研究，揭示了燃燒產(chǎn)物與顆粒著火及燃燒特性之間的聯(lián)系．

(1) 脫揮發(fā)分階段各燃料周圍的溫度接近，而在揮發(fā)分燃燒階段煤火焰溫度明顯高于生物質(zhì)火焰，進(jìn)入焦炭燃燒階段后，生物質(zhì)燃料的火焰溫度迅速下降，而煤燃料下降較緩慢．

(2) 激光快速加熱條件下，脫揮發(fā)分階段揮發(fā)分的迅速析出導(dǎo)致燃料顆粒周圍的揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)迅速升高，最大揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)與氣相著火時(shí)間有關(guān)，氣相著火越晚顆粒周圍堆積的揮發(fā)分越多．

(3) O2/CO2氣氛下生物質(zhì)燃料熱解析出氣態(tài)物質(zhì)的速率更快，使得焦炭階段的持續(xù)時(shí)間縮短．

(4) CO2除了本身與K的化合物結(jié)合轉(zhuǎn)化為更難揮發(fā)的K2CO3使釋放量減少外，還會(huì)降低火焰溫度進(jìn)而減少堿金屬的釋放，其對煤燃料燃燒過程K釋放的抑制作用比生物質(zhì)燃料更加明顯．

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Study on Spectral Characteristics of Combustion Flame of Single Particle Solid Fuels

Li Shishi，Dong Meirong，Luo Fasheng，Lu Jidong

(School of Electric Power Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Combustion is the main approach for the heat utilization of solid fuels，and it is significant for understanding their dynamic combustion process to improve the heat transfer efficiency and safe operation of the equipment. In this paper，laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS) was applied to the dynamic analysis of combustion products of single particle solid fuels under different atmospheres，including H，O，N，CN，Na and K. The residual laser energy transmitted through the flame and the image of the solid fuel flame obtained using a high-speed camera were combined to investigate the effect of combustion atmosphere on the devolatilization，volatile combustion and the char burning process. In addition，the impact of changes in combustion characteristics on the alkali release at oxy-fuel atmosphere was also focused. Results indicated that the maximum volatile concentration during the ignition process is relevant to the gas-phase ignition time，and the volatile release rate of biomass fuel is higher in the O2/CO2environment. CO2not only forms the less volatile K2CO3through the recombination reaction with K，but also decreases the flame temperature to reduce the release rate of alkali.

solid fuel；combustion diagnosis；spectral analysis；laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS)

TK11

A

1006-8740(2021)03-0271-08

10.11715/rskxjs.R202007006

2020-07-11．

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51976064)；廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(2020A1515010646).

李詩詩（1994—??），女，博士研究生，ssliscut@163.com．

董美蓉，女，博士，副教授，epdongmr@scut.edu.cn.

(責(zé)任編輯：武立有)