基于火焰光譜的準(zhǔn)東煤旋風(fēng)燃燒過(guò)程中堿金屬檢測(cè)

蒲 旸，劉 洋，傅培舫，婁 春

(1.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

準(zhǔn)東煤儲(chǔ)量巨大[1]、易開(kāi)采、具有高揮發(fā)分、低灰分和著火溫度低等特點(diǎn)，是良好的動(dòng)力煤[2-3]。但由于其富含堿金屬，在鍋爐受熱面引發(fā)的沾污、結(jié)焦和腐蝕等問(wèn)題嚴(yán)重制約了準(zhǔn)東煤的廣泛應(yīng)用[4-7]。液態(tài)排渣鍋爐燃燒技術(shù)是一種燃燒強(qiáng)度高、捕渣率高、煙氣含塵量少的燃燒技術(shù)，能使煤燃燒產(chǎn)生的部分灰以熔融態(tài)的形式從鍋爐底部排出，已有研究證明液態(tài)排渣旋風(fēng)燃燒能夠有效緩解固態(tài)排渣鍋爐因燃用易結(jié)渣煤所造成的換熱面問(wèn)題[8]。蘭德輝等[9]等使用傳統(tǒng)的離線檢測(cè)方法研究了高堿煤在液態(tài)排渣爐中堿金屬的遷移特性，計(jì)算得到液渣對(duì)堿金屬Na、K捕捉效率均達(dá)50%以上。劉建華等[10]對(duì)比研究了燃用準(zhǔn)東煤的旋風(fēng)爐和室燃爐內(nèi)堿金屬Na、K的遷移規(guī)律，與固態(tài)排渣的室燃爐相比，旋風(fēng)爐具有較高的捕渣率，水平煙道飛灰中Na鹽、K鹽質(zhì)量濃度升高，但進(jìn)入爐膛尾部受熱面的Na鹽總量減少22.88%。鄔曉江等[11]通過(guò)分割煤粉燃燒過(guò)程與高溫熔渣間的不同反應(yīng)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(jī)制。

上述研究均通過(guò)對(duì)飛灰和液渣進(jìn)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(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合煤樣自身的煤質(zhì)數(shù)據(jù)分析堿金屬的遷移行為，缺少對(duì)于液態(tài)排渣爐中火焰中氣相堿金屬的檢測(cè)研究?；诨鹧孀园l(fā)射輻射信息進(jìn)行燃燒診斷的技術(shù)，具有非接觸、對(duì)環(huán)境要求不高、系統(tǒng)緊湊、易實(shí)施等特點(diǎn)[12]。HE等[13]使用基于火焰自發(fā)射光譜法在線監(jiān)測(cè)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(qū)域的氣相堿金屬質(zhì)量濃度與溫度和熱輻射的關(guān)系，證明了該方法能夠在大型工業(yè)爐膛中有效進(jìn)行氣相堿金屬質(zhì)量濃度和火焰溫度的檢測(cè)研究。張向宇等[15]基于光譜分析方法在旋風(fēng)燃燒爐中進(jìn)行檢測(cè)研究，檢測(cè)了旋風(fēng)筒不同位置處火焰溫度、發(fā)射率和氣相Na質(zhì)量濃度，結(jié)果表明準(zhǔn)東煤旋風(fēng)燃燒條件下，大部分Na會(huì)揮發(fā)進(jìn)入氣相，在旋風(fēng)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(duì)旋風(fēng)燃燒火焰中氣相Na質(zhì)量濃度的檢測(cè)，筆者基于被動(dòng)式火焰自發(fā)射光譜法，對(duì)燃用準(zhǔn)東煤的液態(tài)排渣爐中燃燒火焰進(jìn)行在線檢測(cè)研究，獲得了不同工況下火焰中氣相Na的釋放情況，同時(shí)結(jié)合飛灰和液渣分析數(shù)據(jù)，得到了火焰中氣相Na質(zhì)量濃度與Na遷移路徑的相關(guān)規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理及設(shè)備

準(zhǔn)東煤燃燒火焰產(chǎn)生的光譜具有連續(xù)的可見(jiàn)光光譜和特征光譜，如圖1所示，連續(xù)光譜代表煤粉燃燒產(chǎn)物的熱輻射，而特征譜線則是由于堿金屬原子能級(jí)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(jì)算溫度和氣相堿金屬質(zhì)量濃度。

圖1 準(zhǔn)東煤燃燒火焰光譜曲線

對(duì)于連續(xù)光譜，溫度800～2 000 K、波長(zhǎng)300～1 000 nm的輻射對(duì)象，其hc/λkT值遠(yuǎn)大于1(h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為波長(zhǎng)，k玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度)，此時(shí)普朗克定律可用維恩定律代替，即火焰的自發(fā)射輻射強(qiáng)度可表達(dá)為

(1)

其中，I(λ,T)為火焰溫度T時(shí)波長(zhǎng)λ下測(cè)得的實(shí)際輻射強(qiáng)度值，μW/(cm2·nm·sr)；ε(λ)為波長(zhǎng)為λ時(shí)的發(fā)射率；C1、C2分別為普朗克第1和第2輻射常數(shù)，其值分別為3.742×10-16W·m2和1.438 8×10-2m·K。根據(jù)多波長(zhǎng)輻射分析[16]可得到該工況下的溫度，計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

式中，I(λ+Δλ，T)為火焰溫度T時(shí)λ+Δλ下測(cè)得的實(shí)際輻射強(qiáng)度值。

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

(3)

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

基于上述方法，開(kāi)發(fā)了1套便攜式火焰中氣相堿金屬檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括光譜采集裝置和數(shù)據(jù)處理軟件，系統(tǒng)中選用光譜儀波長(zhǎng)響應(yīng)為175～1 000 nm、光譜分辨率0.8 nm、采樣耗時(shí)1.1 ms、數(shù)據(jù)傳輸速率3.7 ms，高采樣速率及數(shù)據(jù)傳輸速率可保證光譜數(shù)據(jù)的實(shí)效性，數(shù)據(jù)處理軟件能夠?qū)鹧嬷泄庾V信號(hào)進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)輸出火焰溫度和氣相堿金屬Na質(zhì)量濃度。

在Hencken燃燒器上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了堿金屬質(zhì)量濃度和特征譜線強(qiáng)度的標(biāo)定試驗(yàn)，具體步驟參考文獻(xiàn)[17]，標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。

圖2 氣相Na標(biāo)定結(jié)果

由圖2可知，在氣相Na的高質(zhì)量濃度范圍，原數(shù)據(jù)曲線發(fā)生明顯彎折，出現(xiàn)特征輻射強(qiáng)度與氣相質(zhì)量濃度非線性相關(guān)現(xiàn)象。這是由于火焰自發(fā)射光譜以火焰作為激發(fā)源，能量低，對(duì)原子的激發(fā)效率較低，基態(tài)原子數(shù)目較多，激發(fā)態(tài)原子釋放的輻射易被基態(tài)原子或較低能級(jí)的原子吸收，出現(xiàn)自吸收現(xiàn)象。根據(jù)HSU等[18]提出的自吸收修正方法對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了修正。修正后的標(biāo)定結(jié)果為

I(Na)=4.5C(Na),R2=0.97。

(4)

其中，I(Na)為Na特征譜線強(qiáng)度；C(Na)為火焰中氣相Na質(zhì)量濃度；R2為擬合優(yōu)度。根據(jù)原數(shù)據(jù)和標(biāo)定數(shù)據(jù)的誤差棒可知，擬合結(jié)果可靠。

檢測(cè)極限是衡量一種方法測(cè)試能力的重要指標(biāo)。一般而言，光譜方法的檢測(cè)極限為

LOD=3σ/S。

(5)

其中，LOD為檢測(cè)極限；σ為背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差；S為式(4)中的斜率。計(jì)算得檢測(cè)極限為0.09 mg/m3。

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在某液態(tài)排渣爐上進(jìn)行，爐型為雙燃燒室塔式直流鍋爐，鍋爐左右對(duì)稱布置2個(gè)熔渣室、1個(gè)燃盡室和1個(gè)豎直煙道，構(gòu)成雙U形爐膛、塔式結(jié)構(gòu)。在每個(gè)熔渣室頂部雙列錯(cuò)位布置了8只雙調(diào)風(fēng)低NOx旋流燃燒器。煤粉從旋流燃燒器噴出向下燃燒，經(jīng)過(guò)主燃區(qū)后，部分高溫灰達(dá)到灰熔融溫度后在捕渣屏處呈現(xiàn)熔融態(tài)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(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和試驗(yàn)?zāi)康拇_立了8個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明如圖3所示。其中10、20、30和40為磨煤機(jī)序列，每臺(tái)磨煤機(jī)控制4只燃燒器。

圖3 鍋爐及測(cè)點(diǎn)位置示意

在機(jī)組負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的條件下分別進(jìn)行了單渣室燒高堿煤和雙渣室燒高堿煤2種工況的試驗(yàn)，具體工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況

選取神華煤(SH)和新疆哈密煤(HM)為研究對(duì)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(fā)分、低灰分的高鈉煤，煤質(zhì)特性和灰分分析見(jiàn)表2和表3。

表2 煤質(zhì)分析

表3 灰分分析

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氣相Na質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果

在表1工況下，分別對(duì)燃燒器下方火焰進(jìn)行約600 s的在線檢測(cè)，取檢測(cè)時(shí)間內(nèi)平均值作為最終結(jié)果，如圖4所示。誤差棒表示檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)波動(dòng)，其值越大，表明火焰脈動(dòng)越強(qiáng)烈。

由圖4可知，在工況1中，渣室1測(cè)點(diǎn)處的火焰溫度、氣相Na質(zhì)量濃度和波段熱輻射能大小呈相同趨勢(shì)，渣室2中無(wú)明顯關(guān)聯(lián)性。工況2中，渣室1檢測(cè)結(jié)果與工況1呈相似結(jié)果，這是由于在工況2下，渣室1中對(duì)應(yīng)的2臺(tái)磨煤機(jī)均處于啟動(dòng)狀態(tài)，但在渣室2中，氣相Na質(zhì)量濃度僅與熱輻射呈相似性。根據(jù)誤差棒的大小，工況2中測(cè)點(diǎn)8的測(cè)量時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，這是由于40號(hào)磨煤機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)處無(wú)明顯煤粉著火時(shí)的脈動(dòng)火焰。2個(gè)工況下，渣室1中測(cè)點(diǎn)4相較于其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)火焰溫度和氣相Na質(zhì)量濃度較高，測(cè)點(diǎn)3較其余測(cè)點(diǎn)明顯偏低。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

圖5(a)和5(b)分別為工況1中測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4處爐內(nèi)火焰圖像，圖像曝光時(shí)間相同，由圖5可知，測(cè)點(diǎn)3處火焰顏色呈不均勻暗紅色，而測(cè)點(diǎn)4處的火焰圖像呈明亮均勻的顏色，這是由于10號(hào)磨煤機(jī)煤粉細(xì)度遠(yuǎn)大于燃燒器設(shè)定值，從而導(dǎo)致在測(cè)點(diǎn)處光譜輻射被未充分燃燒的煤粉所吸收，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果較低，這也在波段輻射能的結(jié)果中得以體現(xiàn)。因此，以測(cè)點(diǎn)4的結(jié)果作為渣室1平均結(jié)果，同時(shí)取渣室2所有測(cè)點(diǎn)檢測(cè)平均值作為渣室2平均結(jié)果，結(jié)果如圖6所示。檢測(cè)結(jié)果的主要誤差來(lái)源于火焰脈動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的波動(dòng)和渣室1中部分測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的有效性不足。

圖5 不同測(cè)點(diǎn)火焰圖像

圖6 不同工況檢測(cè)結(jié)果

由圖6可知，工況1的渣室1和2中火焰平均溫度無(wú)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(cè)平均Na質(zhì)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(shí)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(yīng)[19]，使哈密煤中大部分Na以氣相形式釋放，上述多種因素導(dǎo)致渣室1中氣相Na高于渣室2。對(duì)于全燒高堿煤的工況2，2個(gè)渣室中氣相Na質(zhì)量濃度與工況1相似，渣室1中氣相Na質(zhì)量濃度約為渣室2中的1.5倍，這是由于渣室2中僅啟動(dòng)一臺(tái)磨煤機(jī)，給粉量較渣室1低，釋放的氣相Na相對(duì)更少。工況2中的氣相Na質(zhì)量濃度明顯高于工況1，這可能是工況2中機(jī)組負(fù)荷更高的原因。

通過(guò)光譜分析結(jié)果可知，爐內(nèi)氣相質(zhì)量濃度分布不均勻，氣相Na質(zhì)量濃度和波段熱輻射能可以反映不同測(cè)點(diǎn)處的燃燒狀態(tài)和機(jī)組工況。

2.2 灰渣樣測(cè)試結(jié)果

在液態(tài)排渣爐中，堿金屬的遷移主要包含2個(gè)路徑：① 氣相 Na與硅鋁氧化物反應(yīng)生成硅鋁酸鹽進(jìn)入液渣中；② Na的硫酸鹽與CaSO4、Fe2O3反應(yīng)生成低溫共熔物黏附在飛灰表面[20-21]。在檢測(cè)氣相Na質(zhì)量濃度的同時(shí)，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(guò)XRF分析，結(jié)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(xiàn)[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(zhì)量分?jǐn)?shù)高于液渣，同時(shí)相較于其他飛灰中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)較接近，但工況2的渣室1渣樣中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，約11.8%。結(jié)合氣相Na質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果，可認(rèn)為燃用相同煤樣時(shí)，隨氣相Na質(zhì)量濃度增加，F(xiàn)e在飛灰中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近飽和，F(xiàn)e更易向液渣中富集。

不同工況下Na含量對(duì)比結(jié)果如圖8所示，工況1的渣室1中液渣和飛灰中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。相對(duì)于工況1中渣室1，渣室2液渣中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于灰中，這是由于高溫條件下，氣相水溶性Na會(huì)直接與硅鋁反應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，部分水溶性Na揮發(fā)后會(huì)與其反應(yīng)并形成硫酸鹽及其復(fù)合物，水溶性硫酸鹽更易向灰中遷移，導(dǎo)致渣室1灰渣中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近。對(duì)于工況2，2個(gè)渣室飛灰中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于液渣，且工況2的渣室1渣樣中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)(7.5%)明顯高于工況2的渣室2(4.8%)，但灰中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差別，可能是由于工況2的渣室2僅開(kāi)啟一組磨煤機(jī)的緣故，與氣相Na質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)相同的結(jié)論。

圖8 不同工況下飛灰和液渣Na含量對(duì)比

對(duì)比工況1和工況2中渣室1檢測(cè)結(jié)果，2種工況下渣樣中Na含量無(wú)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(zhì)量濃度較高，與硅鋁氧化物反應(yīng)生成的硅鋁酸鹽進(jìn)入液渣中達(dá)到飽和，更多則向飛灰中遷移。

總體而言，氣相Na質(zhì)量濃度的檢測(cè)結(jié)果與灰渣分析結(jié)果具有一定關(guān)聯(lián)性，不同工況下結(jié)論相似，燃燒過(guò)程中釋放的氣相Na越多，灰渣樣中的Na含量也明顯增加，認(rèn)為氣相Na質(zhì)量濃度的變化對(duì)灰渣中整體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化有一定指導(dǎo)意義，但由于缺少捕渣屏后的氣相Na質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，難以判斷Na遷移路徑。

3 結(jié) 論

1)基于火焰自發(fā)射光譜法的在線檢測(cè)方法能夠有效檢測(cè)高堿煤在液態(tài)排渣爐燃燒過(guò)程中的氣相Na質(zhì)量濃度，結(jié)合傳統(tǒng)離線檢測(cè)方法對(duì)灰渣樣進(jìn)行分析有助于建立Na遷移的閉合路徑。

2)氣相Na質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果能夠反映爐內(nèi)負(fù)荷以及煤質(zhì)變化，同時(shí)熱輻射能結(jié)果能反映燃燒器的燃燒效果，在線監(jiān)測(cè)方法對(duì)于指導(dǎo)燃燒具有一定的實(shí)際意義。

3)對(duì)于旋風(fēng)液態(tài)排渣爐而言，隨著爐內(nèi)火焰中氣相Na質(zhì)量濃度的增加，液渣和飛灰中Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之增加，但更多向飛灰中遷移。