煤粉燃燒火焰輻射光譜實(shí)驗(yàn)研究

桂欣揚(yáng), Aymeric Alliot, 楊 斌，周 騖，平 力，蔡小舒

上海理工大學(xué)，顆粒與兩相流測量研究所/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093

煤粉燃燒火焰輻射光譜實(shí)驗(yàn)研究

桂欣揚(yáng), Aymeric Alliot, 楊 斌*，周 騖，平 力，蔡小舒

上海理工大學(xué)，顆粒與兩相流測量研究所/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093

針對煤粉燃燒輻射光譜問題，利用光纖光譜儀對煤粉平面火焰爐實(shí)驗(yàn)裝置煤粉燃燒火焰輻射光譜進(jìn)行了測量，詳細(xì)分析了煤粉輻射光譜特征，并基于普朗克輻射傳熱定律，通過對光譜儀波長響應(yīng)特性的標(biāo)定，得到火焰絕對輻射強(qiáng)度隨波長的分布情況，進(jìn)而利用最小二乘法獲得火焰溫度與輻射率參數(shù)，由此提出基于煤粉燃燒火焰輻射光譜測量的火焰參數(shù)測量方法。利用該方法對不同燃燒條件下煤粉燃燒參數(shù)進(jìn)行測量，開展了不同燃燒參數(shù)下煤粉火焰輻射光譜實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明： 煤粉燃燒火焰輻射在200～1 100 nm波段具有較強(qiáng)且連續(xù)的光譜特征，基于普朗克輻射定律與最小二乘法可實(shí)現(xiàn)煤粉燃燒火焰溫度與輻射率的測量；煤粉燃燒火焰輻射光譜在590，766，769和779 nm附近可見明顯的Na和K等堿金屬痕量元素原子光譜發(fā)射譜線，并且這些原子譜線的出現(xiàn)與火焰溫度有關(guān)；隨著煤粉濃度的提高，雖然燃燒溫度變化不大，但由于火焰輻射率的增加，造成輻射光譜強(qiáng)度的大幅提升。這對鍋爐煤粉燃燒優(yōu)化具有重要參考價(jià)值。

輻射光譜；煤粉燃燒；溫度測量；輻射率測量；燃燒診斷

引 言

煤炭燃燒目前仍占我國一次能源消費(fèi)的70%以上，是我國實(shí)施節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)國家戰(zhàn)略的關(guān)鍵問題[1]。為提高燃燒效率及優(yōu)化調(diào)節(jié)控制，工業(yè)鍋爐通常采用煤粉爐形式，將煤燃料制成幾十微米粒徑的煤粉，隨空氣一起進(jìn)入燃燒室中，在懸浮狀態(tài)下燃燒，火焰通過輻射傳遞熱量滿足工業(yè)需求[2]?；鹧孀鳛槊悍廴紵默F(xiàn)象表征，其輻射光譜蘊(yùn)含著大量與燃燒特征參數(shù)相關(guān)的信息，并且煤粉火焰主要依靠焦炭粒子發(fā)光輻射熱量，其輻射力一般比透明火焰大2～3倍[3-4]。因此，煤粉燃燒火焰輻射光譜研究不僅可為揭示燃燒機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐，并且直接關(guān)系到能源的高效利用。

煤粉燃燒火焰的輻射和吸收是在整個(gè)容積中同時(shí)進(jìn)行的?；鹧嬷饕扇託怏w(CO2和H2O等)和懸浮固體粒子(炭黑、飛灰、焦炭粒子)所組成，兩者的輻射與吸收特征完全不同： 三原子氣體輻射集中在紅外波段，并且由于分子吸收特性，光譜呈現(xiàn)帶狀特征；固體粒子輻射為連續(xù)光譜，并且特定條件下金屬原子被激發(fā)將產(chǎn)生很強(qiáng)的原子發(fā)射譜線[5-6]。而煤粉輻射光譜正是這些特征的綜合效果。從不同光譜波長段的輻射機(jī)理來說，紫外和可見光波段輻射一般由電子能量的變化產(chǎn)生；近紅外波段光譜則主要來源于分子振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能的變化。因此，對于紫外波段主要關(guān)注燃燒反應(yīng)中激發(fā)的電子能級躍遷產(chǎn)生的離散光譜；可見光波段主要關(guān)注炭黑等懸浮固體顆粒等灰體燃燒產(chǎn)生的連續(xù)輻射光譜；近紅外和紅外區(qū)域則主要通過分析燃?xì)饨M分及燃燒產(chǎn)物如H2O，CO2和CO等反映燃燒現(xiàn)象從而得到溫度和氣體產(chǎn)物濃度[7]。綜合關(guān)注光譜范圍、儀器造價(jià)及工業(yè)應(yīng)用等因素，針對可見光和近紅外波段范圍，選用200～1 100 nm波段光纖光譜儀，對煤粉燃燒火焰輻射光譜開展實(shí)驗(yàn)研究。通過詳細(xì)分析煤粉輻射光譜特征與火焰參數(shù)的關(guān)系，建立基于輻射光譜的燃燒參數(shù)測量方法，可為燃燒的優(yōu)化組織與能源的高效利用提供重要參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

火焰輻射光譜測量裝置如圖1所示，火焰輻射信號(hào)經(jīng)探頭中的透鏡匯聚于光纖接口端面并由光纖將其傳輸至光纖光譜儀中。該信號(hào)在光譜儀中經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理。

圖1 輻射光譜法實(shí)驗(yàn)原理示意圖

煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要由平面火焰爐、石英玻璃管、透鏡、探頭和光纖光譜儀等組成。甲烷和空氣按照設(shè)定流量送入平面火焰爐，經(jīng)充分預(yù)混后，在平面爐上方點(diǎn)燃并穩(wěn)定燃燒，為煤粉燃燒提供初始環(huán)境溫度。由于甲烷預(yù)混燃燒較充分，甲烷燃燒產(chǎn)物主要為氣態(tài)H2O和CO2分子，這些三原子氣體分子輻射在200～1 100 nm波段很弱，可作為背景光處理。煤粉管路位于火焰爐中央，煤粉由空氣攜帶氣力輸運(yùn)至火焰內(nèi)著火燃燒。同時(shí)，在平面火焰外側(cè)設(shè)置氮?dú)猸h(huán)與石英玻璃管以穩(wěn)定火焰及隔絕環(huán)境中空氣的影響。實(shí)驗(yàn)中，通過改變甲烷和空氣的流量調(diào)節(jié)煤粉燃燒環(huán)境溫度，通過改氣力輸運(yùn)空氣流量來改變煤粉顆粒濃度來研究不同條件下煤粉燃燒火焰輻射光譜特征。

圖2 煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 煤粉輻射光譜特征

利用火焰輻射光譜測量裝置對煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同工況下煤粉燃燒火焰輻射光譜進(jìn)行測量。典型工況輻射光譜如圖3所示，可以看出煤粉燃燒火焰輻射光譜在200～1 100 nm波段為連續(xù)的光譜。這是因?yàn)楣腆w顆粒輻射率較高，且隨波長變化不大，可看作灰體。因此，根據(jù)該特征，可以依據(jù)普朗克定律，建立不同波長下輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，得到火焰溫度與輻射率參數(shù)，從而建立煤粉燃燒火焰參數(shù)測量方法。

此外，還可以看出輻射光譜在590，766，769和779 nm處出現(xiàn)了明顯的原子光譜輻射譜線。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院原子光譜數(shù)據(jù)庫(NIST Atomic spectra database)查詢，可知為堿金屬元素產(chǎn)生的原子發(fā)射譜線，其中590 nm處來自Na元素，而766，769和779 nm三處為K元素。且這些堿金屬痕量元素原子輻射譜線的出現(xiàn)與溫度有關(guān)。

圖3 煤粉燃燒火焰典型輻射光譜

2.2 基于輻射光譜的火焰參數(shù)測量方法

輻射光譜法是基于普朗克輻射定律提出的一種測溫方法，由普朗克定律可知，火焰輻射波長λ與輻射強(qiáng)度Eλ[W·m-2]的關(guān)系為

(1)

其中，ε(λ,T)為輻射率函數(shù)，C1和C2為第一、第二輻射常數(shù)，T[K]為輻射溫度。煤粉燃燒產(chǎn)物主要為CO2和H2O、固體顆粒組成。CO2和H2O為三原子氣體分子，其輻射光譜為不連續(xù)的帶狀光譜，且主要分布于紅外波段，在測量波長范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度較弱，可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)獲得的較強(qiáng)且連續(xù)的輻射光譜主要來自于炭黑、飛灰、焦炭粒子等高溫固體顆粒的輻射。由于高溫固體顆粒輻射光譜具有連續(xù)特征，輻射率隨波長變化不大，因此，為簡化計(jì)算，可將煤粉燃燒火焰視為灰體，即輻射率函數(shù)不隨波長變化，即為ε(T)。通過獲得不同波長下的火焰輻射強(qiáng)度，剔除堿金屬元素原子發(fā)射譜線等不平滑部分光譜，根據(jù)式(1)可建立不同波長下輻射強(qiáng)度方程組，從而可求解得到溫度T及輻射率ε，從而建立煤粉燃燒火焰參數(shù)測量方法。

由于光譜儀電荷耦合元件(charge-coupled Device, CCD)信號(hào)響應(yīng)隨波長變化，即光譜儀獲得的輻射光譜并非火焰絕對輻射光譜。因此，需要利用黑體爐對光譜儀輻射響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。如圖4所示，為黑體爐在溫度1 200 ℃時(shí)，光譜儀獲得的實(shí)驗(yàn)曲線V’(Iλ)[count](實(shí)線)及依據(jù)式(1)計(jì)算得到的理論輻射光譜V(Iλ)[W·m-2](虛線)，由此通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可獲得如圖5所示的CCD響應(yīng)修正系數(shù)kλ

(2)

圖4 1 200 ℃下黑體理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)所得光譜

圖5 CCD響應(yīng)修正系數(shù)

由此便可將光譜儀獲得光譜轉(zhuǎn)化為火焰絕對輻射光譜

(3)

其中：ε為火焰在檢測波段的平均輻射率，T[K]為視場平均溫度，k為光纖光譜儀響應(yīng)修正系數(shù)，與CCD響應(yīng)、探頭結(jié)構(gòu)、尺寸、透鏡焦距等參數(shù)有關(guān)，一旦測量系統(tǒng)確定，此系數(shù)為定值。對式(3)兩邊取對數(shù)，可得

(4)

令ε′=lnε，t=1/T，確定最小二乘法目標(biāo)函數(shù)f(ε′)

(5)

當(dāng)f取最小值時(shí)，對應(yīng)的ε和T即為所求。

根據(jù)上述方法，對圖3所示典型工況下煤粉燃燒火焰輻射光譜進(jìn)行處理，獲得了590～960 nm波段煤粉火焰絕對輻射光譜，如圖6所示。依據(jù)普朗克定律，通過最小二乘法擬合，可獲得該工況下，測量區(qū)煤粉火焰溫度為1 244.4 K，火焰輻射率為0.17。實(shí)驗(yàn)中，利用K型熱電偶測量相同區(qū)域燃燒溫度，結(jié)果為1 194.5 K，以此作為參考值。輻射光譜法測溫結(jié)果與熱電偶測溫結(jié)果相對偏差為4.2%，如表1所示，由此驗(yàn)證了該方法測量的準(zhǔn)確性。

圖6 CCD響應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)定后火焰絕對光譜

表1 輻射光譜與熱電偶測溫結(jié)果比較

2.3 不同燃燒條件下的煤粉火焰輻射光譜分析

通過調(diào)節(jié)平面火焰爐甲烷和空氣流量來改變實(shí)驗(yàn)條件，獲得不同燃燒條件下煤粉火焰輻射光譜，如圖7所示。依據(jù)上述火焰參數(shù)測量方法，計(jì)算各實(shí)驗(yàn)工況下火焰溫度與輻射率參數(shù)，實(shí)驗(yàn)工況與測量結(jié)果如表2所示。

圖7 不同工況煤粉火焰輻射光譜

表2 煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)參數(shù)及測量結(jié)果

根據(jù)表2所示實(shí)驗(yàn)工況與測量結(jié)果可知，隨著平面火焰爐甲烷與空氣流量工況變化，平面火焰溫度有較大變化，但煤粉燃燒火焰溫度變化不大。這是因?yàn)槊悍塾奢斶\(yùn)空氣送至平面火焰中央，接近空氣與火焰分界面的煤粉顆粒被火焰加熱著火燃燒，而氣流中心區(qū)域的煤粉顆粒溫度低并未發(fā)生燃燒。實(shí)驗(yàn)獲得的輻射光譜來自于煤粉燃燒火焰，在確定高度下，雖然環(huán)境溫度變化，但煤粉著火燃燒進(jìn)程基本相近，因此測量的煤粉火焰溫度相近。可見如圖7所示，火焰輻射光譜峰值并未發(fā)生較大變化。然而降低煤粉輸運(yùn)濃度時(shí)，由于顆粒燃燒表面減少，如圖7所示的火焰輻射強(qiáng)度明顯減弱，因此，如表2所示測得的輻射率也在顯著降低。

根據(jù)上述分析可知，在工業(yè)過程中，煤粉燃燒溫度可調(diào)節(jié)范圍有限前提下，應(yīng)盡可能適當(dāng)減小煤粉顆粒粒徑或增加煤粉濃度以增大燃燒總表面，提高火焰輻射率以增強(qiáng)輻射換熱量。

此外，在不同實(shí)驗(yàn)工況下，煤粉燃燒火焰輻射光譜在590，766，769和779 nm附近均可見明顯的Na和K等堿金屬痕量元素原子光譜發(fā)射譜線，并且這些原子譜線的出現(xiàn)及強(qiáng)度與火焰溫度及煤粉濃度有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)煤粉燃燒火焰200～1 100 nm波段輻射光譜主要來自炭黑、飛灰、焦炭粒子等高溫固體顆粒，其輻射光譜呈現(xiàn)連續(xù)特征，輻射率隨波長變化不大，可將煤粉火焰視作灰體，并且在一定溫度條件下，輻射光譜會(huì)在特定波長處出現(xiàn)較強(qiáng)的堿金屬痕量元素原子發(fā)射譜線。

(2)針對煤粉燃燒火焰輻射光譜在200～1 100 nm波段連續(xù)特征，提出基于輻射光譜的煤粉燃燒火焰參數(shù)測量方法，并利用熱電偶測溫方法驗(yàn)證了該方法溫度測量的準(zhǔn)確性。

(3)對比不同實(shí)驗(yàn)工況下煤粉燃燒火焰輻射光譜可知，在確定測量區(qū)域內(nèi)，由于煤粉燃燒進(jìn)程相似，火焰溫度相差不大；降低煤粉輸運(yùn)濃度，火焰輻射光譜強(qiáng)度明顯減弱，火焰輻射率大幅減小?？芍?，在工業(yè)鍋爐中，由于溫度調(diào)節(jié)受限，可適度減小煤粉顆粒粒徑或增大煤粉濃度以增強(qiáng)爐內(nèi)煤粉燃燒輻射換熱。

[1] China Energy Statistical Yearbook 2013(中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013). Department of Energy Statistics, the National Bureau of Statistics, the People’s Republic of China(國家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司), 2013.

[2] CHE De-fu(車德福). Boilers——Theory, Design and Operation(鍋爐——理論、設(shè)計(jì)及運(yùn)行). Xi’an Jiaotong University Press(西安交通大學(xué)出版社), 2008.

[3] Holman J P. Heat Transfer(傳熱學(xué)). China Machine Press(機(jī)械工業(yè)出版社), 2011.

[4] Modest Michael F. Radiation Heat Transfer, Elsevier, 2013.

[5] Aleksandar Saljnikov, Mirko Komatina, Vasilije Manovic, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(5): 2871.

[6] ZHANG Xiao-bo, ZHAO Hong, YANG Jian-guo(張驍博, 趙 虹, 楊建國). Journal of China Coal Society(煤炭學(xué)報(bào)), 2011, 36(6): 999.

[7] Robert Johansson, Bo Leckner, Klas Andersson, et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 65: 143.

(Received Sep. 5, 2015; accepted Jan. 15, 2016)

*Corresponding author

Research on Radiation Spectrum of Pulverized Coal Combustion Flame

GUI Xin-yang, Aymeric Alliot, YANG Bin*, ZHOU Wu, PING Li, CAI Xiao-shu

Institute of Particle and Two-Phase Flow Measurement/Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

In order to study on radiation spectrum of pulverized coal flame, radiation spectrums of pulverized coal flame on flat flame burner were measured with fiber optic spectrometer and the radiation characteristic was analyzed in detail. Distribution curves of radiation intensity of flame with wavelength were obtained based on Planck’s Law and calibration by using blackbody furnace. Then, combustion parameters such as temperature and emissivity were calculated by using least square method. Therefore, the measurement method based on radiation spectrum of pulverized coal flame was proposed. And the experimental investigations on pulverized coal flame under different conditions were carried out with this method. The result shows that the radiation spectrum of pulverized coal flame is significant and continuous in the wavelength ranging from 200 to 1 100 nm.The temperature and emissivity of flame can be determined by using Planck’s Law and least square method. Meanwhile, emission peaks of alkali metal such as sodium and potassium appear on the radiation spectrum of pulverized coal combustion flame near 590, 766, 769 and 779 nm, and the appearance of these emission lines is related with temperature. When the concentration of pulverized coal is increasing, the temperature of pulverized coal flame has a little change but the emissivity changes obviously. The intensity of radiation is increasing greatly with emissivity. It can provide important reference for combustion optimization of boiler.

Radiation spectroscopy; Pulverized coal combustion; Temperature measurement; Emissivity measurement; Combustion diagnostic

2015-09-05，

2016-01-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51327803，51206112), 上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(13DZ2260900)，華東理工大學(xué)煤氣化及能源化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目(2016KY11-046)和上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)目(ZZslg15002)資助

桂欣揚(yáng)，1991年生，上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測量研究所碩士研究生 e-mail: nemomayday@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: yangbin@usst.edu.cn

O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3492-05