低温烘焙提质对褐煤着火燃烧特性的影响
0 引 言
我国褐煤目前己探明资源储量高达1 300多亿t，约占全国煤炭储量的17%，是我国煤电供应链的重要组成部分之一[1]。然而，褐煤水分和挥发分相对较高，极易在运输和储存过程中发生自燃，严重制约褐煤大规模高效利用。学者提出通过褐煤提质，增加褐煤燃料品质，实现褐煤高效规模化应用，其中低温烘焙提质技术是目前褐煤利用常用手段[2-3]。此外，经低温烘焙后褐煤不仅可直接作为电厂燃料供应，还可广泛用于冶金、化工和民用炉燃料等方面。
研究表明低温烘焙提质会显著改变褐煤物理化学特性，对煤粉着火有重要影响[4-5]。WO等[6]研究了锡盟褐煤在300～700 ℃低温热解得到的煤焦结构及形貌特征，发现提质温度升高时，煤焦颗粒粒径更小，且孔隙结构更发达，比表面积和孔体积增加。煤粉颗粒的着火延迟距离是表征煤粉着火、燃烧特性的重要参数。在实际燃煤设备应用中，煤粉着火过早会导致燃烧器喷口处结渣，而着火过晚则会造成煤粉颗粒燃烧不充分、火焰中心偏移等问题[7]。因此，研究煤粉颗粒的着火延迟距离对提高煤粉燃烧的稳定性和效率具有重要意义。
煤粉颗粒着火特性受环境温度和O2浓度等多因素影响。目前学者通过试验和数值模拟并结合可见光强度[8]、中间基团浓度[9]和气体组分浓度[10]的变化研究了煤粉着火的发生时间和位置。研究初期，受试验测量装置技术水平的限制，只能获得煤粉燃烧过程中气相组分浓度和颗粒质量的沿程变化。部分研究采用沉降炉开展煤粉燃烧试验，通过测量燃烧初期煤焦质量的损失和挥发分的释放过程判断着火的发生位置[11-12]。RIAZA等[13]利用可视化沉降炉对比了不同煤种的着火特性，发现挥发分火焰持续时间随挥发分含量增加而线性增加；焦炭燃烧持续时间则随碳含量增加而线性增加。此外，该课题组进一步利用高速相机研究了O2/CO2和O2/N2中不同煤种的着火特性，发现烟煤和褐煤颗粒在O2/CO2气氛下的点火延迟时间比在O2/N2气氛下更长，且在这2种气氛下O2浓度的增加均能缩短点火延迟时间[14]。
随着测量技术的发展，光学诊断方法广泛应用于煤粉颗粒着火和燃烧特性研究。相比沉降炉，Hencken平面火焰燃烧器使用气体燃烧后的高温烟气作为热源，因此光学诊断可以很好开展。ZENG等[8]在Hencken燃烧器上采用CMOS相机拍摄了煤粉颗粒燃烧的图像，并定义光强达到峰值的10%处煤粉开始着火，发现提高协流温度和增加氧气浓度都会使煤粉着火距离缩短，且在相同氧气浓度和热协流温度下，O2/CO2气氛中着火距离较O2/N2气氛中增加了0.07～0.49 cm。朱文堃等[15]根据光强信号轴向分布，确定峰值20%以上为主燃烧段，发现主燃烧段长度随氧气浓度增加而缩短，而随热协流温度增加而延长。SHADDIX等[16]采用平面火焰试验台研究了氧气浓度对煤粉着火特性的影响，发现氧气浓度的升高对氧向挥发分火焰的传质过程有促进作用，并提高了脱挥发分速率。ADESOUN等[17]采用改进的两级Hencken燃烧器和高速摄像机研究了125～149 μm单颗粒烟煤的着火特性，研究了温度及空气分级模式对着火时间及着火模式的影响，发现空气分级模式下着火时间显著推迟，着火模式有明显差别。然而，目前鲜见褐煤提质对煤粉着火特性的影响研究。
笔者利用平面火焰燃烧系统并结合CMOS相机研究了不同协流温度(1 473、1 673和1 873 K)和O2体积分数(5%、10%和20%)下低温烘焙预处理(200、250和300 ℃)对褐煤着火燃烧特性的影响，并重点分析了不同燃烧条件下煤粉的火焰形态和着火延迟距离，以期为褐煤高效利用提供指导和参考。
图1 Hencken燃烧器示意
Fig.1 Schematics of Hencken burner
1 试 验
Hencken燃烧器结构示意如图1所示，燃烧器为方形结构，表面上交错布置有输送气体燃烧和氧化剂燃烧的毛细管，中心管位于燃烧器中心，用于输送煤粉颗粒。气体燃料和氧化剂均由毛细管喷入，之后在靠近喷口的区域迅速混合并在高温下发生剧烈反应，形成扩散燃烧小火焰，气体燃料燃烧后产生的高温烟气为煤粉燃烧提供高温热协流，并通过调节气体燃料(CO和CH4)及氧化剂流量控制热协流的温度和氧气浓度，实现不同的热协流温度和氧气浓度氛围。气体燃料扩散燃烧小火焰区域为50 mm×50 mm，中心管外径为2 mm(内径1.8 mm)。煤粉颗粒由N2携带并从中心管喷入燃烧器上方，在高温热协流烟气中煤粉受热后发生着火和燃烧。
煤粉燃烧试验前，结合理论燃烧计算和实际实验校核2种方法确定试验工况，采用质量流量计调节CO、CH4、O2和N2质量流量，结合B型热电偶和MRU Vario Plus烟气分析仪分别测量了温度和氧气浓度的沿程分布，结果发现气体燃料燃烧后热协流温度和氧气浓度在中心轴线沿程分布均匀、稳定，保证了气体燃料燃烧后产生的高温烟气能为煤粉燃烧提供设定的热协流条件。
试验选用褐煤原煤及不同低温烘焙温度处理后的褐煤样品，其工业分析和元素分析见表1。
表1 燃料工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuels
注：*表示由差减法获得。
褐煤烘焙提质在低温热解系统[18]上进行，试验开始时将煤粉装入瓷方舟置于石英管中并通入2 L/min 的N2排出空气，将石英管缓慢推入已达目标温度的卧式炉中，且持续通入1 L/min的N2并保温60 min，随后取出石英管冷却并持续通入N2，最后将制备好的半焦样品取出并装入自封袋置于干燥器中保存。
2 结果与讨论
2.1 煤粉颗粒燃烧火焰图像
采用CMOS相机拍摄煤粉燃烧火焰图像，为抑制环境光的干扰并确保不同工况下火焰清晰，确定设置相机的光圈和感光度分别为f/5.6和ISO-100。煤粉燃烧火焰图像可直接反映挥发分和焦炭燃烧反应剧烈的程度，进一步处理火焰图像可获得煤粉火焰光强在中心轴线处定量分布。
褐煤颗粒在不同热协流温度和氧气浓度下煤粉火焰图像如图2所示，在图2中定性标记煤粉燃烧起始位置及变化趋势。由图2可知，褐煤颗粒经中心管喷出后，在气体燃料燃烧产生的高温烟气中迅速着火和燃烧，随后在中心轴线附近形成较稳定的煤粉火焰。热协流温度由1 473 K升高至1 873 K，煤粉火焰亮度明显增加，且着火位置越来越靠近喷口位置。表明升高环境温度显著促进煤粉着火和燃烧，使煤粉着火位置提前且强化煤粉燃烧反应。此外，热协流温度的升高还会增加煤粉火焰径向分布宽度。由于火焰在径向的分布主要是由于煤粉释放挥发分燃烧形成，径向分布范围增加表明环境温度升高促进挥发分释放，使颗粒附近形成挥发分的富集区域，气相燃烧反应更剧烈，并在中心轴线径向方向较大范围内分布。
图2 原始褐煤颗粒燃烧时火焰图像
Fig.2 Flame image from the combustion of raw lignite under various conditions
烘焙会显著改变褐煤结构并降低煤粉颗粒的挥发分，进而影响煤粉颗粒的着火和燃烧特性。经200 ℃烘焙的褐煤颗粒在不同热协流温度和O2体积分数下的煤粉火焰图像如图3所示，在图3中定性标记煤粉燃烧起始位置及其变化趋势。从燃烧整体形态看，烘焙过的煤粉颗粒燃烧火焰与未烘焙的煤粉颗粒基本保持一致。煤粉均在进入热协流后迅速着火燃烧，火焰集中在中心轴线附近，并且在燃烧前期，径向范围内挥发分燃烧形成的火焰较明显。
图3 200 ℃烘焙褐煤颗粒燃烧时火焰图像
Fig.3 Flame image from the combustion of upgrading lignite prepared at 200 ℃ under various conditions
热协流温度1 873 K、O2体积分数21%时，不同烘焙温度下煤粉颗粒的火焰图像如图4所示。由图4可知，褐煤未烘焙预处理时，煤粉火焰在轴向的分布较长，亮度较高，随烘焙预温度升高，火焰长度明显缩短且亮度降低。这主要是低温烘焙预处理引起褐煤部分挥发分释放，煤粉颗粒中挥发分降低和固定碳升高，而挥发分降低会导致火焰分布范围变小和火焰亮度降低。
图4 不同烘焙温度下煤粉燃烧火焰图像
Fig.4 Effect of torrefaction temperature on the flame image from the combustion of lignite
2.2 褐煤颗粒的着火延迟距离
第2.1节主要针对煤粉火焰亮度和着火位置进行定性分析，为进一步定量分析煤粉火焰图像，通过Matlab软件将彩色图像转换为8位灰度图，获得火焰光强值沿中心轴线的分布。O2体积分数5%、不同热协流温度下褐煤颗粒归一化火焰光强轴向分布如图5所示(虚线标记峰值20%的具体位置)。由图5可知，不同热协流温度下光强分布曲线均在前期急剧上升，且热协流温度的升高会使曲线斜率增大，表明环境温度升高促进煤粉着火和燃烧。结合已有着火判定方法和本文试验结果，定义光强值达到峰值强度的20%时煤粉颗粒发生着火[19]，由此计算得到着火延迟距离，用来表征煤粉颗粒开始燃烧的位置。
图5 褐煤火焰光强归一化轴向分布
Fig.5 Axial distribution of normalized intensity of light from the combustion of raw lignite
采用上述煤粉火焰图像处理方法，定量得到不同热协流温度和O2体积分数下褐煤煤粉着火延迟距离如图6所示。热协流温度由1 473 K升高至1 873 K，着火延迟距离明显缩短，这与图3煤粉火焰图像定性结果一致。以O2体积分数5%下褐煤燃烧工况为例，热协流温度由1 473 K升高至1 873 K，着火延迟距离由2.41 cm减小至1.13 cm。热协流温度为1 473 K，O2体积分数由5%增至21%，煤粉着火延迟距离则由2.41 cm减小至2.08 cm。结果表明，适当提高煤粉燃烧环境温度和O2体积分数均能促进煤粉颗粒预热和着火，环境温度升高能促进挥发分释放，使煤粉颗粒周围挥发分浓度提高并导致煤粉着火提前；提高O2体积分数能促进热协流中O2向颗粒表面扩散，促使挥发分释放后迅速燃烧，有利于煤粉颗粒着火。
图6 O2体积分数对褐煤颗粒着火延迟距离的影响
Fig.6 Effect of oxygen concentration on the ignition delay distance from the combustion of raw lignite under various temperatures
2.3 不同烘焙温度下煤粉的着火延迟距离
进一步分析不同烘焙温度下煤粉颗粒的火焰图像，O2体积分数5%时不同热协流温度下200 ℃烘焙褐煤颗粒归一化火焰光强轴向分布如图7所示。可知200 ℃烘焙褐煤颗粒与未烘焙褐煤颗粒在轴向光强整体分布趋势一致，光强均在煤粉燃烧初期迅速增加，达到峰值后逐渐下降。但200 ℃烘焙褐煤颗粒燃烧时轴向火焰光强增加速率较未烘焙褐煤小，说明褐煤烘焙后导致煤粉样品中挥发分减少，不利于挥发分释放和燃烧。
图7 200 ℃烘焙褐煤颗粒火焰光强归一化轴向分布
Fig.7 Axial distribution of normalized intensity of light from the combustion of upgrading lignite prepared at 200 ℃
进一步对比200 ℃烘焙褐煤和未烘焙褐煤颗粒在不同热协流温度和O2体积分数下的着火延迟距离，如图8所示。由图8可知，O2体积分数5%时，热协流温度由1 473 K升高至1 873 K，200 ℃烘焙褐煤的着火延迟距离由2.65 cm减小至1.26 cm。热协流温度为1 473 K时，O2体积分数由5%增至21%，200 ℃烘焙褐煤的着火延迟距离则由2.65 cm减至2.37 cm。可见，200 ℃烘焙褐煤着火延迟距离随热协流温度和O2体积分数的变化趋势与未烘焙褐煤颗粒一致。经烘焙的褐煤颗粒在相同热协流温度和O2体积分数下的着火延迟距离稍大于未烘焙褐煤颗粒。在O2体积分数5%下，1 473、1 673和1 873 K时200 ℃烘焙褐煤的着火延迟距离较未烘焙褐煤颗粒分别增加了0.24、0.28和0.13 cm，表明烘焙过程中挥发分的损失也会导致煤粉颗粒着火延迟。
图8 O2体积分数对200 ℃烘焙褐煤和未烘焙褐煤颗粒着火延迟距离的影响
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
进一步对比了1 673 K下不同烘焙温度褐煤煤粉颗粒的着火延迟距离如图9所示。可知不同烘焙温度下，煤粉颗粒的着火位置均较褐煤有所延迟，且着火延迟距离差距随烘焙温度的增加而缩短。以O2体积分数5%为例，200、250和300 ℃下对应的着火延迟距离较褐煤的增值分别为0.28、0.16和0.11 cm。这主要是由于褐煤低温烘焙过程中挥发分受热析出，引起煤焦颗粒破碎，造成粒径及孔隙结构变化。文献[20]表明随着烘焙温度升高，煤焦颗粒粒径更小，孔隙结构更发达，比表面积和孔体积增加，均有利于氧气和颗粒表面充分接触，促进着火发生，从而降低着火延迟距离。
图9 不同烘焙温度下褐煤颗粒的着火延迟距离
Fig.9 Effect of torrefaction temperature on the ignition delay distance from the combustion of lignite
3 结 论
1)随热协流温度和O2体积分数提高，褐煤着火延迟距离缩短、火焰亮度增加。O2体积分数5%，热协流温度由1 473 K升至1 873 K，褐煤的着火延迟距离由2.41 cm减至1.13 cm，而火焰亮度峰值增加了16%。1 473 K下，随O2体积分数由5%提高至21%，褐煤的着火延迟距离由2.41 cm减至2.08 cm。
2)烘焙褐煤的着火延迟距离随热协流温度和O2体积分数变化趋势与未烘焙褐煤颗粒一致。O2体积分数5%下，热协流温度由1 473 K升至1 873 K，200 ℃烘焙褐煤的着火延迟距离由2.65 cm减至1.26 cm。1 473 K下，随O2体积分数由5%提高至21%，200 ℃烘焙褐煤的着火延迟距离由2.65 cm减至2.37 cm。
3)不同烘焙温度下煤粉颗粒的着火位置较褐煤均有所延迟，且差距随烘焙温度的增加而缩短。以1 673 K、O2体积分数5%为例，200、250和300 ℃下对应的着火延迟距离较褐煤增值分别为0.28、0.16 和0.11 cm。
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