0 引 言
我国煤炭资源丰富，半焦是煤梯级高效利用的主要产物 [1-2]，半焦通过电站锅炉或工业锅炉燃烧是其主要的利用途径。因此，设计符合半焦燃烧特性的燃烧器不但会提高其能源利用效率和系统安全性，还符合国家的规划需求[3-4]。国内外众多学者对半焦燃烧特性采用理论[5]或试验[6-8]方法进行了研究，得到了丰硕的成果。半焦颗粒由于其挥发分含量较低，点火过程通常发生在颗粒表面，氧气直接撞击到颗粒表面同煤焦直接发生氧化反应。但对试验研究而言，多采用热重(TGA)等方法，其加热速度与实际锅炉系统相差较大，且通常只反映气相均相点火特性，而半焦由于其挥发分含量较低，点火过程通常由非均相表面引起。多元扩散火焰燃烧器(Hencken 燃烧器)[9-10]可以在提供一个稳定的温度、组分环境的同时，保持颗粒105～106 K/s的加热速率，这个量级的加热速率与一维炉[11-12]等中试规模的试验装置相似，高于热重法(10～100 K/min)和滴管炉(104～105 K/s)[13-14]等试验装置。在这些设备中，滴管炉或Hencken 燃烧器被认为是试验室条件下最适合研究煤粉颗粒着火的设备。首先，其高达105 K/s 的加热速率使得煤粉颗粒的燃烧过程同实际系统类似。其次，对比其他设备的试验研究，比如TGA，更多地将重点放在点火特征时间，而不是最小着火温度上。着火特征时间和最小着火能是设计煤粉燃烧器关键，因此为了开发半焦燃烧器，有必要针对半焦点火特征时间开展研究。此外，应用光学法测量非均相燃烧体系，还可以在不影响体系自身流动结构的前提下，得到更精确的燃烧信息。
笔者通过新型高频振荡单分散颗粒给粉器结合多元扩散火焰燃烧器技术，同时配合煤粉全辐射信号分析试验方法，研究了环境温度和含氧量变化对半焦颗粒点火特征时间的影响，以期为半焦燃烧器的设计和半焦锅炉的稳定运行提供理论依据。
1 试 验
1.1 试验流程
测量半焦点火特征时间的试验系统如图1所示。
图1 测量半焦点火特征时间的试验系统
Fig.1 Experimentation system for measuring characteristic time of half-focus fire
试验系统由配气系统、震荡微量给粉器、多元扩散火焰(Hencken)燃烧器和光学信号采集系统4个部分组成[15-16]。其中，Hencken燃烧器气体燃烧所产生的高温烟气作为热源，提供和维持目标燃料燃烧所需要的能量。燃料通过数百根超细不锈钢管流出，氧化剂和稀释剂从管外部空隙孔中流出，在燃烧器上方混合燃烧，所需反应高度小于0.3 cm，环境温度能很快达到设计目标温度。光学信号由ICCD(Intensified Charge-Coupled Device)采集。试验流程如下：煤粉经震荡微量给粉器使煤粉达到分散状态，然后随气流进入由Hencken燃烧器提供的高温可控组分环境内，最后煤粉被加热点燃后的光学信号由ICCD采集至存储设备。
1.2 试验材料和工况
试验所选用半焦的工业和元素分析结果见表1。半焦挥发含量为6.67%，固定碳含量为82.05%。此外，试验所采取的半焦颗粒粒径小于75 μm。
表1 半焦工业和元素分析结果
Table 1 Industry and elemental analysis of semi-coke
Mad/%Vdaf/%FCd/%Ad/%CRC/%6.097.9782.0510.852
通过控制Hencken燃烧器所用载气、氧化剂和还原剂的配比，半焦燃烧的温度环境工况为1 200、1 500和1 800 K，氧体积分数工况为10%和20%。
2 结果与讨论
2.1 温度对点火特征时间的影响
不同环境温度T工况下，由ICCD获得的光学信号通过后处理得到的信号强度In随高度H(燃烧器平面高度为0 mm)变化曲线如图2a所示。图中纵坐标为信号强度归一化后的结果，即实测信号强度除以峰值后的数值。为了得到环境温度对半焦点火特征时间的影响，半焦燃烧环境的氧含量YO2保持为0.1。由图2a可知，信号强度随着高度的增加可分为缓慢增加段、迅速增加段和下降段3段。缓慢增加段对应颗粒由对流换热主导的加热过程；迅速增加段对应的是颗粒自身反应速率加快导致颗粒迅速升温的过程；下降段主要由于焦炭颗粒燃烧速率下降，以及燃烧器上部流场与温度场不稳定造成的。从图2a可知，环境温度升高会增加缓慢增加段和迅速增加段的梯度，并降低光学信号峰值出现的位置。
图2 环境温度对半焦着火特性时间的影响
Fig.2 Effects of ambient temperature on ignition characteristic time of semi-char
ICCD所获得的光学信号与位置信息相关联。为了获得半焦点火特征时间，需先通过应用激光多普勒技术[16](PDA,Phase Doppler Anemometry)获得颗粒在燃烧器上方的速度。基于颗粒速度得到颗粒停留时间tr随高度变化的曲线如图2b所示，曲线斜率的倒数等于半焦颗粒在Hencken燃烧器上的速度。由图2b可知，3种温度工况下，颗粒在Hencken燃烧器上方速度的变化趋势相同，均可分为稳定段和加速段，末端加速段是因为颗粒自身放热造成的。
如何通过ICCD直接测量的光学信号来确定煤粉/半焦点火特征时间一直是研究难题。因为特征点火时间没对应的定义，只是在不同的体系下决定对应煤粉的点火容易程度。本文所指的半焦点火特征时间，为半焦颗粒在多元扩散火焰燃烧器这个体系中，用信号分析的方法确定一个数值来表征相应点火所需时间，用以研究环境、煤种和组分对点火过程的影响。笔者分别提取0.1、0.2和0.5三个信号所对应的时间点来表征半焦的点火特征时间ti，结果如图2c所示。由图可知，3种方法所得到的半焦点火特征时间变化规律一致。当选取归一化强度0.1作为特征点火时间信号时，环境温度由1 200 K增加到1 800 K，半焦点火特征时间缩短了4 ms，由12 ms降低到了8 ms。当选择0.2和0.5信号时，半焦点火特征时间分别缩短了4 ms和6 ms。无论采取何种信号表征半焦点火特征时间，得到的规律一致，增加环境温度会缩短半焦的点火时间。造成这种现象的原因是因为半焦挥发分含量小于7%，点火过程以非均相表面反应为主，温度升高会加快半焦表面的化学反应速率，颗粒自身反应放热能够更快地使颗粒温度升高，从而缩短了点火特征时间。
此外，当选择0.1信号表征半焦点火特征时间时，对比褐煤和烟煤的点火特征时间(1 200 K，约19 ms；1 500 K，11～15 ms；1 800 K，9～12 ms)[16]，半焦的点火特征时间相对较小。这是因为在非均相点火机制的主导下，在环境温度能够维持稳定且氧气充足的前提下，表面反应速率决定点火特征时间。通常半焦热值和表面反应活性较高，当达到点火温度时，半焦颗粒在非均相点火模式下具有更短的点火时间。
2.2 氧气浓度对半焦点火特征时间的影响
氧气浓度对半焦点火特征时间的影响如图3所示。由图3a可知，氧气体积分数YO2由10%增加到20%，缓慢增加段的信号梯度随之增加。此外，峰值出现的时间点由30 ms降至20 ms。
图3 氧气对半焦点火特征时间的影响
Fig.3 Effects of oxygen concentration on ignition characteristic time of semi-char
由图3b可知，如果取0.1的信号表征半焦的点火特征时间时，氧气体积分数从10%增加到20%，分别将半焦点火特征时间从1 200 K的12 ms、1 500 K的8 ms和1 800 K的7.8 ms，降低到10、7.9和5 ms。半焦的点火特征时间平均减少了1.7 ms。当取0.2和0.5信号表征点火特征时间时，点火特征时间分别缩短了1.4 ms和2.1ms。这说明，增加氧气浓度有利于半焦的点火。这种现象和褐煤与烟煤的试验结果相同[16]，但氧气浓度对半焦点火特征时间的影响要小于烟煤和褐煤。当取相对强度0.1为信号时，褐煤和烟煤的点火特征时间的变化约为半焦的2倍。这种现象是由于氧气浓度对非均相点火过程中煤焦反应的影响，小于其对受挥发分析出燃烧过程限制的非均相着火过程的影响造成的。
此外，对比第2.1节和第2.2节的结果可知，改变环境温度带来的点火特征时间变化约为氧气浓度变化的2倍。出现这种现象的原因可由半焦质量消耗速率公式[17]来解释。
mt=ρwBCexp(-EC/RTp)YO2πd2
(1)
式中：mt、ρw、BC、EC、R、TP和d分别为半焦质量消耗速率、表面密度、指前因子、活化能、通用气体常数、颗粒温度和颗粒半径，计算结果如图4所示。由图可知，如果取EC =103 kJ/mol[16-17]，Tp由1 200 K增加到1 500 K后，mt增加6.3倍。而当氧气体积分数由10%增加到20%，mt增加2倍，即改变温度带来的反应速率变化为改变氧气浓度的3.15倍，这与试验结果较为接近。由此可知，因为半焦消耗速率和温度呈指数函数关系，而焦炭消耗速率与氧气组分呈线性关系，环境温度对于半焦点火特征时间的影响更为明显。
图4 焦炭质量消耗速率变化曲线
Fig.4 Variation curves of char mass loss rate
综上所述，半焦点火特征时间可以通过改变环境温度和氧气浓度来进行调控，改变这2个参数带来的点火特征时间约为5 ms。以14 MW逆喷式燃烧器为例[18-19]，燃烧器回流帽附近的流速为30 m/s，那么由调控点火特征时间带来的特征长度的变化为0.15 m，这已经与钝体等稳燃部件的尺度在同一量级。
3 结 论
1)本研究通过基于光学信号获取半焦颗粒点火过程信息，当选取归一化强度0.1作为特征点火时间信号时，其特征点火时间在10 ms这一量级。
2)半焦表面的化学反应速率随着环境温度的增加而加快，因此，增加环境温度会缩短半焦的点火时间。当选取归一化强度0.1作为特征点火时间信号时，环境温度由1 200 K增加到1 800 K，点火时间由12 ms降低到8 ms，半焦的特征点火时间缩短4 ms。
3)氧气体积分数由10%增加到20%，点火特征时间由1 200 K的12 ms、1 500 K的8 ms和1 800 K的7.8 ms，降低至10、7.9和5 ms；氧气浓度对半焦点火特征时间的影响小于烟煤和褐煤，这是因为氧气浓度对非均相点火过程中煤焦反应的影响小于其对受挥发分析出燃烧过程限制的非均相着火过程的影响。
4)相比氧气浓度，环境温度对于半焦点火特征时间的影响更为明显，这是因为半焦消耗速率和温度呈指数函数关系，而半焦消耗速率与氧气组分呈线性关系造成的。
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