魏小林

(1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049)

煤炭一直是我國最重要的一次能源，是工業(yè)用能的壓艙石，預(yù)計(jì)未來幾十年也會(huì)占能源消耗的50%以上，因此煤炭高效清潔利用得到國家的高度重視.我國大部分煤炭通過煤粉燃燒所消耗，但燃燒用煤的煤質(zhì)與國外有較大差別，經(jīng)常燃用灰分高、揮發(fā)分較低的煤，著火穩(wěn)定性差(特別是對(duì)于小容量鍋爐)，而發(fā)達(dá)國家多燃用煙煤、褐煤等高揮發(fā)分煤.雖然國外從20 世紀(jì)60 年代起就在煤粉燃燒基礎(chǔ)研究方面做出了系統(tǒng)性的開創(chuàng)成果[1-2]，但是我國從70 年代起在煤粉穩(wěn)燃技術(shù)方面也做出了自己獨(dú)特性的系列成果[3-4].在目前“雙碳”背景下，火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行是消除電源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)雙隨機(jī)擾動(dòng)、提高可再生能源消納率的有效措施，煤粉穩(wěn)燃技術(shù)是火電機(jī)組深度調(diào)峰的重要支撐.

周懷春等[5]總結(jié)了國內(nèi)主要大學(xué)和中科院等在煤粉穩(wěn)燃技術(shù)方面的研發(fā)歷程，分析了國內(nèi)大量的專利技術(shù)，認(rèn)為我國從80 年代開始的煤粉穩(wěn)燃技術(shù)可以歸為兩類：一類是借鑒國外旋流燃燒器[6]，以煙氣回流為主要技術(shù)特征，體現(xiàn)在1985 年4 月1 日開始申請(qǐng)的徐旭常等國內(nèi)很多學(xué)者的專利內(nèi)容上[7]，包括預(yù)熱室和各種鈍體燃燒器，其原理是通過強(qiáng)化高溫?zé)煔饣亓?，?shí)現(xiàn)煤粉氣流的快速加熱和著火；另一類借鑒國外的WR、PM 燃燒器和W 型火焰鍋爐旋風(fēng)分離式燃燒器等[8]，以煤粉濃淡分離為主要技術(shù)特征，體現(xiàn)在1989 年1 月14 日開始申請(qǐng)的徐通模等國內(nèi)很多學(xué)者專利內(nèi)容上[9]，包括應(yīng)用于直流或旋流燃燒器上的多種煤粉分離方式，其原理是將一次風(fēng)分離為濃淡兩股煤粉氣流，首先實(shí)現(xiàn)濃煤粉氣流的著火；并在四角切圓煤粉鍋爐上采用水平濃淡燃燒技術(shù)時(shí)，強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮向火側(cè)高濃度煤粉氣流的著火優(yōu)勢(shì)[10].國內(nèi)學(xué)者多年的研究與實(shí)踐表明[11-13]，煙氣回流強(qiáng)化了煤粉的預(yù)加熱過程，而濃煤粉氣流也有自身的著火優(yōu)勢(shì)，兩者的有機(jī)結(jié)合才是煤粉穩(wěn)定著火的關(guān)鍵.

徐旭常等[14]在總結(jié)煤粉預(yù)燃室及火焰穩(wěn)定船的作用時(shí)，強(qiáng)調(diào)在煤粉燃燒過程中，合理組織氣流，形成局部的高煤粉濃度、高溫和合適氧濃度的區(qū)域，成為穩(wěn)定的著火有利區(qū)，是保證煤粉穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵.可見，上述兩類煤粉穩(wěn)燃技術(shù)的基本原理均與此理論觀點(diǎn)相符.由于在濃煤粉氣流中，空氣質(zhì)量流率相對(duì)下降，因此在有利于煤粉著火的局部高溫區(qū)，煤粉與空氣的質(zhì)量比是很重要的參數(shù)，因其直接代表了高溫區(qū)的煤氧比，從而尋找所謂的“最佳煤粉濃度”變得重要起來.雖然煤粉濃淡燃燒的研究與應(yīng)用已經(jīng)較多，但是在氧燃料燃燒、高溫空氣燃燒和燃煤電站靈活性改造時(shí)的煤粉穩(wěn)燃等領(lǐng)域，仍然需要高濃度煤粉燃燒研究的基礎(chǔ)支撐.

煤粉揮發(fā)分含量越高，著火所需的空氣量也越多，因此高揮發(fā)分煤的最佳煤粉濃度較低.國外最早開展了煤粉氣流的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯縖15]，并實(shí)際測(cè)量得到了最佳煤粉濃度[16-17].國內(nèi)閻維平和徐明厚等較早開展了高濃度煤粉的燃燒研究[18-19]，許多學(xué)者得到了不同揮發(fā)分煤粉的最佳濃度[18-23].一般在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中認(rèn)為煤粉氣流燃燒過程中對(duì)應(yīng)于爐內(nèi)最高火焰溫度[18]或者最短著火距離[19]的煤粉濃度為最佳煤粉濃度.

由于在常溫條件下煤粉很難著火，因此煤粉氣流著火的關(guān)鍵是一次風(fēng)射流通過高溫?zé)釤煔獾臒釋?duì)流和輻射加熱(實(shí)際鍋爐中后者的影響較小)，使得煤粉氣流溫度升高到煤粉的著火溫度，這時(shí)煤粉所需的著火熱等于著火區(qū)域供給的熱量.傳統(tǒng)認(rèn)為煤粉氣流的著火溫度和著火熱不但與煤粉氣流本身的特性(煤粉揮發(fā)分與水分、灰分含量、濃度與細(xì)度、粒徑分布以及煤粉氣流初始溫度、一次風(fēng)率、風(fēng)速等)相關(guān)[16]，同時(shí)其著火的供給熱也受到爐內(nèi)加熱方式與條件的影響.此外，由于煤粉燃燒時(shí)間較長(zhǎng)，因此一般認(rèn)為煤粉氣流的火焰鋒面十分厚，其內(nèi)的溫度梯度相當(dāng)小，火焰鋒面向新鮮煤粉與一次風(fēng)混合物的導(dǎo)熱及輻射很弱.由于氣體預(yù)混燃料著火時(shí)，火焰鋒面很薄，其內(nèi)溫度梯度相當(dāng)大，燃料氣流的預(yù)熱主要來自于火焰區(qū)的導(dǎo)熱[24]，因此傳統(tǒng)認(rèn)為煤粉氣流著火機(jī)理與氣體燃料預(yù)混著火燃燒機(jī)理完全不同.

另一方面，在氣體燃料預(yù)混燃燒時(shí)存在一個(gè)在當(dāng)量比附近的燃料濃度，這時(shí)對(duì)應(yīng)最大的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?由于氣體預(yù)混燃料通過火焰鋒面的導(dǎo)熱即可加熱至著火狀態(tài)[24]，因此氣體預(yù)混燃料在常溫下即可點(diǎn)燃.如果燃料的初始溫度提高，雖然層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，但是?duì)應(yīng)最大速度的燃料濃度幾乎不會(huì)發(fā)生變化，因此層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛槿剂系闹鹋c燃燒基本特性受到廣泛重視.在模擬煤粉氣流燃燒時(shí)，Smoot 等[15]建立的一維分區(qū)模型，較早通過分區(qū)考慮了煤粉氣流燃燒時(shí)預(yù)熱區(qū)、火焰區(qū)和后燃區(qū)的不同輻射傳熱方式.由于氣體-顆?；旌衔锎嬖诒ǖ娘L(fēng)險(xiǎn)，因此近年來仍有不少工作研究了粉料氣流的層流火焰?zhèn)鞑栴}[25-26]，基于分區(qū)模型建立了計(jì)算預(yù)混粉料氣流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒?

本文在深入分析煤粉氣流著火過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤粉氣流著火機(jī)理本質(zhì)上與氣體燃料有著類似之處.煤粉氣流著火過程仍存在著明顯的火焰面，著火前釋放的揮發(fā)分相當(dāng)于為著火準(zhǔn)備足夠的預(yù)混可燃物，這些可燃物著火燃燒后也會(huì)通過導(dǎo)熱進(jìn)一步預(yù)熱煤粉(除爐內(nèi)高溫火焰外在加熱外)，使得煤粉氣流快速升溫，并達(dá)到著火條件.

本文在以上研究與理論分析基礎(chǔ)上，借鑒氣體層流預(yù)混燃燒的分區(qū)著火機(jī)理，從層流煤粉燃燒火焰分析入手，提出以揮發(fā)分和少量焦炭燃燒熱量作為著火供給熱來評(píng)估煤粉氣流著火狀況的新思路，同時(shí)將不同區(qū)域的熱量衡算進(jìn)行解耦，探究煤粉濃度對(duì)于煤粉氣流著火影響的基本特性，從而得到煤粉著火的分區(qū)機(jī)理.將煤粉氣流的著火規(guī)律主要看作由其自身特性(濃度、溫度、細(xì)度、速度、揮發(fā)分含量等)所決定，較大地簡(jiǎn)化了前人對(duì)于煤粉氣流復(fù)雜著火過程的描述.在此基礎(chǔ)上，還預(yù)測(cè)得到了煤粉最佳濃度，并提出著火供給熱參量概念，可以用來對(duì)比分析不同濃度煤粉氣流的著火特性.

1 煤粉燃燒的過程

為了研究煤粉氣流的著火機(jī)理，先從實(shí)際鍋爐的煤粉燃燒模擬結(jié)果了解煤粉氣流的基本著火過程.圖1 和圖2 為國內(nèi)一臺(tái)300 MW 四角布置煤粉鍋爐的數(shù)值模擬結(jié)果(B 層一次風(fēng)截面)，燃燒器采用了水平濃淡燃燒器，煤種為神華煙煤.從這些爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的結(jié)果看，煤粉氣流進(jìn)入爐內(nèi)0.5 m 左右的距離后(對(duì)應(yīng)實(shí)際鍋爐煤粉氣流剛進(jìn)入爐內(nèi)存在0.3～0.5 m 的“黑龍”)，很快就在一次風(fēng)射流外圍實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火，當(dāng)射流進(jìn)入爐內(nèi)3 m 左右后，煤粉射流基本實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外完全著火.從這些煤粉氣流根部著火段的模擬結(jié)果來看，圍繞煤粉射流，存在明顯的溫度和CO、CO2濃度快速上升，以及O2突然下降的局部區(qū)域，這就是煤粉氣流著火的核心區(qū)，即煤粉著火火焰.

圖1 四角布置煤粉鍋爐的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)Fig.1 Velocity field and temperature field of pulverized coal in tangential corner fired boiler

圖2 四角布置煤粉鍋爐的濃度場(chǎng)Fig.2 Concentration distribution of pulverized coal in tangential corner fired boiler

在實(shí)際鍋爐煤粉氣流的著火過程中，煤粉進(jìn)入爐內(nèi)后，受到氣流外圍的對(duì)流和輻射加熱，開始升溫并釋放揮發(fā)分，達(dá)到煤粉氣流著火溫度后，即發(fā)生已釋放揮發(fā)分和少量焦炭的著火燃燒反應(yīng).由于存在這種高速反應(yīng)、快速升溫的放熱過程，因此形成了穩(wěn)定的煤粉燃燒火焰面.Horton 等[27]在測(cè)量層流預(yù)混煤粉火焰時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤粉氣流存在厚度只有10 mm 左右的火焰面.雖然煤粉燃燒屬于典型的湍流燃燒，但是當(dāng)討論局部區(qū)域的微小火焰時(shí)，煤粉顆粒燃燒可以形成明顯的火焰[28]，因此層流燃燒的火焰面模型仍可以在此適用[29].

由于分析實(shí)際鍋爐的煤粉加熱過程是比較復(fù)雜的，因此下文先從層流預(yù)混煤粉的預(yù)熱和著火過程進(jìn)行分析.

2 煤粉氣流著火理論分析

2.1 理論基礎(chǔ)

許多研究者對(duì)于粉料氣流著火進(jìn)行過穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的理論分析[15,25-26].一般可以將煤粉氣流的著火過程分為預(yù)熱區(qū)、火焰區(qū)和燃盡區(qū)[15]，圖3 描述了一種典型的煤粉氣流著火過程.

圖3 煤粉氣流的著火過程Fig.3 Ignition process of pulverized coal flow

綜合分析這些模型，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的結(jié)果，本文提出以下主要觀點(diǎn)：

(1) 一般煤粉氣流預(yù)熱區(qū)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)(～m 量級(jí))，雖然煤粉燃盡的時(shí)間比氣體燃料長(zhǎng)很多，但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[15,28]以及以上大型鍋爐的數(shù)值模擬結(jié)果，煤粉氣流著火和主要燃燒過程卻很短，可以認(rèn)為存在很薄的1～10 mm 量級(jí)厚度的著火火焰區(qū)(氣體燃料的火焰面厚度更薄，一般為0.1～1 mm)，因此在分析煤粉著火過程時(shí)，照樣可以借鑒氣體預(yù)混燃料著火過程火焰的分析理論.雖然此假設(shè)對(duì)于煤粉燃盡過程的研究是不夠的，但是對(duì)于煤粉氣流的著火過程分析是基本可靠的.

(2) 煤粉氣流的預(yù)熱可以分為兩個(gè)過程(見圖4)，在一次預(yù)熱區(qū)內(nèi)煤粉氣流依靠爐內(nèi)對(duì)流和輻射加熱，達(dá)到通常講的煤粉氣流著火溫度；對(duì)于實(shí)際煤粉鍋爐，此時(shí)的加熱方式主要來自于煤粉射流外圍的對(duì)流加熱[30]，因此可以稱此著火熱量為“外在供給著火熱”.離開一次預(yù)熱區(qū)后，煤粉氣流進(jìn)入火焰區(qū)，為了與煤粉氣流一次預(yù)熱區(qū)加以區(qū)分，這里稱火焰預(yù)熱區(qū)為煤粉氣流著火的二次預(yù)熱區(qū)，即火焰區(qū)可以分為兩個(gè)子過程：二次預(yù)熱區(qū)和著火反應(yīng)區(qū)[24].在二次預(yù)熱區(qū)內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)，只接受來自后面相鄰反應(yīng)區(qū)的熱傳導(dǎo)加熱，此熱量由于直接來自煤粉氣流著火后的自身熱量，可以稱該著火熱量為“內(nèi)在供給著火熱”(前人在煤粉氣流著火機(jī)理分析中，很少有人關(guān)注此熱量).內(nèi)在供給著火熱使得煤粉氣流在二次預(yù)熱區(qū)進(jìn)一步加熱，達(dá)到煤粉顆粒的著火溫度，此溫度與通常講的煤粉單顆粒著火溫度非常接近，這時(shí)在反應(yīng)區(qū)內(nèi)將發(fā)生已釋放揮發(fā)分和少量焦炭的快速著火燃燒過程，從而與二次預(yù)熱區(qū)共同形成煤粉氣流著火過程的火焰鋒面.

圖4 煤粉氣流著火過程的分區(qū)模型Fig.4 Zonal model of ignition of pulverized coal flow

(3) 在實(shí)際煤粉燃燒過程中，煤粉氣流被加熱的方式主要為對(duì)流和輻射，從理論上進(jìn)行煤粉加熱過程的定量化分析是比較困難的，因此可以主要關(guān)注煤粉氣流本身被加熱的程度，其主要參數(shù)為煤粉加熱過程的時(shí)間和終溫，因?yàn)檫@兩者才是影響揮發(fā)分釋放和煤粉著火的核心要素.煤粉加熱的時(shí)間和終溫(其實(shí)就相當(dāng)于升溫速率)決定了煤粉氣流在加熱過程中揮發(fā)分的釋放量，同時(shí)也決定了是否達(dá)到了煤粉氣流的著火溫度.由于單顆粒煤粉著火時(shí)，煤粉釋放的揮發(fā)分熱量很少，無法形成像煤粉氣流著火過程的火焰鋒面，繼而向前傳導(dǎo)熱量，進(jìn)一步加熱煤粉，因此單顆粒著火的熱量基本來自于外在熱.研究表明，單顆粒煤粉的著火溫度通常比煤粉氣流的著火溫度大300 ℃左右[16]，因此以上分析中一次預(yù)熱溫度和二次預(yù)熱溫度的差別正好解釋了此問題.可見，已有文獻(xiàn)中得到的大量單顆粒煤粉著火溫度和非均相著火數(shù)據(jù)，可以在實(shí)際鍋爐煤粉氣流著火機(jī)理的研究中被采用，因?yàn)樵摐囟认喈?dāng)于煤粉氣流二次預(yù)熱區(qū)的出口 溫度.

(4) 以上理論簡(jiǎn)單認(rèn)為煤粉氣流經(jīng)過二次預(yù)熱后，達(dá)到單顆粒煤粉著火條件即實(shí)現(xiàn)了煤粉氣流的著火，將煤粉氣流的著火機(jī)理只作為煤粉氣流的“本身特征”進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)了煤粉氣流著火機(jī)理與氣體預(yù)混燃料著火機(jī)理的基本統(tǒng)一.該理論放棄了前人認(rèn)為的煤粉氣流著火與各種燃燒設(shè)備運(yùn)行工況和燃燒器等具體因素的復(fù)雜關(guān)聯(lián)性，將煤粉氣流著火機(jī)理簡(jiǎn)單化地類同于氣體預(yù)混燃料著火機(jī)理.顯然這種認(rèn)識(shí)還只是初步的嘗試，需要不斷深入探究.

2.2 煤粉氣流著火過程的理論模型

在以上理論分析基礎(chǔ)上，建立煤粉氣流預(yù)熱與反應(yīng)區(qū)的著火模型，并假設(shè)如下：

(1) 在進(jìn)行理論分析時(shí)，先避免分析實(shí)際復(fù)雜的煤粉加熱著火過程，認(rèn)為煤粉氣流著火燃燒前，首先在一次預(yù)熱區(qū)通過傳熱進(jìn)行升溫，并逐漸釋放出揮發(fā)分，為著火準(zhǔn)備充足的易燃物質(zhì)；然后進(jìn)入著火反應(yīng)區(qū)，火焰區(qū)與一般的氣體火焰有所類似，可分為二次預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)，在二次預(yù)熱區(qū)內(nèi)通過導(dǎo)熱達(dá)到最終的著火溫度.當(dāng)煤粉氣流達(dá)到一定溫度時(shí)在反應(yīng)區(qū)內(nèi)開始著火燃燒，煤粉氣流火焰特性主要由升溫速率以及當(dāng)?shù)氐囊厌尫艙]發(fā)分和可燃焦炭量等決定.

(2) 借鑒 Spalding 的氣體層流預(yù)混燃燒理 論[24]，假設(shè)在一次預(yù)熱區(qū)釋放的揮發(fā)分與空氣已經(jīng)充分混合，在火焰的二次預(yù)熱區(qū)幾乎不存在燃燒反應(yīng)，沒有熱量釋放，主要靠反應(yīng)區(qū)的熱量通過熱傳導(dǎo)，進(jìn)一步加熱煤粉氣流中的可燃(主要是已釋放的揮發(fā)分)混合物，而在反應(yīng)區(qū)發(fā)生快速的氣體反應(yīng)(也可能有少量焦炭氧化反應(yīng)發(fā)生，即發(fā)生非均相著火)，釋放出大量的熱量，使得煤粉氣流快速升溫，從而維持煤粉氣流的持續(xù)燃燒和焦炭燃盡.

(3) 煤粉氣流中的焦炭燃盡時(shí)間(空間量級(jí)～ 10 m；時(shí)間量級(jí)～1 s)較長(zhǎng)，雖然反應(yīng)區(qū)也比通常的氣體火焰長(zhǎng)得多，但是本文主要探討煤粉氣流的著火機(jī)理，對(duì)于焦炭燃盡過程不做分析，從而主要考慮著火區(qū)附近的燃燒反應(yīng).同時(shí)，為獲得主要的煤粉氣流著火特性，將過程分析進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮顆粒和氣流的溫差以及它們之間的傳熱問題.

(4) 煤粉氣流的熱平衡方程可以寫為

式中：ΔQa,p為煤粉顆粒和空氣流被加熱的總熱量，方程右側(cè)4 項(xiàng)分別為煤粉氣流由于對(duì)流、輻射、燃燒和外在(如電熱等)加熱獲得的熱量.由于與一次預(yù)熱區(qū)的加熱長(zhǎng)度(實(shí)際煤粉氣流著火前距噴口300～500 mm)相比，二次預(yù)熱區(qū)的火焰厚度很薄(1～10 mm)，因此假設(shè)一次預(yù)熱區(qū)加熱量主要來自對(duì)流和輻射，而二次預(yù)熱區(qū)的加熱量主要來自火焰本身反應(yīng)區(qū)的導(dǎo)熱.反應(yīng)區(qū)的熱量主要來自釋放的揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒放熱，同時(shí)考慮其對(duì)于二次預(yù)熱區(qū)的向前熱傳導(dǎo)熱量，但暫不考慮火焰反應(yīng)區(qū)的輻射換熱.從而將不同區(qū)域的加熱方式分別考慮，實(shí)現(xiàn)了熱量衡算的解耦.

3 層流預(yù)混煤粉氣流的著火分析

3.1 層流預(yù)混煤粉火焰

通常的氣體火焰是一個(gè)以亞音速、自維持傳播的局部燃燒區(qū)域[24].假定火焰是一維的而且未燃?xì)怏w以垂直于火焰面的方向流向火焰，這個(gè)流動(dòng)速度就是火焰?zhèn)鞑ニ俣萀S .在分析煤粉氣流的著火問題時(shí)，為了簡(jiǎn)化問題并探討著火的本質(zhì)特征，如前所述，本文將層流預(yù)混煤粉氣流的著火問題類比為氣體層流火焰.由于煤粉火焰著火段的快速反應(yīng)區(qū)同樣很薄，因此該區(qū)域的溫度梯度和組分濃度梯度仍然很大，從而可以將自由基組分通過熱擴(kuò)散，將熱量通過熱傳導(dǎo)，快速傳遞到預(yù)熱區(qū)，為火焰的持續(xù)發(fā)生提供物質(zhì)和能量源.

以下為煤粉氣流火焰的分區(qū)能量平衡方程：

3.1.1 一次預(yù)熱區(qū)

在進(jìn)行理論分析時(shí)并不去求解火焰微元控制體的組分和能量微分方程，而只是將控制體作為一個(gè)整體來考慮其物質(zhì)和能量平衡.在一次預(yù)熱區(qū)內(nèi)，將煤粉氣流的進(jìn)出口和擴(kuò)張邊界作為控制體的邊界(見圖4)，假設(shè)擴(kuò)張邊界不與煤粉氣流有物質(zhì)和能量的交換，可以得到簡(jiǎn)單的質(zhì)量和能量平衡方程(推導(dǎo)過程見附錄1).

一次預(yù)熱區(qū)內(nèi)煤粉隨著溫度的升高，逐漸釋放出揮發(fā)分，是煤粉著火的關(guān)鍵因素.將揮發(fā)分的釋放方程進(jìn)行積分，即可得到一次預(yù)熱區(qū)內(nèi)煤粉揮發(fā)分的釋放量(具體見附錄2).

3.1.2 著火反應(yīng)區(qū)

在二次預(yù)熱區(qū)內(nèi)，進(jìn)入控制體的物質(zhì)流與上面一次預(yù)熱區(qū)的相同.在能量平衡分析時(shí)，將煤粉分為已經(jīng)釋放的揮發(fā)分和殘余的焦炭，離開一次預(yù)熱區(qū)的能量即為進(jìn)入二次預(yù)熱區(qū)控制體的能量，該能量加上反應(yīng)區(qū)通過熱傳導(dǎo)進(jìn)入二次預(yù)熱區(qū)的能量，即為離開二次預(yù)熱區(qū)的能量.由于反應(yīng)區(qū)的熱傳導(dǎo)計(jì)算需要已知反應(yīng)區(qū)厚度等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算有一定困難，因此本文假設(shè)二次預(yù)熱區(qū)的煤粉氣流終溫為單顆粒煤粉的著火溫度Ti,p(作為已知值)，這樣可以給出二次預(yù)熱區(qū)的能量平衡方程：

式中：方程右側(cè)中方括號(hào)各項(xiàng)分別代表空氣、揮發(fā)分和焦炭的影響.一般在層流預(yù)混火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)，離開二次預(yù)熱區(qū)的溫度可以視為預(yù)混氣初溫和反應(yīng)后氣體溫度的平均值[24]，本文借鑒此假設(shè)來確定一次預(yù)熱區(qū)出口溫度(即上式中的Tu)和反應(yīng)區(qū)出口溫度(即bT)的關(guān)系，因此并不直接求解公式(4).

計(jì)算反應(yīng)區(qū)出口溫度時(shí)，將二次預(yù)熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)作為一個(gè)控制體考慮，反應(yīng)區(qū)釋熱量只考慮已經(jīng)析出揮發(fā)分的燃燒放熱量(此處針對(duì)下文方法驗(yàn)證中煙煤的計(jì)算，暫不考慮少量焦炭燃燒釋放的能量)，從而整個(gè)控制體的能量平衡方程為

式(5)與二次預(yù)熱區(qū)能量方程的差別在于右側(cè)第一項(xiàng)的溫度為著火反應(yīng)區(qū)出口溫度Tb.揮發(fā)分燃燒釋放熱量采用式(6)計(jì)算：

式中：Var為煤粉工業(yè)分析的揮發(fā)分質(zhì)量份額；FC,ar為煤粉工業(yè)分析的焦炭質(zhì)量份額；Qnet,ar為煤粉的低位發(fā)熱量；每kg 碳的熱值為32 800 kJ.

3.2 層流預(yù)混煤粉火焰的計(jì)算

具體計(jì)算過程如下：

(1) 在計(jì)算時(shí)，假設(shè)煤粉火焰二次預(yù)熱區(qū)的出口溫度等于煤粉單顆粒的著火溫度，因此可以采用文獻(xiàn)中不同煤種大量單顆粒測(cè)量的著火溫度作為“真正”的煤粉氣流著火溫度.在計(jì)算揮發(fā)分釋放量時(shí)，將煤粒的終溫作為已知值，認(rèn)為是一次預(yù)熱區(qū)出口溫度(先采用預(yù)估值)，預(yù)熱區(qū)的加熱時(shí)間先根據(jù)煤粉氣流的速度進(jìn)行預(yù)估.

(2) 將經(jīng)過一次預(yù)熱區(qū)后揮發(fā)分的釋放量確定好后，即可計(jì)算揮發(fā)分燃燒的熱量，先假設(shè)已經(jīng)釋放揮發(fā)分發(fā)生快速燃燒，形成類似于氣體燃料的層流預(yù)混火焰，按照其放熱量得到火焰反應(yīng)區(qū)出口的溫度預(yù)估值.然后借鑒Spalding 的氣體層流預(yù)混火焰，假設(shè)二次預(yù)熱區(qū)出口的溫度(即單顆粒煤粉的著火溫度Ti,p)等于火焰反應(yīng)區(qū)出口和二次預(yù)熱區(qū)進(jìn)口溫度的平均值，這樣就可以計(jì)算得到二次預(yù)熱區(qū)進(jìn)口溫度，也就是一次預(yù)熱區(qū)出口溫度.

(3) 采用新的預(yù)熱區(qū)出口溫度，重新計(jì)算揮發(fā)分釋放量，不斷迭代，直到計(jì)算的一次預(yù)熱溫度、煤粉氣流加熱時(shí)間等與預(yù)估值一致，即可得到符合著火條件的工況參數(shù)(包括煤粉濃度、不同區(qū)域溫度等)，從而可以預(yù)測(cè)出最佳煤粉濃度等.

3.3 層流預(yù)混煤粉火焰計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

在具體應(yīng)用以上理論分析方法時(shí)，本文選擇了Csaba 測(cè)量層流煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置作為研究對(duì)象[1,19]，建立能量與熱量平衡方程，研究煤粉氣流著火機(jī)理及最佳煤粉濃度.Csaba 采用的燃燒室上部是一個(gè)高0.84 m、半角3°、進(jìn)口直徑0.05 m 的隔熱圓錐體，下部是一個(gè)相連的耐火磚砌成的燃燒室.實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)煤粉氣流速度和濃度，使得火焰前沿保持在距圓錐體進(jìn)口0.6 m 處，在此位置，布置有火焰觀察孔，對(duì)應(yīng)的直徑為0.1 m.在此位置之上，布置有4 個(gè)測(cè)量壁面溫度的熱電偶，在此之下，布置有7 個(gè)火焰溫度測(cè)點(diǎn).火焰?zhèn)鞑ニ俣葥Q算為直徑0.1 m 處(即距圓錐體進(jìn)口0.6 m 高度處位置)時(shí)煤粉氣流所對(duì)應(yīng)的速度.實(shí)驗(yàn)用煤的收到基揮發(fā)分33%、水分3%、灰分13%，理論空氣量為6.9 m3/kg，低位熱值為6 300×4.186 8 kJ/kg，按比表面積平均的粒徑為56μm.

Csaba 的實(shí)驗(yàn)裝置不存在熱氣流的回流區(qū)，因此煤粉著火前的主要加熱源為火焰區(qū)的輻射熱，實(shí)際燃燒過程的煤粉氣流加熱方式當(dāng)然也可以來源于熱對(duì)流和熱氣流的混合等，但本文暫不涉及其計(jì)算.將該輻射熱假設(shè)為煤粉氣流直接吸收的火焰輻射熱加上穿過煤粉氣流到達(dá)隔熱圓錐體后發(fā)射進(jìn)入煤粉氣流的輻射熱，與Csaba[1,19]采用的輻射計(jì)算方法有所不同.從火焰進(jìn)入煤粉一次預(yù)熱區(qū)的輻射熱表達(dá)為

式中：εf為火焰黑度，取為0.9；εb為隔熱圓錐體的壁面黑度，取為0.8；k 為煤粉的輻射吸收減弱系數(shù)，用式(9)計(jì)算[31]：

式中：GP為煤粉顆粒的質(zhì)量濃度，kg/m3；dP為顆粒直徑；ρP為顆粒密度.

煤粉氣流著火前的區(qū)域(從燃燒室頂部到0.6 m處)圍成了一個(gè)圓臺(tái)(上下圓面直徑為 0.05 m 和0.1 m)，可以計(jì)算得到其整個(gè)包壁輻射的平均射線行程(L＝3.6 V/S)僅為0.006 95 m.

計(jì)算時(shí)預(yù)熱區(qū)和火焰區(qū)需要相互迭代計(jì)算，通過火焰區(qū)熱平衡方程(5)預(yù)測(cè)得到進(jìn)口溫度(Tu)，針對(duì)一次預(yù)熱區(qū)，即可通過公式(2)算得煤粉氣流的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?uu).

圖5 給出了煤粉燃燒的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣壤碚撚?jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，兩者的基本趨勢(shì)基本一致，特別是對(duì)于高煤粉濃度的工況.在較低煤粉濃度時(shí)雖然火焰?zhèn)鞑ニ俣扔休^大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是數(shù)據(jù)也存在較大的波動(dòng)性.可以看出，在煤粉質(zhì)量濃度為0.32 kg(煤)/kg(空氣)(這時(shí)對(duì)應(yīng)燃燒室進(jìn)口單位體積的煤粉質(zhì)量濃度為0.4 kg/m3)時(shí)，計(jì)算得到的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?1.02 m/s).

圖5 煤粉燃燒的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.5 Laminar flame velocity of pulverized coal combustion

圖6 給出了煤粉火焰的溫度實(shí)驗(yàn)值(圖中表示為黑色圓點(diǎn))以及理論預(yù)測(cè)得到的著火反應(yīng)區(qū)溫度，其中Tu為一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流出口溫度，Tb為反應(yīng)區(qū)氣流出口溫度.隨著煤粉濃度的提高，預(yù)熱區(qū)的煤粉氣流溫度有所減小，但最大減小幅度不超過100 K；同樣，揮發(fā)分燃燒后，反應(yīng)區(qū)的出口溫度有所上升，但最大上升幅度也不超過100 K.實(shí)驗(yàn)結(jié)果(參見圖6)表明，火焰在煤粉質(zhì)量濃度為0.48 kg(煤)/kg(空氣)(對(duì)應(yīng)燃燒室進(jìn)口的煤粉質(zhì)量濃度為0.6 kg/m3)時(shí)，火焰溫度達(dá)到最大值(1 785 K).從圖5 的計(jì)算結(jié)果看，這時(shí)火焰的傳播速度(0.99 m/s)也接近于最大.可以看出，煤粉氣流的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰溫度有很好的相關(guān)性，最大的火焰速度基本對(duì)應(yīng)著最高的火焰溫度.

4 實(shí)際煤粉氣流的著火分析

4.1 已有分析

國內(nèi)外已有不少研究結(jié)果關(guān)于煤粉氣流著火的最佳煤粉濃度研究.一般認(rèn)為，一次風(fēng)中的氧是煤中揮發(fā)分著火和燃燒所需要的，根據(jù)此假設(shè)，作者推導(dǎo)出煤粉氣流的最佳煤粉濃度與煤的揮發(fā)分含量和揮發(fā)分熱值的乘積呈反比[22]：

式(10)反映了最佳煤粉濃度與揮發(fā)分燃燒釋放的熱量有著密切的關(guān)系.王學(xué)斌等[23]總結(jié)了西安交大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明最佳煤粉濃度隨著煤質(zhì)發(fā)熱量與揮發(fā)分乘積的增大而降低，并擬合出一經(jīng)驗(yàn)公式，與式(10)結(jié)果定性上是一致的.

表1 給出了根據(jù)公式(10)計(jì)算得到的最佳煤粉濃度，并與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[18]進(jìn)行了對(duì)照(一次風(fēng)溫分別為20 ℃和300 ℃).可以看出理論公式(10)僅考慮了煤粉氣流中揮發(fā)分的著火需求，得到的最佳煤粉濃度隨煤的揮發(fā)分減少而增加，其基本趨勢(shì)是正確的.但是對(duì)于高揮發(fā)分煙煤，理論值比實(shí)驗(yàn)值??；對(duì)于低揮發(fā)分無煙煤，理論值又明顯偏大.可見，采用煤粉氣流中的氧氣主要用于煤粉揮發(fā)分燃燒需求的假設(shè)，得到的最佳煤粉濃度與實(shí)際燃燒過程是不完全相符的.

表1 最佳煤粉濃度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值(kg(煤)/kg(空氣))Tab.1 Calculated and experimental data of optimal pulverized coal concentrations

這是由于現(xiàn)有的理論在解釋最佳煤粉濃度的存在機(jī)理時(shí)，僅考慮了全部揮發(fā)分用于煤著火熱的假設(shè)，沒有考慮對(duì)于高揮發(fā)分煤，可能僅需要部分揮發(fā)分燃燒即可實(shí)現(xiàn)煤粉氣流穩(wěn)定著火.另一方面，在實(shí)際煤粉燃燒的高加熱速率(104～105K/s)過程中，煤粉著火的機(jī)理往往是兩者結(jié)合的聯(lián)合著火模式[16]，因此在分析低揮發(fā)分煤的著火問題時(shí)，除考慮揮發(fā)分的均相著火外，還需要考慮焦炭的非均相著火.

4.2 實(shí)際煤粉氣流著火的最佳煤粉濃度

閻維平等[21]采用煤粉氣流著火熱量供需平衡的原理，對(duì)存在最佳煤粉濃度的機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為煤粉氣流著火所需熱量與著火區(qū)供熱量相等、火焰溫度水平最高時(shí)對(duì)應(yīng)的煤粉濃度為最佳濃度，同時(shí)認(rèn)為空氣所提供的氧氣需要足夠滿足揮發(fā)分著火及焦炭初期燃燒的需要.

盛昌棟等[32]在管式爐上研究了煤粉氣流著火方式與煤粉濃度的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)煤粉濃度由高向低變化時(shí)，煤粉氣流的著火方式由均相著火向多相著火過渡，少量焦炭也參與著火燃燒；煤的揮發(fā)分含量越高，發(fā)生著火機(jī)理過渡的煤粉濃度越大.可見煤粉濃度變化時(shí)會(huì)影響焦炭的燃燒份額，從而影響煤粉氣流的著火機(jī)制.

這里將前文的理論推廣至實(shí)際煤粉氣流的著火火焰，仍然假設(shè)煤粉氣流著火存在一次預(yù)熱區(qū)和火焰區(qū)，其中二次預(yù)熱區(qū)出口的溫度(即單顆粒煤粉的著火溫度Ti,p)等于火焰反應(yīng)區(qū)出口和二次預(yù)熱區(qū)進(jìn)口溫度的平均值.當(dāng)煤種確定后，著火溫度Ti,p即為確定值，從而可以認(rèn)為煤粉著火難易主要由揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒放熱量決定.

根據(jù)以上理論計(jì)算和文獻(xiàn)中的研究，對(duì)于煙煤煤粉，本文假設(shè)煤粉氣流著火時(shí)大約40%的揮發(fā)分和約1%的焦炭已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)，可以作為著火的判斷條件；對(duì)于低揮發(fā)分煤，由于著火溫度更高，假設(shè)大部分釋放的揮發(fā)分和大約5%的焦炭發(fā)生氧化.以下計(jì)算根據(jù)不同煤種設(shè)定了不同的揮發(fā)分和焦炭燃燒份額.

若煤粉氣流中每千克空氣的煤粉質(zhì)量濃度為μ，假設(shè)煤粉氣流中空氣剛好滿足煤粉已釋放揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒所需，則有

式中：揮發(fā)分燃燒所需的理論空氣量V0,v采用可燃基的煤粉理論空氣量進(jìn)行估算；εch為著火燃燒的少量焦炭質(zhì)量份額；V0,ch為煤粉中固定碳燃燒所需的理論空氣量，按純碳計(jì)算：

這樣最佳煤粉濃度即為

對(duì)于高揮發(fā)分煤，可以忽略焦炭燃燒對(duì)于著火的影響，顯然最佳煤粉濃度與揮發(fā)分燃燒所需的理論空氣量呈反比.由于燃料的發(fā)熱量大體與理論空氣量成正比(處于3.63～3.95 MJ/m3范圍)[30]，這時(shí)式(13)仍反映了最佳煤粉濃度與揮發(fā)分燃燒釋放熱量呈反比，只是對(duì)應(yīng)的不是全部揮發(fā)分.而對(duì)于低揮發(fā)分煤，少量焦炭著火提供的熱量就與揮發(fā)分相當(dāng)了，這時(shí)著火熱量將來自于幾乎全部的揮發(fā)分和5%左右的焦炭燃燒熱.

圖7 給出采用式(13)預(yù)測(cè)的最佳煤粉濃度值，并與國內(nèi)外文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較.可以看出大多數(shù)的數(shù)據(jù)誤差在15%以內(nèi)，少數(shù)在30%以內(nèi)，該方法比較廣泛地適用于不同的煤種，基本是可靠的.

圖7 最佳煤粉濃度預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.7 Comparison of calculated and experimental data of optimal pulverized coal concentrations

4.3 煤粉濃度變化的影響和著火熱

(1) 最小煤粉濃度

由于一次風(fēng)中的空氣量一般不會(huì)大于煤粉燃燒當(dāng)量比下的空氣量(因?yàn)檫€需要有二次風(fēng)、三次風(fēng)等)，因此當(dāng)煤粉氣流中每千克空氣的煤粉質(zhì)量濃度為μ時(shí)，可以假設(shè)煤粉氣流中空氣剛好滿足全部煤粉的燃燒所需(因?yàn)檫@時(shí)剛好符合煤粉-空氣的當(dāng)量比條件)，則有

其中燃燒所需的理論空氣量為V0,ar，從而可以定義煤粉氣流著火的最小煤粉濃度為

(2) 著火供給熱

一般煤粉氣流著火熱量被定義為將1 kg 空氣和μkg 煤粉加熱到著火溫度所需吸收的熱量[21]，采用該方法得到的著火熱將隨煤粉濃度μ線性增加，因此需要精確計(jì)算供給熱量然后才能獲得最佳煤粉濃度，這對(duì)于實(shí)際鍋爐燃燒過程是比較困難的.

考慮到煤粉氣流的內(nèi)在著火供給熱主要來源于火焰反應(yīng)區(qū)，本文提出將煤粉氣流的著火熱重新定義為特定煤種單位質(zhì)量煤粉氣流可以供給的內(nèi)在著火燃燒熱，即

式(16)右側(cè)括號(hào)中兩項(xiàng)分別為煤粉氣流著火時(shí)揮發(fā)分和少量焦炭燃燒所提供的著火熱(其中右側(cè)分母中除以2 代表只有一半燃燒熱供給了煤粉氣流的預(yù)熱熱量).可以看出，當(dāng)煤粉濃度μ 增加時(shí)，μ/(1＋μ)雖然也有所增加，但是不會(huì)線性增加.式(16)分母中若考慮了煤粉氣流的比熱，顯然該式表示的含義即為著火燃燒熱釋放后所能夠提供的煤粉氣流升溫程度(即火焰區(qū)進(jìn)出口溫差)，顯然該值越大，則煤粉氣流越容易著火，因?yàn)檫@時(shí)煤粉氣流的燃燒溫度將處于更高水平，從而對(duì)應(yīng)最佳煤粉濃度.所以，當(dāng)煤種確定后，上述內(nèi)在著火供給熱是判斷煤粉氣流著火狀況的核心因素.

(3) 著火供給熱參量

在分析最佳煤粉濃度的存在原因時(shí)，為了比較不同煤粉濃度下的著火供給熱大小，理想化地認(rèn)為煤粉氣流的揮發(fā)分析出量(vm)和焦炭著火燃燒質(zhì)量份額(εch)均為定值(假設(shè)其都對(duì)應(yīng)最佳煤粉濃度時(shí)的值)，從而煤粉濃度變化對(duì)于著火的影響特性就可以簡(jiǎn)單地由式(17)決定

這時(shí)著火供給熱參量達(dá)到最大.在最佳煤粉濃度下著火時(shí)，由于空氣已經(jīng)被揮發(fā)分和少量焦炭的著火燃燒完全耗盡，再繼續(xù)增加煤粉濃度，將不會(huì)提供更多的燃燒熱，因此當(dāng)煤粉濃度大于μopt時(shí)，式(17)就成為

由于這時(shí)分子μopt不變，顯然隨著煤粉濃度的增加，將不斷下降，從而使得在最佳煤粉濃度下處于最大值.

(4) 最大煤粉濃度

為了討論煤粉濃度變化對(duì)于著火機(jī)制的影響，采用以下方法估計(jì)煤粉氣流的最大煤粉濃度，從而確定煤粉濃度潛在的最大變化范圍.

最小煤粉濃度由式(15)確定后，可以假設(shè)存在一個(gè)最大煤粉濃度，這時(shí)煤粉氣流的著火供給熱參量與最小煤粉濃度下的值相等，這是因?yàn)槊悍蹪舛却笥谧罴褲舛群笤倮^續(xù)增加煤粉濃度，著火供給熱將不斷減少，在最大煤粉濃度時(shí)，與最小煤粉濃度時(shí)相比，兩者均對(duì)應(yīng)相同的最低著火熱，因此最大煤粉濃度將滿足：

因此最大煤粉濃度可以采用式(21)確定：

(5) 算例

針對(duì)Csaba 實(shí)驗(yàn)所用煙煤，根據(jù)式(15)和式(21)可以計(jì)算得到最小、最大煤粉濃度為0.112 kg(煤)/ kg(空氣)和4.20 kg(煤)/kg(空氣).圖8 給出了著火供給熱參量隨煤粉濃度的變化規(guī)律，可以看出該曲線描述了最佳煤粉濃度的存在原因.在實(shí)際煤粉火焰中，鍋爐還要送二次風(fēng)和三次風(fēng)，即實(shí)際一次風(fēng)氣流的最小煤粉濃度要比理論值大得多；另外，考慮到煤粉氣流的輸送，一般最大的煤粉濃度最多為3～5 kg(煤)/kg(空氣)，因此圖中的最小、最大煤粉濃度數(shù)據(jù)只是理論上的，實(shí)際的煤粉濃度變化范圍比圖中要窄些.

值得注意的是，雖然圖8 在理論上解釋了煤粉氣流存在最佳煤粉濃度的原因，但是在針對(duì)Csaba 實(shí)驗(yàn)所用煙煤的著火燃燒研究中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤粉濃度為μopt時(shí)，揮發(fā)分釋放率約40%；但當(dāng)煤粉濃度為μmin時(shí)，揮發(fā)分實(shí)際釋放率將增加至90%以上；而當(dāng)煤粉濃度為μmax時(shí)，揮發(fā)分釋放率將小于10%.可見，在實(shí)際的煤粉氣流著火中，當(dāng)煤粉濃度降低時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火，煤粉氣流將“自適應(yīng)”地使得煤粉預(yù)熱的時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，并使對(duì)應(yīng)的一次預(yù)熱區(qū)出口溫度上升，從而煤粉釋放揮發(fā)分的份額將增加；直到對(duì)應(yīng)最小煤粉濃度(μmin)時(shí)，煤粉氣流中幾乎所有的揮發(fā)分均釋放出來用于煤粉著火，這時(shí)煤粉氣流的著火將被推遲.當(dāng)煤粉濃度增加時(shí)，將出現(xiàn)相反的情況，揮發(fā)分釋放份額將不斷減小.有趣的是，對(duì)于確定的煤種，雖然這時(shí)煤粉濃度發(fā)生大幅變化，但是μ/ (1 +μ)值幾乎保持為一個(gè)常量，這也間接說明對(duì)于確定的煤種，其著火供給熱參量()是不變的，從而對(duì)于濃淡煤粉燃燒器設(shè)計(jì)帶來方便.當(dāng)然，著火供給熱參量對(duì)于不同煤種，特別是低揮發(fā)分煤，由于這時(shí)少量焦炭著火燃燒增加的著火熱變得重要，其適用性還需要深入分析.

圖8 煤粉氣流著火供給熱參量隨煤粉濃度的變化特性Fig.8 Various heat supply parameters of pulverized coal flow ignition with pulverized coal concentrations

5 結(jié)論

本文借鑒氣體層流預(yù)混燃燒的分區(qū)著火機(jī)理，從層流煤粉燃燒火焰分析入手，將煤粉氣流著火過程分為一次、二次預(yù)熱區(qū)和著火反應(yīng)區(qū)，對(duì)于不同區(qū)域的熱量衡算進(jìn)行了解耦計(jì)算.煤粉氣流在一次預(yù)熱區(qū)主要受到來自爐內(nèi)的對(duì)流和輻射(外在著火供給熱)，二次預(yù)熱區(qū)主要接受后面著火反應(yīng)區(qū)的導(dǎo)熱(內(nèi)在著火供給熱)，反應(yīng)區(qū)的熱量主要來自于已經(jīng)釋放揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒熱.本文認(rèn)為二次預(yù)熱區(qū)的出口溫度為煤粉氣流的真實(shí)著火溫度，其接近于煤粉單顆粒的著火溫度(該溫度根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)很容易確定)；并提出將煤粉氣流單位質(zhì)量獲得的著火反應(yīng)熱作為核心參數(shù)分析不同煤粉濃度時(shí)的著火特性，從而闡明了煤粉氣流分區(qū)著火機(jī)理，獲得了不同濃度影響煤粉氣流著火的基本特性，并比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出最佳煤粉濃度.最后，提出描述煤粉濃度變化時(shí)的著火供給熱參量概念，將煤粉濃度影響著火特性的規(guī)律表達(dá)為

這對(duì)于實(shí)際高濃度煤粉燃燒器的設(shè)計(jì)，帶來較大的方便.

致 謝

作者感謝德國RECOM 公司韓曉海博士提供了300 MW 鍋爐燃燒的數(shù)值模擬結(jié)果.感謝研究生張樂宇、黃俊欽和孫岑等在模擬結(jié)果分析和制圖、排版和修訂等方面的協(xié)助，以及與徐通模教授和李森研究員的有益討論.

符號(hào)表：

Ab—反應(yīng)區(qū)氣流出口面積，m2；

A0—一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流進(jìn)口面積，m2；

Ai—二次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流出口面積，m2；

Au—一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流出口面積，m2；

Av—揮發(fā)分釋放時(shí)阿累尼烏斯反應(yīng)速率常數(shù)中的頻率因子，s-1；

cp,a—煤粉氣流中空氣定壓比熱，kJ/(kg·K)；

cp,c—煤粉氣流中煤粉定壓比熱，kJ/(kg·K)；

cp,g—揮發(fā)分燃燒后熱煙氣定壓比熱，kJ/(kg·K)；

dp—顆粒直徑，m；

Ev—揮發(fā)分釋放的活化能，kJ/kmol；

FC,ar—煤粉工業(yè)分析的收到基焦炭質(zhì)量份額；

Gp—煤粉顆粒單位體積的質(zhì)量濃度，kg/m3；

k—煤粉的輻射吸收減弱系數(shù)；

L—煤粉氣流吸收輻射的平均射線行程，m；

mv—煤粉揮發(fā)分釋放的質(zhì)量份額；

qign—單位質(zhì)量煤粉氣流可以供給的著火燃燒熱，kJ/kg；

Q—實(shí)際快速加熱條件下煤粉揮發(fā)分釋放量與工業(yè)分析揮發(fā)分量間的質(zhì)量關(guān)系常數(shù)；

Qcom—煤粉氣流中揮發(fā)分和少量焦炭的燃燒放熱量，kJ/kg；

Qcon—進(jìn)入煤粉氣流的對(duì)流加熱量，kJ/kg；

Qex—進(jìn)入煤粉氣流的其它外在加熱量，kJ/kg；

Qnet,ar—煤粉的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；

Qrad—進(jìn)入煤粉氣流的輻射加熱量，kJ/kg；

Qv—揮發(fā)分發(fā)熱量，kJ/kg；

R—通用氣體常數(shù)，8.314 kJ/(kmol·K)；

t—從過程開始的時(shí)間，s；

T—絕對(duì)溫度，K；

Tb—反應(yīng)區(qū)氣流出口溫度，K；

T0—一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流進(jìn)口溫度，K；

Ti,p—單顆粒煤粉的著火溫度，K；

Tu—一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流出口溫度，K；

ub—反應(yīng)區(qū)氣流出口速度，m/s；

u0—一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流進(jìn)口速度，m/s；

ui—二次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流出口速度，m/s；

uu—一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流出口速度，m/s；

V—在時(shí)間t 內(nèi)煤粉顆粒失重釋放出的揮發(fā)分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(占煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，%；

V∞—揮發(fā)分在實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)可以釋放揮發(fā)分的最大質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；

Var—煤粉工業(yè)分析的收到基揮發(fā)分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；

Vc—在實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)，由工業(yè)分析得出的焦炭仍能釋放(殘留在焦炭中)的揮發(fā)分質(zhì)量份額；

Vp—工業(yè)分析的煤釋放揮發(fā)分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；

V0,ar—煤粉燃燒所需的理論空氣量，kg/kg；

V0,ch—煤粉中固定碳燃燒所需的理論空氣量，kg/kg；

V0,v—揮發(fā)分燃燒所需的理論空氣量，kg/kg；

εb—隔熱圓錐體的壁面黑度，文中取0.8；

εf—火焰黑度，文中取0.9；

εch—參與煤粉氣流著火燃燒的少量焦炭質(zhì)量份額；

μ—煤粉氣流中每千克空氣中煤粉的質(zhì)量濃度，kg(煤)/kg(空氣)；

μopt—最佳煤粉濃度，kg(煤)/kg(空氣)；

ρb—反應(yīng)區(qū)出口熱氣流的密度，kg/m3；

ρ0—一次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流中空氣的進(jìn)口密度，kg/m3；

ρp—顆粒密度，kg/m3；

ρu—二次預(yù)熱區(qū)煤粉氣流中氣體的出口密度，kg/m3；

σ—黑體輻射常數(shù)(斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù))，5.67×10 W/(m2·K4).

附錄A 煤粉氣流一次預(yù)熱區(qū)的質(zhì)量平衡與 能量平衡計(jì)算

文中圖4 給出煤粉氣流著火過程的分區(qū)模型.對(duì)于質(zhì)量平衡，進(jìn)入控制體的質(zhì)量流率為

式中：u0為煤粉質(zhì)量濃度，表示煤粉氣流中單位質(zhì)量空氣所攜帶的煤粉質(zhì)量；A0為煤粉氣流進(jìn)口面積.

離開一次預(yù)熱區(qū)控制體的質(zhì)量流率為

式中：Au為煤粉氣流出口面積.雖然這時(shí)揮發(fā)分釋放會(huì)造成氣體質(zhì)量份額增加和顆粒物質(zhì)量份額減少，但是為了能量方程的計(jì)算簡(jiǎn)便，仍然認(rèn)為離開控制體時(shí)煤粉氣流中的煤粉質(zhì)量濃度為μ0.

對(duì)于能量平衡，考慮到進(jìn)出口溫度和氣流比熱的變化，進(jìn)入控制體的能量流：

式中：ca,p和cp,c分別為空氣和煤粉的比熱，計(jì)算時(shí)空氣比熱隨溫度升高，而煤粉比熱可作為已釋放揮發(fā)分和焦炭的混合物比熱，也隨溫度有所增加.

離開一次預(yù)熱區(qū)控制體的能量流：

這樣可以給出以下能量平衡方程

正文中能量平衡方程(2)左側(cè)只給出輻射加熱項(xiàng)表達(dá)式，沒有考慮對(duì)流加熱項(xiàng).

附錄B 煤粉氣流預(yù)熱區(qū)內(nèi)揮發(fā)分的釋放計(jì)算

將預(yù)熱區(qū)內(nèi)煤粉的熱解考慮為一步簡(jiǎn)單反應(yīng)[2]，揮發(fā)分的釋放方程為

式中：V 為在熱解時(shí)間t 內(nèi)煤粉顆粒因失重釋放出的揮發(fā)分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(占煤粉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))；T 為煤粉顆粒的終溫；V∞為煤中揮發(fā)分在反應(yīng)器內(nèi)快速升溫時(shí)可以釋放出的最大揮發(fā)分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，用式(B2)表示[1-2]

式中：Vp為工業(yè)分析的煤釋放揮發(fā)分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，考慮到在實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)由工業(yè)分析得出的揮發(fā)分無法全部釋放，有一小部分仍將殘留在焦炭中；Vc為這部分焦炭仍能釋放的揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(占揮發(fā)分的質(zhì)量)，對(duì)于非膨脹性煤Vc可取為0.15[1-2]；考慮到在實(shí)際反應(yīng)器的快速加熱條件下，Q 為煤粉揮發(fā)分釋放量與工業(yè)分析揮發(fā)分量的質(zhì)量比關(guān)系，對(duì)于一般的煙煤，Q 取值為1.26～1.44[1]，而對(duì)于無煙煤或貧煤，此值要小一些.

將揮發(fā)分的釋放方程進(jìn)行積分，即可得到一次預(yù)熱區(qū)內(nèi)煤粉揮發(fā)分的釋放量：

其中揮發(fā)分釋放速率為