0前言
當(dāng)今社會(huì)能源消耗與日俱增，在大量燃燒化石燃料獲取能源的同時(shí)環(huán)境污染也逐漸加劇。生物質(zhì)燃料發(fā)電是一種新興技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)焚燒帶來的環(huán)境問題，是火電發(fā)展的一個(gè)新的方向。同傳統(tǒng)燃料相比生物質(zhì)燃料有許多特性：(1)生物質(zhì)燃料含碳少、含氫稍多、含氧多、含氮低；(2)生物質(zhì)顆粒度、密度和表面度影響燃燒特性；(3)生物質(zhì)燃料中富含堿金屬和氯，煙氣達(dá)到一定的溫度后在鍋爐受熱面易發(fā)生高溫腐蝕；(4)生物質(zhì)燃料燃燒可以產(chǎn)生大量氣體及氣溶膠組分，產(chǎn)生的氣體主要包括C02、CO、CH4、NMHC、NOX、N20、CH3 Cl、CH3 Br和大量的揮發(fā)性有機(jī)物，燃燒產(chǎn)生的灰塵中含有無機(jī)鹽、礦物質(zhì)、未燃燒完全的碳等。因此對(duì)生物質(zhì)燃燒過程進(jìn)行單獨(dú)分析很有必要。傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒檢測(cè)一般只是簡(jiǎn)單地采用熱電偶測(cè)溫，這種接觸式測(cè)溫法測(cè)取的溫度并不準(zhǔn)確，而且無法獲得其它燃燒信息；本文采用基于雙色法的光譜法檢測(cè)生物質(zhì)燃燒火焰，作為一種非接觸的測(cè)溫方法，受外界干擾小，便于現(xiàn)場(chǎng)操作，同時(shí)分析生物質(zhì)燃燒的火焰光譜，可以得到大量與燃燒相關(guān)的信息，這對(duì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。
1 實(shí)驗(yàn)儀器及檢測(cè)方法
1.1實(shí)驗(yàn)儀器
實(shí)驗(yàn)儀器采用的是AvaSpec-2048-USB2型光譜儀，光譜儀的探測(cè)器是2048像素的CCD陣列，可測(cè)波長(zhǎng)范圍為200nm～1100nm，它有兩種測(cè)量模式，分別為S模式和I模式，S模式測(cè)量的是對(duì)象的相對(duì)輻射強(qiáng)度，I模式測(cè)量的是經(jīng)過鹵素?zé)魳?biāo)定后的輻射強(qiáng)度，為絕對(duì)輻射強(qiáng)度，單位為μ W/cm
2／nm。該型光譜儀在500nm-1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)響應(yīng)度較高，因此火焰溫度和黑度計(jì)算時(shí)采用500nm-1000nm的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。
1.2雙色法檢測(cè)原理
從表1中可以看出，雙色法檢測(cè)的黑體爐溫度最大相對(duì)誤差不超過1. 86%，檢測(cè)的黑度最大相對(duì)誤差不超過6%， 說明這種檢測(cè)方法可靠性很強(qiáng)。
2 檢測(cè)對(duì)象及結(jié)果分析
2.1檢測(cè)對(duì)象
實(shí)驗(yàn)在湖北省“監(jiān)利凱迪綠色能源有限公司”的生物質(zhì)熱電廠進(jìn)行，電廠安裝有兩臺(tái)65t／h次生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐燃用燃燒農(nóng)林業(yè)剩余物質(zhì)，如稻殼、秸稈等，為保證鍋爐具有良好的適用性，稻殼和秸稈按平均成份設(shè)計(jì)使用。稻殼和秸稈的低位發(fā)熱量分別為：3100 Kcal／kg，3000 Kcal／kg;揮發(fā)份分別為79%，61. 48%;灰份分別為：16. 92%，3.9%；水份分別為：6%，19. 29%。鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)估計(jì)此時(shí)爐內(nèi)溫度可達(dá)1250℃。鍋爐安裝有溫度測(cè)點(diǎn)，安裝在中下部的密相區(qū)，共有三層熱電偶，每層四支，安裝于爐內(nèi)1 2公分左右。實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，熱電偶測(cè)得溫度為1 0 0 0℃左右。檢測(cè)位置位于鍋爐進(jìn)料口附近，如圖1所示。
2.2光譜分析
實(shí)驗(yàn)共采集了五組火焰光譜數(shù)據(jù)，相對(duì)輻射強(qiáng)度如圖2所示。從圖2中可以看出，連續(xù)光譜中共有兩個(gè)發(fā)射峰和一個(gè)吸收峰，兩個(gè)發(fā)射波峰分別在589. 139nm，769. 886nm處，吸收峰在940nm處。查相關(guān)資料得知：590nm附近是鈉產(chǎn)生的發(fā)射光譜，770nm附近是鉀產(chǎn)生的發(fā)射光譜，940nm處是水蒸汽的吸收光譜，300～700nm波長(zhǎng)范圍的連續(xù)光譜主要由CN，C2，CH和NH基發(fā)出。
由于生物質(zhì)燃料中富含鈉和鉀，而且這兩種堿金屬元素的焰色反應(yīng)非常突出，所以只要火焰中存在有微量的鈉和鉀，就可以產(chǎn)生很明顯的發(fā)射譜線，資料表明：濃度的高低不是譜線產(chǎn)生與否最重要的條件，在7 5 0℃以上時(shí)，在氯存在的條件下，堿金屬K除了部分以氧化物的形式滯留在固相中，大部分會(huì)以氣態(tài)的形式析出。根據(jù)不同的物理化學(xué)條件，可能的析出物為KCI，K2S04等，而且環(huán)境溫度越高，堿金屬鹽的蒸汽壓就越高，進(jìn)入氣相的堿金屬物質(zhì)就越多。過高的燃燒溫度將會(huì)強(qiáng)化堿金屬鹽進(jìn)入氣相的過程，從而增大后續(xù)受熱面高溫腐蝕的幾率。因此，準(zhǔn)確測(cè)量燃燒區(qū)域的溫度對(duì)于預(yù)防高溫腐蝕至關(guān)重要。資料表明：當(dāng)溫度低于8 7 0℃～880 0C時(shí)，Na的發(fā)射譜線消失，溫度低于8 0 0℃～820 0C時(shí)K的發(fā)射譜線消失，可以初步判斷燃燒火焰的溫度高于8 7 0℃。940nm處水蒸汽的吸收譜線也與燃燒區(qū)域的溫度密切相關(guān)，如果燃燒溫度較低，火焰的部分輻射能會(huì)被低溫水蒸汽吸收；如果溫度較高，水蒸汽的激發(fā)作用會(huì)比較明顯，會(huì)出現(xiàn)發(fā)射波峰。圖2中940nm處出現(xiàn)了明顯的吸收光譜，說明燃燒區(qū)域溫度沒有達(dá)到出現(xiàn)水蒸汽發(fā)射波峰溫度。
2.3雙色法溫度和黑度檢測(cè)結(jié)果
通過分析雙色法計(jì)算的溫度分布和黑度分布，發(fā)現(xiàn)在620nm～760nm．780nm～980nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)火焰符合灰性。圖4和圖5分別給出了第1組數(shù)據(jù)在波長(zhǎng)范圍620nm～760nm火焰黑度分布、原始輻射強(qiáng)度分布和反算輻射強(qiáng)度分布。圖6和圖7分別給出了第1組在波長(zhǎng)范圍780nm～980nm內(nèi)火焰黑度分布、原始輻射強(qiáng)度分布和反算輻射強(qiáng)度分布。其中反算輻射強(qiáng)度是該波長(zhǎng)下的單色輻射強(qiáng)度與Id該波長(zhǎng)在計(jì)算溫度T下的黑體單色輻射強(qiáng)度Ib的比值，T是溫度分布的平均值。從圖4和圖5中可以看出，在620nm～760nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)黑度的波動(dòng)很小，原始輻射強(qiáng)度與反算輻射強(qiáng)度基本重合，從圖6和圖7可以看出，在780nm～980nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)黑度的波動(dòng)很小，原始輻射強(qiáng)度與反算輻射強(qiáng)度基本重合，火焰在此波段滿足灰性。三組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。
表1 620nm～760nm波長(zhǎng)范圍計(jì)算結(jié)果
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光譜曲線 |
溫度℃ |
黑度 |
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1 |
1134 |
3.04*10-3 |
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2 |
1249 |
1.77*10-3 |
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3 |
1193 |
1.61*10-3 |
表2 780nm～980nm波長(zhǎng)范圍計(jì)算結(jié)果
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光譜曲線 |
溫度℃ |
黑度 |
|
1 |
1169 |
2.21*10-3 |
|
2 |
1257 |
1.65*10-3 |
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3 |
1207 |
1.41*10-3 |
同時(shí)，在620 nm、760nm和780nm、980nm波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)用最小二乘法計(jì)算了火焰的溫度和黑度，最小二乘法是在假設(shè)火焰符合灰性的前提下進(jìn)行溫度和黑度計(jì)算的。結(jié)果如表3和表4所示。
表3 620nm～760nm波長(zhǎng)范圍計(jì)算結(jié)果
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光譜曲線 |
溫度℃ |
黑度 |
|
1 |
1170 |
3.11*10-3 |
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2 |
1259 |
1.80*10-3 |
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3 |
1209 |
1.63*10-3 |
表4 780nm～980nm波長(zhǎng)范圍計(jì)算結(jié)果
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光譜曲線 |
溫度℃ |
黑度 |
|
1 |
1170 |
2.19*10-3 |
|
2 |
1259 |
1.62*10-3 |
|
3 |
1209 |
1.39*10-3 |
2.4檢測(cè)結(jié)果分析
對(duì)比表1與表3、表2與表4，發(fā)現(xiàn)在相同的計(jì)算波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)采用雙色法得到計(jì)算結(jié)果與采用最小二乘法計(jì)算的結(jié)果大致相等，其中溫度相對(duì)均方差<0.1 8%，黑度相對(duì)均方差<2.3%，這表明雙色法判斷的灰性區(qū)間是正確的，計(jì)算的火焰溫度和黑度是準(zhǔn)確的。表1中溫度變化范圍為1134℃～1249℃，溫度波動(dòng)115℃，表2中溫度變化范圍為1169℃～1207℃，溫度波動(dòng)8 8℃，這表明爐膛內(nèi)燃燒不穩(wěn)定。檢測(cè)的黑度數(shù)量級(jí)為10-3，而一般煤粉火焰黑度的數(shù)量級(jí)為10-1，這表明生物質(zhì)在循環(huán)流化床中燃燒時(shí)燃燒顆粒的發(fā)生率比煤粉低。煤粉火焰通常在600nm～1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以看成灰體，而生物質(zhì)燃燒火焰在600nm～1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)不滿足灰性。生物質(zhì)火焰在770nm附近存在K的發(fā)射譜峰，灰性區(qū)間不連續(xù)。煤炭中K的含量偏低，且在火焰旺盛區(qū)K基本蒸發(fā)完畢，所以不存在K的發(fā)射譜峰，光譜曲線連續(xù)平滑，灰性區(qū)間連續(xù)。
為了防止堿金屬高溫腐蝕，生物質(zhì)燃料鍋爐需要嚴(yán)格控制燃燒的溫度，相關(guān)研究表明，生物質(zhì)鍋爐最佳床溫應(yīng)控制在800℃～850℃，通過雙色法計(jì)算的本鍋爐燃燒溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這個(gè)溫度，所以此鍋爐的受熱面可能會(huì)發(fā)生高溫腐蝕。
3結(jié)論
本文對(duì)光譜儀采集的光譜進(jìn)行了研究，查找出了特征譜線對(duì)應(yīng)酌物質(zhì)并分析特征了譜線出現(xiàn)時(shí)的燃燒狀態(tài)，同時(shí)用雙色法判斷了火焰的灰性區(qū)間并在灰性區(qū)間內(nèi)計(jì)算出了火焰的溫度和黑度，實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：
1．生物質(zhì)在高溫燃燒時(shí)發(fā)出Na、K的特征譜線和水蒸汽的吸收譜，特征譜線的出現(xiàn)與燃燒溫度有關(guān)。
2．生物質(zhì)燃燒火焰的灰性區(qū)間為：620nm～760nm和780nm～980nm。
3．生物質(zhì)燃燒通常不穩(wěn)定，溫度有波動(dòng)，而且燃燒床溫往往比控制床溫偏高，可能發(fā)生高溫腐蝕。
