0前言
當今社會能源消耗與日俱增，在大量燃燒化石燃料獲取能源的同時環境污染也逐漸加劇。生物質燃料發電是一種新興技術，可以解決傳統焚燒帶來的環境問題，是火電發展的一個新的方向。同傳統燃料相比生物質燃料有許多特性：(1)生物質燃料含碳少、含氫稍多、含氧多、含氮低；(2)生物質顆粒度、密度和表面度影響燃燒特性；(3)生物質燃料中富含堿金屬和氯，煙氣達到一定的溫度后在鍋爐受熱面易發生高溫腐蝕；(4)生物質燃料燃燒可以產生大量氣體及氣溶膠組分，產生的氣體主要包括C02、CO、CH4、NMHC、NOX、N20、CH3 Cl、CH3 Br和大量的揮發性有機物，燃燒產生的灰塵中含有無機鹽、礦物質、未燃燒完全的碳等。因此對生物質燃燒過程進行單獨分析很有必要。傳統的生物質燃燒檢測一般只是簡單地采用熱電偶測溫，這種接觸式測溫法測取的溫度并不準確，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生物質燃燒火焰，作為一種非接觸的測溫方法，受外界干擾小，便于現場操作，同時分析生物質燃燒的火焰光譜，可以得到大量與燃燒相關的信息，這對鍋爐的安全經濟運行至關重要。
1 實驗儀器及檢測方法
1.1實驗儀器
實驗儀器采用的是AvaSpec-2048-USB2型光譜儀，光譜儀的探測器是2048像素的CCD陣列，可測波長范圍為200nm～1100nm，它有兩種測量模式，分別為S模式和I模式，S模式測量的是對象的相對輻射強度，I模式測量的是經過鹵素燈標定后的輻射強度，為絕對輻射強度，單位為μ W/cm
2／nm。該型光譜儀在500nm-1000nm波長范圍內響應度較高，因此火焰溫度和黑度計算時采用500nm-1000nm的波長數據。
1.2雙色法檢測原理
從表1中可以看出，雙色法檢測的黑體爐溫度最大相對誤差不超過1. 86%，檢測的黑度最大相對誤差不超過6%， 說明這種檢測方法可靠性很強。
2 檢測對象及結果分析
2.1檢測對象
實驗在湖北省“監利凱迪綠色能源有限公司”的生物質熱電廠進行，電廠安裝有兩臺65t／h次生物質循環流化床鍋爐。鍋爐燃用燃燒農林業剩余物質，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計使用。稻殼和秸稈的低位發熱量分別為：3100 Kcal／kg，3000 Kcal／kg;揮發份分別為79%，61. 48%;灰份分別為：16. 92%，3.9%；水份分別為：6%，19. 29%。鍋爐滿負荷運行時估計此時爐內溫度可達1250℃。鍋爐安裝有溫度測點，安裝在中下部的密相區，共有三層熱電偶，每層四支，安裝于爐內1 2公分左右。實驗測量時，熱電偶測得溫度為1 0 0 0℃左右。檢測位置位于鍋爐進料口附近，如圖1所示。
2.2光譜分析
實驗共采集了五組火焰光譜數據，相對輻射強度如圖2所示。從圖2中可以看出，連續光譜中共有兩個發射峰和一個吸收峰，兩個發射波峰分別在589. 139nm，769. 886nm處，吸收峰在940nm處。查相關資料得知：590nm附近是鈉產生的發射光譜，770nm附近是鉀產生的發射光譜，940nm處是水蒸汽的吸收光譜，300～700nm波長范圍的連續光譜主要由CN，C2，CH和NH基發出。
由于生物質燃料中富含鈉和鉀，而且這兩種堿金屬元素的焰色反應非常突出，所以只要火焰中存在有微量的鈉和鉀，就可以產生很明顯的發射譜線，資料表明：濃度的高低不是譜線產生與否最重要的條件，在7 5 0℃以上時，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，大部分會以氣態的形式析出。根據不同的物理化學條件，可能的析出物為KCI，K2S04等，而且環境溫度越高，堿金屬鹽的蒸汽壓就越高，進入氣相的堿金屬物質就越多。過高的燃燒溫度將會強化堿金屬鹽進入氣相的過程，從而增大后續受熱面高溫腐蝕的幾率。因此，準確測量燃燒區域的溫度對于預防高溫腐蝕至關重要。資料表明：當溫度低于8 7 0℃～880 0C時，Na的發射譜線消失，溫度低于8 0 0℃～820 0C時K的發射譜線消失，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域的溫度密切相關，如果燃燒溫度較低，火焰的部分輻射能會被低溫水蒸汽吸收；如果溫度較高，水蒸汽的激發作用會比較明顯，會出現發射波峰。圖2中940nm處出現了明顯的吸收光譜，說明燃燒區域溫度沒有達到出現水蒸汽發射波峰溫度。
2.3雙色法溫度和黑度檢測結果
通過分析雙色法計算的溫度分布和黑度分布，發現在620nm～760nm．780nm～980nm波長范圍內火焰符合灰性。圖4和圖5分別給出了第1組數據在波長范圍620nm～760nm火焰黑度分布、原始輻射強度分布和反算輻射強度分布。圖6和圖7分別給出了第1組在波長范圍780nm～980nm內火焰黑度分布、原始輻射強度分布和反算輻射強度分布。其中反算輻射強度是該波長下的單色輻射強度與Id該波長在計算溫度T下的黑體單色輻射強度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波長范圍內黑度的波動很小，原始輻射強度與反算輻射強度基本重合，從圖6和圖7可以看出，在780nm～980nm波長范圍內黑度的波動很小，原始輻射強度與反算輻射強度基本重合，火焰在此波段滿足灰性。三組數據的計算結果如表1和表2所示。
表1 620nm～760nm波長范圍計算結果
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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波長范圍計算結果
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光譜曲線 |
溫度℃ |
黑度 |
|
1 |
1169 |
2.21*10-3 |
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2 |
1257 |
1.65*10-3 |
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3 |
1207 |
1.41*10-3 |
同時，在620 nm、760nm和780nm、980nm波長區間內用最小二乘法計算了火焰的溫度和黑度，最小二乘法是在假設火焰符合灰性的前提下進行溫度和黑度計算的。結果如表3和表4所示。
表3 620nm～760nm波長范圍計算結果
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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波長范圍計算結果
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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檢測結果分析
對比表1與表3、表2與表4，發現在相同的計算波長區間內采用雙色法得到計算結果與采用最小二乘法計算的結果大致相等，其中溫度相對均方差<0.1 8%，黑度相對均方差<2.3%，這表明雙色法判斷的灰性區間是正確的，計算的火焰溫度和黑度是準確的。表1中溫度變化范圍為1134℃～1249℃，溫度波動115℃，表2中溫度變化范圍為1169℃～1207℃，溫度波動8 8℃，這表明爐膛內燃燒不穩定。檢測的黑度數量級為10-3，而一般煤粉火焰黑度的數量級為10-1，這表明生物質在循環流化床中燃燒時燃燒顆粒的發生率比煤粉低。煤粉火焰通常在600nm～1000nm波長范圍內可以看成灰體，而生物質燃燒火焰在600nm～1000nm波長范圍內不滿足灰性。生物質火焰在770nm附近存在K的發射譜峰，灰性區間不連續。煤炭中K的含量偏低，且在火焰旺盛區K基本蒸發完畢，所以不存在K的發射譜峰，光譜曲線連續平滑，灰性區間連續。
為了防止堿金屬高溫腐蝕，生物質燃料鍋爐需要嚴格控制燃燒的溫度，相關研究表明，生物質鍋爐最佳床溫應控制在800℃～850℃，通過雙色法計算的本鍋爐燃燒溫度遠遠超過了這個溫度，所以此鍋爐的受熱面可能會發生高溫腐蝕。
3結論
本文對光譜儀采集的光譜進行了研究，查找出了特征譜線對應酌物質并分析特征了譜線出現時的燃燒狀態，同時用雙色法判斷了火焰的灰性區間并在灰性區間內計算出了火焰的溫度和黑度，實驗得出以下結論：
1．生物質在高溫燃燒時發出Na、K的特征譜線和水蒸汽的吸收譜，特征譜線的出現與燃燒溫度有關。
2．生物質燃燒火焰的灰性區間為：620nm～760nm和780nm～980nm。
3．生物質燃燒通常不穩定，溫度有波動，而且燃燒床溫往往比控制床溫偏高，可能發生高溫腐蝕。
