0前言
当今社会能源消耗与日俱增，在大量燃烧化石燃料获取能源的同时环境污染也逐渐加剧。生物质燃料发电是一种新兴技术，可以解决传统焚烧带来的环境问题，是火电发展的一个新的方向。同传统燃料相比生物质燃料有许多特性：(1)生物质燃料含碳少、含氢稍多、含氧多、含氮低；(2)生物质颗粒度、密度和表面度影响燃烧特性；(3)生物质燃料中富含碱金属和氯，烟气达到一定的温度后在锅炉受热面易发生高温腐蚀；(4)生物质燃料燃烧可以产生大量气体及气溶胶组分，产生的气体主要包括C02、CO、CH4、NMHC、NOX、N20、CH3 Cl、CH3 Br和大量的挥发性有机物，燃烧产生的灰尘中含有无机盐、矿物质、未燃烧完全的碳等。因此对生物质燃烧过程进行单独分析很有必要。传统的生物质燃烧检测一般只是简单地采用热电偶测温，这种接触式测温法测取的温度并不准确，而且无法获得其它燃烧信息；本文采用基于双色法的光谱法检测生物质燃烧火焰，作为一种非接触的测温方法，受外界干扰小，便于现场操作，同时分析生物质燃烧的火焰光谱，可以得到大量与燃烧相关的信息，这对锅炉的安全经济运行至关重要。
1 实验仪器及检测方法
1.1实验仪器
实验仪器采用的是AvaSpec-2048-USB2型光谱仪，光谱仪的探测器是2048像素的CCD阵列，可测波长范围为200nm～1100nm，它有两种测量模式，分别为S模式和I模式，S模式测量的是对象的相对辐射强度，I模式测量的是经过卤素灯标定后的辐射强度，为绝对辐射强度，单位为μ W/cm
2／nm。该型光谱仪在500nm-1000nm波长范围内响应度较高，因此火焰温度和黑度计算时采用500nm-1000nm的波长数据。
1.2双色法检测原理
从表1中可以看出，双色法检测的黑体炉温度最大相对误差不超过1. 86%，检测的黑度最大相对误差不超过6%， 说明这种检测方法可靠性很强。
2 检测对象及结果分析
2.1检测对象
实验在湖北省“监利凯迪绿色能源有限公司”的生物质热电厂进行，电厂安装有两台65t／h次生物质循环流化床锅炉。锅炉燃用燃烧农林业剩余物质，如稻壳、秸秆等，为保证锅炉具有良好的适用性，稻壳和秸秆按平均成份设计使用。稻壳和秸秆的低位发热量分别为：3100 Kcal／kg，3000 Kcal／kg;挥发份分别为79%，61. 48%;灰份分别为：16. 92%，3.9%；水份分别为：6%，19. 29%。锅炉满负荷运行时估计此时炉内温度可达1250℃。锅炉安装有温度测点，安装在中下部的密相区，共有三层热电偶，每层四支，安装于炉内1 2公分左右。实验测量时，热电偶测得温度为1 0 0 0℃左右。检测位置位于锅炉进料口附近，如图1所示。
2.2光谱分析
实验共采集了五组火焰光谱数据，相对辐射强度如图2所示。从图2中可以看出，连续光谱中共有两个发射峰和一个吸收峰，两个发射波峰分别在589. 139nm，769. 886nm处，吸收峰在940nm处。查相关资料得知：590nm附近是钠产生的发射光谱，770nm附近是钾产生的发射光谱，940nm处是水蒸汽的吸收光谱，300～700nm波长范围的连续光谱主要由CN，C2，CH和NH基发出。
由于生物质燃料中富含钠和钾，而且这两种碱金属元素的焰色反应非常突出，所以只要火焰中存在有微量的钠和钾，就可以产生很明显的发射谱线，资料表明：浓度的高低不是谱线产生与否最重要的条件，在7 5 0℃以上时，在氯存在的条件下，碱金属K除了部分以氧化物的形式滞留在固相中，大部分会以气态的形式析出。根据不同的物理化学条件，可能的析出物为KCI，K2S04等，而且环境温度越高，碱金属盐的蒸汽压就越高，进入气相的碱金属物质就越多。过高的燃烧温度将会强化碱金属盐进入气相的过程，从而增大后续受热面高温腐蚀的几率。因此，准确测量燃烧区域的温度对于预防高温腐蚀至关重要。资料表明：当温度低于8 7 0℃～880 0C时，Na的发射谱线消失，温度低于8 0 0℃～820 0C时K的发射谱线消失，可以初步判断燃烧火焰的温度高于8 7 0℃。940nm处水蒸汽的吸收谱线也与燃烧区域的温度密切相关，如果燃烧温度较低，火焰的部分辐射能会被低温水蒸汽吸收；如果温度较高，水蒸汽的激发作用会比较明显，会出现发射波峰。图2中940nm处出现了明显的吸收光谱，说明燃烧区域温度没有达到出现水蒸汽发射波峰温度。
2.3双色法温度和黑度检测结果
通过分析双色法计算的温度分布和黑度分布，发现在620nm～760nm．780nm～980nm波长范围内火焰符合灰性。图4和图5分别给出了第1组数据在波长范围620nm～760nm火焰黑度分布、原始辐射强度分布和反算辐射强度分布。图6和图7分别给出了第1组在波长范围780nm～980nm内火焰黑度分布、原始辐射强度分布和反算辐射强度分布。其中反算辐射强度是该波长下的单色辐射强度与Id该波长在计算温度T下的黑体单色辐射强度Ib的比值，T是温度分布的平均值。从图4和图5中可以看出，在620nm～760nm波长范围内黑度的波动很小，原始辐射强度与反算辐射强度基本重合，从图6和图7可以看出，在780nm～980nm波长范围内黑度的波动很小，原始辐射强度与反算辐射强度基本重合，火焰在此波段满足灰性。三组数据的计算结果如表1和表2所示。
表1 620nm～760nm波长范围计算结果
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光谱曲线 |
温度℃ |
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波长范围计算结果
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光谱曲线 |
温度℃ |
黑度 |
|
1 |
1169 |
2.21*10-3 |
|
2 |
1257 |
1.65*10-3 |
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3 |
1207 |
1.41*10-3 |
同时，在620 nm、760nm和780nm、980nm波长区间内用最小二乘法计算了火焰的温度和黑度，最小二乘法是在假设火焰符合灰性的前提下进行温度和黑度计算的。结果如表3和表4所示。
表3 620nm～760nm波长范围计算结果
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光谱曲线 |
温度℃ |
黑度 |
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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波长范围计算结果
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光谱曲线 |
温度℃ |
黑度 |
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1 |
1170 |
2.19*10-3 |
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2 |
1259 |
1.62*10-3 |
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3 |
1209 |
1.39*10-3 |
2.4检测结果分析
对比表1与表3、表2与表4，发现在相同的计算波长区间内采用双色法得到计算结果与采用最小二乘法计算的结果大致相等，其中温度相对均方差<0.1 8%，黑度相对均方差<2.3%，这表明双色法判断的灰性区间是正确的，计算的火焰温度和黑度是准确的。表1中温度变化范围为1134℃～1249℃，温度波动115℃，表2中温度变化范围为1169℃～1207℃，温度波动8 8℃，这表明炉膛内燃烧不稳定。检测的黑度数量级为10-3，而一般煤粉火焰黑度的数量级为10-1，这表明生物质在循环流化床中燃烧时燃烧颗粒的发生率比煤粉低。煤粉火焰通常在600nm～1000nm波长范围内可以看成灰体，而生物质燃烧火焰在600nm～1000nm波长范围内不满足灰性。生物质火焰在770nm附近存在K的发射谱峰，灰性区间不连续。煤炭中K的含量偏低，且在火焰旺盛区K基本蒸发完毕，所以不存在K的发射谱峰，光谱曲线连续平滑，灰性区间连续。
为了防止碱金属高温腐蚀，生物质燃料锅炉需要严格控制燃烧的温度，相关研究表明，生物质锅炉最佳床温应控制在800℃～850℃，通过双色法计算的本锅炉燃烧温度远远超过了这个温度，所以此锅炉的受热面可能会发生高温腐蚀。
3结论
本文对光谱仪采集的光谱进行了研究，查找出了特征谱线对应酌物质并分析特征了谱线出现时的燃烧状态，同时用双色法判断了火焰的灰性区间并在灰性区间内计算出了火焰的温度和黑度，实验得出以下结论：
1．生物质在高温燃烧时发出Na、K的特征谱线和水蒸汽的吸收谱，特征谱线的出现与燃烧温度有关。
2．生物质燃烧火焰的灰性区间为：620nm～760nm和780nm～980nm。
3．生物质燃烧通常不稳定，温度有波动，而且燃烧床温往往比控制床温偏高，可能发生高温腐蚀。
