基于气相Na浓度高光谱可视化的准东煤燃烧结渣机理研究

The released gas sodium during Zhundong coals combustion may cause severe problems like deposition of the heat transfer surface in coal fired boiler, this limits greatly the large-scale utilization of the Zhundong coals in power boiler. In this project, the hyperspectral technique will be used for studying the slag mechanism of Zhundong coals during combustion with high temperature. The main work includes: (1) Decoupling those hyperspectral images based on the polynomial fitting algorithm, then the characteristic spectrum of Na and the continuous spectrum of particles will be obtained; the flame temperature and emissivity could be calculated based on the continuous spectrum using Newton iterative algorithm; (2) Making use of spectral analysis to correlate the concentration of sodium, the flame temperature and the radiation intensity of sodium, then the function of sodium concentration will be obtained based on the quantitative analysis; (3) Studying the impacts of the oxygen, the flame temperature and the pulverized coal on the release characteristic of sodium based on measurement the concentration of sodium online, then key influence factor of the release sodium will be revealed; (4) With the images of slag be captured online, the growth rate of slag could be calculated using Robert edge detection algorithm, and the surface temperature of slag could be calculated using the two-color method; Combining the morphology analysis and the component analysis of slag, and considering the measurement of sodium concentration, the impacting mechanism of the condensation of gas sodium on the growth rate of slag will be revealed. The achievements of the present project will improve of the mechanics slag, and a new detection method for measurement gas sodium online will be developed.

准东煤燃烧过程中释放的气相Na是造成受热面结渣的重要原因，这极大限制了准东煤在电站锅炉上的利用。本项目拟采用高光谱技术研究准东煤高温燃烧时的结渣机理，包括：（1）利用多项式拟合解耦高光谱图像，获取Na对应的特征光谱和颗粒物对应的连续光谱；基于牛顿迭代算法求解连续光谱，获取温度及发射率；（2）基于辐射分析，建立气相Na浓度、温度和特征光谱辐射强度之间的函数模型；基于定量分析，确立气相Na浓度的函数；（3）基于气相Na浓度的线测量，研究氧浓度、温度和煤粉粒径对气相Na释放的影响规律，揭示影响气相Na释放的关键因素；（4）基于结渣图像的在线测量，利用Robert算子边缘检测算法获取结渣增长速率，利用双色法获取结渣外表层温度，联合结渣层的形貌、成分分析及气相Na浓度的实测数据，揭示气相Na凝结对结渣增长速率的影响机理。本项目的开展对完善准东煤的结渣机理具有重要科学意义。

锅炉燃用准东煤时受热面经常会发生结渣，这极大影响了锅炉机组的安全经济运行。燃烧温度和Na浓度是影响结渣的两个关键因素，本项目围绕着燃烧温度和Na浓度的同时在线测量开展了深入研究。由于Na特征谱线辐射强度同时与温度、Na浓度有关，在利用Na特征谱线进行Na浓度测量时，首先要已知温度，为此本项目开展了多光谱测温算法研究。研究过程中利用光谱仪测量高温对象的自辐射光谱，基于多项式函数建立光谱发射率模型，通过最优问题求解算法实现温度和发射率的同时求解。热电偶验证实验表明，该测温算法的最大相对误差小于0.55%；生物质燃烧实验表明，该测温算法相对误差小于1.5%（加热温度1300K，测得生物质燃烧温度为1876±2K）。电站煤粉锅炉实验测量结果表明，Na特征谱线和颗粒物热辐射产生的连续光谱是耦合在一起的，进行温度和Na浓度测量时需进行光谱分离。本项目提出先剔除Na特性谱线后多项式拟合的光谱分离算法，成功实现了连续光谱和Na特征谱线的分离。在研究Na特征谱线辐射强度与温度、Na浓度之间的关系时，本项目利用超声波雾化器向平面预混火焰中通入已知浓度的NaCl液雾来生成含有可控Na浓度的燃烧火焰，并利用光谱仪采集不同温度、Na浓度下的辐射光谱。实验结果表明，温度对Na特征谱线辐射强度的影响更大；结合Planck黑体辐射定律，建立了Na特征谱线辐射强度与温度、Na浓度之间的关系式：INa(λ589)=1.2966⋅Ib(λ589,T)⋅CNa。利用该关系式开展了准东煤燃烧实验，研究了水洗对准东煤燃烧特性和Na释放特性的影响规律。研究结果表明准东煤原煤、40°C水洗煤和80°C水洗煤在挥发分燃烧阶段释放的最高Na浓度分别为3.48、1.91和1.43ppm，在焦炭燃烧阶段为11.01、6.57和5.18ppm。水洗具有减少点火延迟和降低挥发分燃烧温度的作用。除此自外，本项目还建立了K特征谱线辐射强度与温度、K浓度之间的关系式：IK(λ766)=0.821⋅Ib(λ766,T)⋅CK。本项目的研究成果为Na、K碱金属的在线测量提供了一种新方法，可广泛应用于高碱燃料锅炉的炉内温度、碱金属浓度在线监测，为预防炉内结渣提供有效信息。