煤粉富氧燃燒熱分析試驗研究

李文華，黃永杰，翁善勇

（1.浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602；2.浙江大學(xué)熱能工程研究所，杭州 310027）

影響煤粉燃燒的關(guān)鍵因素是溫度及煤粉和氧氣的濃度。由于空氣中有79%是惰性氮氣，燃燒時也需要吸收大量熱能，制約了反應(yīng)溫度的進一步提高。同時，隨著反應(yīng)的進行，氧氣濃度不斷下降，制約了燃燒反應(yīng)的進一步進行，特別是煤粉揮發(fā)分析出后剩余的焦炭難以燃盡。而采用煤粉富氧燃燒技術(shù)，一旦局部著火，燃燒反應(yīng)就會迅速擴散，使煤粉燃盡率大為提高。

通過實驗室熱分析以及沉降爐、臥式燃燒試驗爐的研究，在溫州電廠135 MW機組上實現(xiàn)了煤粉富氧冷態(tài)直接點火的工業(yè)應(yīng)用。

用熱分析對煤粉富氧燃燒的研究已有不少文獻報道[1-4]，數(shù)據(jù)處理及分析各有側(cè)重。不同煤種對富氧的敏感性不同，本文以溫州電廠4個常用煤種為對象，介紹富氧燃燒熱分析研究結(jié)果。

1 試驗工況及分析方法

1.1 試驗煤樣

試驗煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1，其中的富動23和神混8號是典型的神木侏羅紀煤種，富動12和優(yōu)混則是山西大同侏羅紀煤炭典型煤種，因此研究的結(jié)果具有廣泛的應(yīng)用價值。

表1 試驗煤樣的工業(yè)分析主要結(jié)果 %

1.2 試驗分析方法

試驗采用NETZSCH STA 449C型熱重分析儀。為減少反應(yīng)氣體浮力變化對樣品失重過程的影響，改變氧氣濃度時保持總的流量不變，通過調(diào)整氧氣和氮氣的比例，獲得不同氧氣濃度條件下的分析曲線。

各工況均采用10℃/min升溫速率，升溫范圍為50～700℃，樣品質(zhì)量為10 mg左右，其平均粒度基本接近。由于反應(yīng)氣中氧氣濃度的變化依靠調(diào)整不同氣種的流量實現(xiàn)，為了讀數(shù)方便和提高氧氣濃度準確性，試驗氧氣濃度分別取16.7%，33.3%，50%，66.7%，83.3%5種，記為工況1-5。

根據(jù)如圖1所示的熱重曲線TG和微商熱重曲線DTG，可以得到以下熱分析特征點：

（1）揮發(fā)分初析點。取DTG曲線開始出現(xiàn)恒定負值的點，將該點溫度記做Ts，它是衡量煤質(zhì)揮發(fā)份析出難易的一個重要因素。

（2）著火點。在DTG曲線上，過峰值點作垂線與TG曲線交于一點，過該點作TG曲線的切線，該切線與失重開始時平行線的交點所對應(yīng)的溫度定義為著火溫度Ti，該點溫度是衡量煤粉著火特性的重要特征點。

（3）最大燃燒速率點。在DTG曲線上表現(xiàn)為最低峰值點，對應(yīng)反應(yīng)過程中最快反應(yīng)速度點，此點溫度和燃燒速率分別記為T1max和W1max。

（4）燃盡點。以燒掉98%可燃質(zhì)時的點為燃盡點，其對應(yīng)溫度為燃盡溫度Th。

圖1 熱重曲線主要特征值點確定示意圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 氧濃度影響燃燒的總體描述

圖2-5分別為4個煤樣在不同氧濃度下的TG曲線。

由圖可見，隨著氧濃度的提高，TG曲線都向左移，表明在相同升溫速率下，揮發(fā)分析出著火和劇烈燃燒均明顯提前。當(dāng)氧濃度為16.7%和33.3%時，4個煤樣的線形基本一致，沒有出現(xiàn)明顯的分段燃燒，而當(dāng)氧濃度提高到50%及以上后，不同的煤種表現(xiàn)出不同特性，其中2個神木侏羅紀煤樣對氧濃度變化比2個優(yōu)混侏羅紀煤樣更為敏感。

圖2 富動23在不同氧濃度下熱重曲線

圖3 神混8號在不同氧濃度下熱重曲線

圖4 優(yōu)混在不同氧濃度下熱重曲線

圖5 富動12在不同氧濃度下熱重曲線

2.2 氧濃度對著火的影響

圖6和圖7分別是4個煤樣在不同氧濃度下的Ts和Ti變化曲線。

由圖可見，在氧濃度為50%以前，揮發(fā)分初始析出溫度Ts隨著氧濃度的增加以－5℃/10%的斜率下降，而當(dāng)氧濃度高于50%后，Ts曲線開始變得平緩。

圖6 4個煤樣Ts變化曲線

圖7 4個煤樣Ti變化曲線

著火溫度Ti的變化較為特殊，從煤樣的著火段熱重曲線隨氧濃度升高逐漸往左移判斷，著火溫度應(yīng)該隨之逐漸降低。但用作圖法求取的著火溫度Ti因不同的線形之間存在一定誤差，氧濃度升高后出現(xiàn)了明顯的分段燃燒，富動23和神混8號的著火溫度規(guī)律性差，而優(yōu)混和富動12則呈指數(shù)關(guān)系下降，氧氣濃度從16.7%到33.3%，優(yōu)混和富動12的Ti分別下降了12.9℃和15.9℃。

2.3 氧濃度對燃燒速率的影響

圖8-10分別是氧濃度對W1max、T1max和平均燃燒速率W1mean的影響曲線。

可見，氧濃度對2個優(yōu)混類煤樣的最大燃燒速率和平均燃燒速率的影響不大，只是稍微增加，而對2個神木類煤樣的影響非常明顯，特別是神混8號，氧濃度高于33.3%后成倍增加。

圖8 氧濃度對W1max的影響

圖9 氧濃度對T1max的影響

圖10 氧濃度對W1mean的影響

隨著氧濃度的提高，4個煤樣的最大燃燒速率所對應(yīng)的溫度T1max均呈明顯下降趨勢，意味著2個煤種的燃燒均明顯提前。

2.4 氧濃度對燃盡的影響

圖11-12是氧濃度對燃盡溫度Th和總的燃燒時間t的影響曲線。

可見，隨著氧濃度的增加，燃盡溫度明顯降低。除神混8號外，其余3個煤樣總的燃燒時間明顯縮短，其中富動23總?cè)紵龝r間縮短約6.1 min，優(yōu)混和富動12縮短2～2.5 min。

3 結(jié)語

從4個煤樣在5種不同氧濃度下的熱分析結(jié)果可知：

圖11 氧濃度對Th的影響

圖12 氧濃度對t的影響

（1）盡管升溫速率很低，氧濃度變化還是對煤粉燃燒有較大影響。隨著氧濃度提高，TG曲線左移，揮發(fā)分析出溫度、著火溫度、最大燃燒速率對應(yīng)溫度以及燃盡溫度均出現(xiàn)明顯下降，最大燃燒速率和平均燃燒速率明顯提高，整個燃燒時間明顯縮短。

（2）不同煤種對氧濃度變化的敏感度存在較大差異，神木類混煤對氧濃度變化的敏感度遠高于優(yōu)混類混煤。

（3）由于熱分析時對煤樣的加熱為程控加熱，故以上研究結(jié)果只能說明富氧燃燒有利于煤粉著火和燃盡，尚不能據(jù)此得到工業(yè)應(yīng)用的最佳氧濃度。

[1]樊越勝，鄒錚，高巨保，等.富氧氣氛中煤粉燃燒特性改善的試驗研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2006，40（1）:18-21.

[2]趙文田，張永密，袁麗，等.熱重法研究富氧條件下煤粉的燃燒特性[J].山東電力技術(shù)，2008（03）:48-52.

[3]劉靖昀.富氧環(huán)境下煤粉燃燒特性試驗研究[D].浙江大學(xué)，2006.