單一及混合煤種燃燒的熱重分析

馬樹貴 梁洪韞

(云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650217)

1 前言

不同的煤，其燃燒性能相差很大，煤的燃燒性能決定了燃煤鍋爐的設(shè)計。然而，對于火力發(fā)電廠的大型燃煤鍋爐，近幾年由于受到煤炭市場的影響，設(shè)計煤種要么價格過高，無法購買用來發(fā)電，要么減量供應(yīng)，火電廠不得不以市場上能買到的煤來進(jìn)行混煤摻燒，鍋爐實際燃煤已經(jīng)偏離了設(shè)計煤種。而不同的煤種發(fā)熱量、揮發(fā)份、硫份、結(jié)焦特性等均不相同。在進(jìn)行混煤摻燒時，一方面要考慮鍋爐能夠帶滿負(fù)荷，另一方面還要兼顧鍋爐的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運行及環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，這就對火電廠配煤工作提出了更高的要求，必須掌握混煤的實際燃燒特性，不能單純的以發(fā)熱量、揮發(fā)份、硫份等指標(biāo)進(jìn)行粗略的配煤。以下對某電廠一臺200MW機組常用煤種按照質(zhì)量比1:1混合而成的混煤進(jìn)行熱重試驗研究，利用熱天平分析不同的煤種在燃燒過程中的不同特性以及由兩種單一煤種混合而成的混煤的燃燒特性。

2 試驗方法

試驗所用煤樣在煤場進(jìn)行多點采樣后充分混合均勻進(jìn)行縮分，縮分后的煤樣分為兩份，一份送檢進(jìn)行煤質(zhì)工業(yè)分析，另一份在室溫下自然風(fēng)干，然后進(jìn)行制樣，用于熱重試驗的煤粉樣為通過160目篩子的煤粉樣。熱重試驗所用的反應(yīng)氣分為三種，分別為氮氣做平衡氣的5%的氧氣、氮氣做平衡氣的10%的氧氣、氮氣做平衡氣的15%的氧氣。反應(yīng)氣流量均為50ml/min，保護(hù)氣為高純氮氣，流量均為50ml/min。熱重試驗的升溫曲線從40℃開始，針對不同的樣品分析曲線，用不同的升溫速率升溫至105℃，在105℃恒溫10min，以干燥水分，然后繼續(xù)以相應(yīng)的升溫速率升溫至900℃，每條樣品分析曲線都減去對應(yīng)的分析方法下的空白曲線，見表1。

表1 煤質(zhì)分析

3 試驗結(jié)果及分析

1)當(dāng)反應(yīng)氣為10%氧氣，升溫速率分別為5℃/min及20℃/min時的TG曲線如圖一10%氧時不同升溫速率下的TG曲線所示:

圖1 10%氧時不同升溫速率下的TG曲線

由于圖1中對比曲線較多，現(xiàn)將每條曲線計算出的外推起始溫度羅列如下:曲線1為330.03℃、曲線2為353.33℃、曲線3為344.85℃、曲線4為373.50℃、曲線5為447.88℃、曲線6為528.29℃。從圖中可以看出，升溫速率的改變并未從本質(zhì)上改變曲線的基本形狀，在相同的氧量下，隨著升溫速率的增加，曲線向高溫側(cè)移動，并且這種趨勢在溫度越高時越明顯。三種煤樣的外推起始溫度分別從330.03℃、344.85℃、447.88℃ 增 加 到 353.33℃、373.50℃、528.29℃，終點溫度的增加更加明顯。從表面看，隨著升溫速率的增加，煤樣的外推起始溫度增加，終點溫度也向高溫側(cè)移動，并且移動量較外推起始溫度更加明顯。從這些表象看，隨著升溫速率的增加，煤樣變得更加難以著火并且更加難以燃燼，這顯然與燃燒理論不符。出現(xiàn)這種情況是因為儀器的熱慣性造成的曲線遲滯。因此，在利用熱天平求取某一煤種外推起始溫度、終點溫度等溫度點時，應(yīng)盡量采用較低的升溫速率，減小升溫速率對其造成的影響。在不對特定煤樣進(jìn)行準(zhǔn)確外推起始溫度計算時，升溫速率的影響可不予考慮。

2)升溫速率為15℃/min，反應(yīng)氣分別為5%氧氣和15%氧氣時的TG曲線如圖2所示。

圖2 升溫速率15℃/min時不同氧量下的TG曲線

經(jīng)計算，上圖中六條TG曲線的外推起始溫度分別為:曲線 1為 348.31℃、曲線 2為350.23℃、曲線 3為 356.80℃、曲線 4為372.82℃、曲線5為508.52℃、曲線6為525.65為℃。在相同的升溫速率下，隨著反應(yīng)氣氛中氧氣比例的增加，外推起始溫度有所降低。三種煤樣的外推起始溫度由5%氧氣時的350.23℃、372.82℃、525.65℃ 降 低 至 15% 氧 氣 時 的348.31℃、356.80℃、508.52℃。隨著反應(yīng)氣氛中氧氣比例的增加，終點溫度下降幅度較外推起始溫度更大。三種煤樣的終點溫度由5%氧氣時的700℃、800℃、850℃左右下降至15%氧氣時的630℃、700℃、750℃左右。說明燃燒過程中，含氧量的多少對煤粉的著火溫度有一定的影響，對煤粉的燃燼性影響很大，高氧量能夠降低煤粉的燃燒終點溫度，利于煤粉燃燼。尤其是在爐膛中，煤粉燃燒的時間很短，更需要及時的補氧以利于煤粉盡快燃燼。

3)反應(yīng)氣氛為15%氧氣，升溫速率為15℃/min時，三種煤樣的TG曲線及DSC曲線如圖3所示。

圖3 升溫速率15℃/min，氧15%TG及DSC曲線

圖3中，曲線4由曲線1和曲線2合成，合成方法為曲線1的一半加曲線2的一半。從上圖中不難看出，順通煤與萬泰煤的燃燒進(jìn)程是完全不同的，順通煤由于揮發(fā)份高，其外推起始溫度及終點溫度都比低揮發(fā)份的萬泰煤低很多，順通煤可燃物在550℃基本達(dá)到燃燼，而萬泰煤可燃物在700℃左右才基本達(dá)到燃燼。而順通煤和萬泰煤1:1組成的混合煤的燃燒進(jìn)程被拉長，終點溫度基本與萬泰煤一致，起始溫度則與順通煤基本一致。合成曲線4不論是TG曲線還是DSC曲線，都基本與混合煤的曲線重合。以上均說明在混煤的燃燒過程中，混煤并非以一種新的煤種形式存在，而只是單純的以兩種煤的混合形態(tài)進(jìn)行各自的燃燒進(jìn)程。易燃煤能夠?qū)﹄y燃煤的提前著火起到一定的促進(jìn)作用，加速難燃煤的燃燼速度，而燃燼溫度仍然由難燃煤決定。

4)由求解活化能的Ozawa法，在等轉(zhuǎn)化率時由P函數(shù)的Doyle近似式，得到以下計算式:

式中:T—等轉(zhuǎn)化率時與升溫速率Φ1、Φ2、Φ3……對應(yīng)的溫度T1、T2、T3……，K

E—表觀活化能，kJ.mol－1

R—氣體常數(shù)，8.314J.mol－1.K－1

根據(jù)上式，對四條以上不同升溫速率曲線的lgΦ－1/T作圖求出斜率，便可求出E值

在轉(zhuǎn)化率為15%時求得三種煤樣的活化能分別為順通煤:116.59 kJ.mol－1、萬泰煤:123.20 kJ.mol－1、混合煤:119.20 kJ.mol－1。揮發(fā)份較高的易燃順通煤活化能最低，萬泰煤最高，混合煤介于兩種煤之間。

4 結(jié)束語

1)燃煤的TG曲線及DSC曲線受升溫速率的影響，隨著升溫速率的增加，起始溫度及終點溫度均增大，終點溫度增大更加明顯。

2)燃煤的TG曲線及DSC曲線受反應(yīng)氣氛的影響，隨著氧氣含量的增加，起始溫度及終點溫度均減小，終點溫度的減小幅度更大。

3)混煤的活化能介于兩種單一煤質(zhì)之間，燃燒進(jìn)程是兩種單一煤種的混合，整個進(jìn)程相互獨立又相互影響，易燃煤促進(jìn)難燃煤著火并加速難燃煤的燃燼速度但不能降低難燃煤的燃燼溫度。

［1］GB/T 6425－2008熱分析術(shù)語［S］.

［2］劉振海 畠山立子主編，分析化學(xué)手冊(第二版)［M］.第八分冊熱分析.

［3］高正陽等，混煤燃燒特性的熱重試驗研究［J］.動力工程，2002，22(3).

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［5］王俊宏等，西部煤的熱解特性及動力學(xué)研究［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2009，32(3).

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［7］舒朝暉等，煤及其低溫灰的熱重實驗研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2007，27(14).