助燃劑對(duì)煤燃燒熱值及燃燒性能的影響

陳 平 王春江 張艷慧 崔佳育

(新疆師范大學(xué)污染監(jiān)測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054)

我國(guó)是世界第一煤炭消費(fèi)大國(guó)，也是世界上少數(shù)能源消耗以煤為主的國(guó)家。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但單位GDP 能耗高和由此導(dǎo)致的污染物排放強(qiáng)度大的問(wèn)題日益制約著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，為此，節(jié)能減排已成為各級(jí)政府的約束性考核指標(biāo)。作為重要的節(jié)能減排產(chǎn)品，燃煤助燃劑的開(kāi)發(fā)和研究近十幾年來(lái)比較活躍，一些產(chǎn)品已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中使用［1－4］;另外，隨著煤價(jià)的日益升高，從節(jié)能的商業(yè)角度考慮，燃煤助燃劑也日益得到商家和燃煤用戶(hù)的青睞?？梢哉f(shuō)，燃煤助燃劑在節(jié)能減排、商業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的潛力?；诖耍陆彻纠弥锌圃杭夹g(shù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了水型燃煤助燃劑，在天津、山西、陜西、新疆多家用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試用結(jié)果表明，該助燃劑提高鍋爐出力，節(jié)煤效果明顯，用戶(hù)反映良好。為了從科學(xué)描述該燃煤助燃劑節(jié)煤原理，受生產(chǎn)單位委托開(kāi)展了助燃劑對(duì)煤燃燒熱值及燃燒性能的影響研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

助燃劑為粘稠狀棕色水系懸浮體系，煤樣為烏魯木齊市某供熱鍋爐爐前無(wú)煙煤。煤樣經(jīng)球磨機(jī)研磨獲得140 目煤粉，準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量助燃劑到140 目煤粉用球磨機(jī)研磨混合均勻，自然干燥1 天，制得含有一定比例助燃劑的實(shí)驗(yàn)煤樣，裝入塑料袋備用，用于后續(xù)熱值測(cè)定及燃燒性能的檢測(cè)試驗(yàn)。

熱值測(cè)定所用標(biāo)準(zhǔn)樣品為分析純苯甲酸。助燃劑本身熱值測(cè)定時(shí)，稱(chēng)取烘干的分析純苯甲酸約0.9g，與助燃劑按不同比例充分混合后壓片，用萬(wàn)分之一天平準(zhǔn)確稱(chēng)取壓片重量，約0.9g。

1.2 熱值測(cè)定

使用WZR－1A 自動(dòng)量熱儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)煤樣干燥基高位發(fā)熱量，標(biāo)準(zhǔn)樣品及助燃劑熱值測(cè)量收到基彈筒發(fā)熱量。測(cè)定方法根據(jù)GB/T213－2008，取4 次平行測(cè)定結(jié)果平均值為實(shí)驗(yàn)值。量熱儀測(cè)量精度用標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸進(jìn)行了11 次標(biāo)定，其測(cè)量精度為0.45%。

1.3 燃燒性能的檢測(cè)

使用儀器為NETZSCH STA409 PC/PG 同步熱分析儀，溫度范圍是28－900℃，升溫速率為10℃/min，樣品質(zhì)量為2－3mg，氧化鋁坩堝，氧氣做吹掃氣，氮?dú)庾霰Ｗo(hù)氣。記錄系統(tǒng)輸出的TG 曲線(xiàn)、DTG 曲線(xiàn)。

2 結(jié)果及討論

2.1 助燃劑本身熱值

測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，加入助燃劑后的苯甲酸，釋放熱值與苯甲酸自身釋放熱值之間的變化率在儀器測(cè)量的精確范圍內(nèi)，可以認(rèn)為助燃劑本身不含可燃物質(zhì)，無(wú)熱值。

表1 添加不同比例助燃劑苯甲酸發(fā)熱量(以苯甲酸本身重量計(jì))

2.2 助燃劑對(duì)煤燃燒熱值的影響

根據(jù)發(fā)熱量定義，添加助燃劑前后發(fā)熱量變化可用干燥基高位發(fā)熱量比較。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，加入助燃劑后的燃煤，釋放熱值與燃煤自身釋放熱值之間的變化率基本在儀器測(cè)量的精確范圍內(nèi)，添加助燃劑對(duì)煤燃燒熱值無(wú)影響。實(shí)際上，助燃劑本身無(wú)熱值，添加助燃劑應(yīng)導(dǎo)致試樣熱值減小，但因助燃劑添加量小且為水劑，由添加助燃劑導(dǎo)致的試樣熱值減小很小，可以忽略。

據(jù)此，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試用中，該助燃劑提高鍋爐出力和節(jié)煤效果明顯的原因，應(yīng)不是添加助燃劑提高燃煤熱值的結(jié)果，而應(yīng)從添加助燃劑提高燃煤燃燒速率角度分析。另外，助燃劑廠家曾委托多家機(jī)構(gòu)對(duì)添加助燃劑前后空氣干燥基發(fā)熱量進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，部分樣品添加助燃劑后樣品發(fā)熱量增加，增加范圍為:1%－11%，結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)矛盾。經(jīng)與廠家溝通，發(fā)現(xiàn)其委托樣品均存在制樣本身不均勻、及空氣干燥基樣品因水分不同導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果不具備對(duì)比條件的問(wèn)題。

表2 添加不同比例助燃劑煤樣發(fā)熱量

2.3 助燃劑對(duì)燃燒性能的影響

TG－DTG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1－圖4 及表3。

圖1 原煤的TG－DTG 結(jié)果

圖2 原煤加入1.0‰助燃劑的TG－DTG 結(jié)果

圖3 原煤加入1.5‰助燃劑的TG－DTG 結(jié)果

圖4 原煤加入2.5‰助燃劑的TG－DTG 結(jié)果

表3 添加不同比例助燃劑煤樣的TG－DTG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖及表可看出:隨助燃劑比例增加，起燃溫度、燃盡溫度開(kāi)始均逐步降低，隨后升高;助燃劑比例在1.5‰以下時(shí)的起燃溫度、燃盡溫度均低于未加助燃劑時(shí)的起燃溫度、燃盡溫度。隨助燃劑比例增加，燃燒時(shí)間逐步降低;未加助燃劑時(shí)的燃燒時(shí)間與助燃劑比例在1.5‰左右時(shí)的燃燒時(shí)間相同。隨助燃劑比例增加，相對(duì)燃燒時(shí)間逐步降低，然后升高;助燃劑比例在2.5‰時(shí)的相對(duì)燃燒時(shí)間大于未加助燃劑時(shí)的相對(duì)燃燒時(shí)間。助燃劑比例較小時(shí)的殘留率小于未加助燃劑時(shí)的殘留率。

著火溫度大小反映了煤樣的著火性能或活化能的高低，著火溫度、燃盡溫度、相對(duì)燃盡時(shí)間反映了煤樣的燃燒率，其數(shù)值越小，煤樣的燃燒率越高［1－4］。結(jié)合實(shí)驗(yàn)相對(duì)燃燒時(shí)間可見(jiàn)，助燃劑可使燃燒率最高提高6－7%。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)助燃劑助燃效果在1.5‰左右存在1 個(gè)最佳比例，大于或小于此值，助燃效果降低。這因?yàn)槊悍壑屑尤胫继砑觿?huì)產(chǎn)生2 種不同的效應(yīng):一是催化效應(yīng)，促進(jìn)煤的燃燒;另一個(gè)則是添加劑覆蓋一部分碳表面，阻塞部分孔口，從而增加擴(kuò)散阻力，阻礙煤的燃燒。當(dāng)助燃劑量較低時(shí)，前者起主導(dǎo)作用，使著相對(duì)燃燒時(shí)間減小，相應(yīng)的殘留率較小;當(dāng)助燃劑量較大時(shí)，后者起主導(dǎo)作用，使著相對(duì)燃燒時(shí)間升高，相應(yīng)的殘留率較大。因此，在使用過(guò)程中要考慮助燃劑添加比例，廠家在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試用中添加比例為1‰，該比例可能在助燃劑以催化效應(yīng)為主的范圍，但不一定是最佳助燃比例。助燃劑最佳添加比例應(yīng)首先針對(duì)特定煤樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得最佳助燃比例，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)性綜合分析獲得。廠家在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試用中對(duì)部分灰渣殘?zhí)孔隽藢?duì)比分析，發(fā)現(xiàn)同批次燃煤添加1‰助燃劑后灰渣殘?zhí)颗c未添加助燃劑時(shí)相比明顯減少，也說(shuō)明助燃劑提高了燃煤燃燒率。

3 結(jié) 論

如何通過(guò)提高煤炭的燃燒效率提高設(shè)備熱效率以達(dá)到節(jié)約能源和減少排放的目的引起了國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注，其中煤炭助燃劑成為研究的熱點(diǎn)。我國(guó)是世界第一煤炭消費(fèi)大國(guó)，也是世界上少數(shù)能源消耗以煤為主的國(guó)家。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但單位GDP 能耗高和由此導(dǎo)致的污染物排放強(qiáng)度大的問(wèn)題日益制約著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，為此，節(jié)能減排已成為各級(jí)政府的約束性考核指標(biāo)。

燃煤助燃劑不僅具有良好的燃燒促進(jìn)作用，同時(shí)還有優(yōu)良的脫硫脫氮作用，并在電力、石化、水泥等企業(yè)里起到了節(jié)能減排的重要作用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有多種商用燃煤助燃劑面世，試驗(yàn)證明的確有一定效果，且有利于環(huán)境保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙贏?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀以及工業(yè)需要，有必要在燃煤助燃劑的原料選擇、添加劑的配方和防止二次污染等方面開(kāi)展深入的研究。因此高效、使用方便、對(duì)人體無(wú)害的燃煤助燃劑在節(jié)能減排以及商業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的潛力。

基于此，新疆某公司利用中科院技術(shù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了水型燃煤助燃劑，在天津、山西、陜西、新疆多家用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試用，其結(jié)果表明，該助燃劑提高鍋爐出力，節(jié)煤效果明顯，用戶(hù)反映良好。為了從科學(xué)描述該燃煤助燃劑節(jié)煤原理，受生產(chǎn)單位委托，筆者本文利用自動(dòng)量熱儀、同步熱分析儀研究了助燃劑對(duì)煤燃燒熱值及燃燒性能的影響。本文通過(guò)助燃劑對(duì)煤燃燒熱值及燃燒性能的影響研究可以得到以下結(jié)論:

(1)助燃劑本身不具備發(fā)熱效果，添加助燃劑對(duì)煤燃燒熱值無(wú)影響。

(2)助燃劑可降低煤的著火溫度、燃盡溫度和相對(duì)燃盡時(shí)間，提高煤的燃燒率。助燃劑可使燃燒率最高提高6－7%，助燃劑助燃效果在1.5‰左右存在1 個(gè)最佳比例，大于或小于此值，助燃效果降低。

(3)為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，應(yīng)通過(guò)球磨過(guò)篩保證添加助燃劑前后的樣品均勻，試驗(yàn)中應(yīng)采用干基樣品。

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